砷化镓衬底化学机械抛光材料去除机理及抛光特性研究

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导师姓名
李建勇
学科专业
机械制造及其自动化
文献出处
北京交通大学   2019年
关键词
砷化镓衬底论文  化学机械抛光论文  材料去除论文  分子动力学论文  平整度论文
论文摘要

砷化镓单晶是继单晶硅之后发展起来的第二代半导体材料,具有优异的物理化学特性,是国防军工、航空航天、节能环保等领域不可或缺的微电子和光电子基础材料。无论是用于制作集成电路还是功能器件,都要求砷化镓衬底具有极佳的平整度和超光滑表面,否则将直接降低产品性能。目前,普遍采用化学机械抛光实现砷化镓衬底的超光滑加工。但是,砷化镓衬底化学机械抛光过程中存在诸多亟待解决的关键问题,例如:抛光过程材料在微观尺度的去除机理、抛光过程参量对衬底平整度的影响机制等,制约着砷化镓衬底化学机械抛光技术的发展。本文通过理论分析、计算模拟和实验相结合的方法,对砷化镓衬底化学机械抛光过程的材料去除机理和抛光特性进行了系统研究。采用分子动力学方法分析了砷化镓衬底抛光过程中的微观材料变形机制和衬底表面粗糙峰对于材料去除的影响规律。由于砷化镓不同晶体方位的原子结构不同,导致在外力作用下不同晶体方位的砷化镓亚表面非晶化和相变区域的分布是不同的,抛光过程微观尺度上的材料变形以相变和非晶化为主。磨粒作用下衬底粗糙峰发生了复杂的弹塑性变形,接触区域高压引起了非晶化和从闪锌矿向岩盐结构的相变的产生,抛光过程中材料去除表现出的明显的各向异性源于不同晶面的砷化镓的原子面密度和面间距的差异。通过开展划痕实验,明确了砷化镓在外力作用下的材料特性,发现砷化镓衬底的材料去除、可加工性、材料去除率存在显著的各向异性。同时对砷化镓衬底开展了初步抛光实验,结果表明:在抛光过程中,只有压力达到一定程度之后,衬底表面各处的材料去除率才会趋于一致。只有抛光盘转速增加到特定速度后,才能实现抛光过程化学作用和机械作用的平衡,获得较好的表面质量。使用有限元仿真及数值计算的方法建立了基于材料去除过程的衬底表面平整度分析模型,研究发现:抛光过程中对平整度影响较大的加工条件为衬底表面相对于抛光盘的速度,而抛光压力对平整度变化的影响并不显著;为了降低平整度并且获得较大的材料去除效率,应选择合适的抛光工艺参数,使衬底表面各点可获得较高的相对速度。通过砷化镓衬底化学机械抛光实验验证了平整度模型,实验结果和平整度分析模型所获得的结果相一致。随后分析了主要工艺参数对衬底表面粗糙度和平整度的影响规律,获得了可实现砷化镓衬底超光滑加工的最优工艺参数。

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