本发明属于半导体硬脆材料超精密加工设备技术领域，具体涉及一种SiC单晶等离子体电化学抛光装置，还涉及该抛光装置的抛光方法。
背景技术：
随着电子与通讯技术的发展，SiC单晶在大功率电子器件与IC行业得到大规模应用，尤其是对大直径超薄SiC单晶片的抛光提出了更高要求。由于SiC的高硬度和脆性特点，大直径超薄SiC单晶片的精密抛光工艺成了电子器件衬底加工制作过程的瓶颈，抛光后的SiC单晶片表面质量对器件性能与使用寿命有着重要影响。
SiC单晶的抛光根据抛光方法的类型，有机械抛光，化学机械抛光和等离子体辅助抛光等，分别存在表面与亚表面有损伤，易出现化学残留，后续不易清除，材料去除率很低与抛光时间长等缺点。等离子体电化学抛光方法是通过等离子体电化学方式使工件材料表面产生大量的氧等离子体，电离后与工件表面反应，生成较软的疏化层，再采用软性磨粒去除，可实现材料在纳米尺度抛光，并保持较高的材料去除率与表面质量。水基电解液中，SiC单晶为阳极，不锈钢为阴极，脉冲电压大于300V，开断频率在100kHz时，SiC单晶的Si面发生水的电解产生O2，在阳极表面迅速附着成致密氧气膜，阳极附近的OH-失电子后，电子撞击O2，经强电场作用被电离成O2-(氧等离子体)，将SiC表层活化状态下的Si氧化成SiO2，以疏化膜的形式附积在SiC表面，再通过软性磨料CeO2去除来抛光。因此，需要一种SiC单晶等离子体电化学抛光装置，实现SiC表面改性并将疏化层去除，提高抛光效率与抛光质量。
技术实现要素：
本发明的目的是提供一种SiC单晶等离子体电化学抛光装置，解决了现有抛光装置中SiC单晶易产生表面与亚表面损伤，抛光效率低的问题。
本发明的另一目的是提供一种SiC单晶等离子体电化学抛光装置的抛光方法。
本发明所采用的技术方案是，一种SiC单晶等离子体电化学抛光装置，包括机床台，机床台表面固接电解液箱、脉冲电源和电极组，电极组包括不锈钢电极和SiC单晶电极，不锈钢电极安装在可旋转的电极架上，电极架连接旋转工作台，待处理的SiC单晶电极安装在可旋转的夹持器上位于旋转工作台的正上方，旋转工作台表面粘接抛光垫，电解液箱通过导管将水基电解液输送到抛光垫表面，脉冲电源通过导线连接不锈钢电极和SiC单晶电极。
电极组包括固接在机床台表面中央的支架，支架上端安装旋转工作台，旋转工作台上贯穿表面开有多个间隔的电极孔，支架内部底面中央固定安装电刷，电刷通过滚珠丝杠连接电极架，电极架表面间隔固接多个电极杆，用于安装不锈钢电极，每个电极杆与每个电极孔的位置相对应且同轴，机床台表面安装旋转支架，SiC单晶电极固定在旋转支架上，SiC单晶电极包括固接在旋转支架上端的夹持器，夹持器位于旋转工作台的正上方，用于夹持SiC单晶，脉冲电源通过导线连接电刷和SiC单晶。
旋转工作台和旋转支架的转动方向相反。
导管的一端安装有喷嘴，喷嘴位于抛光垫正上方且靠近SiC单晶电极。
导管的另一端与电解液箱连接，并且连接处位于导管内部安装过滤网，导管上还依次连接液压泵、流量计和恒温器。
机床台四周固接玻璃罩，电解液箱、脉冲电源和电极组位于玻璃罩内部。
玻璃罩侧壁上部连接排气管。
本发明的另一技术方案是，一种SiC单晶等离子体电化学抛光装置的抛光方法，具体操作过程包括如下步骤：
步骤1、使用夹持器夹紧SiC单晶的外圆，调整旋转工作台至抛光垫与SiC单晶待抛光面接触的位置；
步骤2、将不锈钢电极安装在电极架的电极杆上，通过电机带动滚珠丝杠调整电极架升降高度，使不锈钢电极上端面与抛光垫上表面的距离为100微米；
步骤3、在电解液箱中注入适量水基电解液，使水基电解液经导管由喷嘴10喷到SiC单晶与抛光垫接触面附近，通过恒温器控制水基电解液温度；通过电机分别驱动旋转工作台和夹持器作旋转运动，使抛光垫与SiC单晶接触的表面产生相对运动；
步骤4、开启并调节脉冲电源使电压为300V，开断频率为100kHz；喷嘴喷出的水基电解液被电解电离出氧等离子体，将强电场作用下的SiC单晶Si原子活化后形成较软的疏化层，经抛光垫抛光去除疏化层，达到抛光效果。
本发明的有益效果是，一种SiC单晶等离子体电化学抛光装置及其抛光方法，通过将SiC单晶夹持在夹持器上，夹持器安装在旋转支架上，通过电机带动旋转，位于旋转台的上方，旋转工作台上固接抛光垫，并且表面开孔处与电极架上的不锈钢电极一一对应，电极架在电机带动滚珠丝杠的作用下实现升降和旋转，由于夹持器和旋转工作台的旋转，SiC单晶在抛光垫的作用下被抛光，本发明的装置结构简单，加工方法易于实现。
附图说明
图1是本发明的一种SiC单晶等离子体电化学抛光装置的结构示意图；
图2是本发明的一种SiC单晶等离子体电化学抛光装置的工作过程示意图；
图3是图的A-A俯视图。
图中，1.机床台，2.电解液箱，3.水基电解液，4.过滤网，5.液压泵，6.流量计，7.恒温器，8.玻璃罩，9.导管，10.喷嘴，11.夹持器，12.SiC单晶，13.排气管，14.抛光垫，15.旋转工作台，16.不锈钢电极，17.脉冲电源，18.电极架，19.电刷。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
本发明的一种SiC单晶等离子体电化学抛光装置，如图1和图2所示，包括机床台1，机床台1表面固接电解液箱2、脉冲电源17和电极组，电极组包括不锈钢电极16和SiC单晶电极，不锈钢电极16安装在可旋转的电极架18上，电极架18连接旋转工作台15，待处理的SiC单晶电极安装在可旋转的夹持器11上位于旋转工作台15的正上方，旋转工作台15表面粘接抛光垫14，电解液箱2通过导管9将水基电解液3输送到抛光垫14表面，脉冲电源17通过导线连接不锈钢电极16和SiC单晶电极。
电极组包括固接在机床台1表面中央的支架，支架上端安装旋转工作台15，旋转工作台15上贯穿表面开有多个间隔的电极孔，支架内部底面中央固定安装电刷19，电刷19通过滚珠丝杠连接电极架18，电极架18表面间隔固接多个电极杆，用于安装不锈钢电极16，每个电极杆与每个电极孔的位置相对应且同轴，机床台1表面安装旋转支架，SiC单晶电极固定在旋转支架上，SiC单晶电极包括固接在旋转支架上端的夹持器11，夹持器11位于旋转工作台15的正上方，用于夹持SiC单晶12，脉冲电源17通过导线连接电刷19和SiC单晶12。
如图3所示，旋转工作台15和旋转支架的转动方向相反。
导管9的一端安装有喷嘴10，喷嘴10位于抛光垫14正上方且靠近SiC单晶12，用于将水基电解液3输送到抛光垫14表面。
导管9的另一端与电解液箱2连接，并且连接处导管9内部安装过滤网4，用于过滤电解液中的杂质，导管9上还依次连接液压泵5、流量计6和恒温器7，液压泵5用于将水基电解液3从电解液箱2中输送并喷到抛光垫14表面，流量计6测量电解液的流量，恒温器7可以调节电解液的温度。
机床台1四周固接玻璃罩8，电解液箱2、脉冲电源17和电极组位于玻璃罩内部。
玻璃罩8侧壁上部连接排气管13。
脉冲电源17采用微弧氧化电控系统，其单脉冲功率参量可调范围为：电压0-700V，峰值电流0-1500A、脉宽30μs-200μs。
恒温器7采用华盼快速电热水龙头ZM-D1。
本发明的一种SiC单晶等离子体电化学抛光装置的抛光方法，具体操作过程包括如下步骤：
步骤1、使用夹持器11夹紧SiC单晶12的外圆，调整旋转工作台15至抛光垫14与SiC单晶12待抛光面接触的位置；
步骤2、将不锈钢电极16安装在电极架18的电极杆上，通过电机带动滚珠丝杠调整电极架18升降高度，使不锈钢电极16上端面与抛光垫14上表面的距离为100微米；
步骤3、在电解液箱2中注入适量水基电解液3，使水基电解液3经导管9由喷嘴10喷到SiC单晶12与抛光垫14接触面附近，通过恒温器7控制水基电解液温度；通过电机分别驱动旋转工作台15和夹持器11作旋转运动，使抛光垫14与SiC单晶12片接触的表面产生相对运动；
步骤4、开启并调节脉冲电源17使电压为300V，开断频率为100kHz；喷嘴10喷出的水基电解液被电解电离出氧等离子体，将强电场作用下的SiC单晶Si原子活化后形成较软的疏化层，经抛光垫14抛光去除疏化层，达到抛光效果。
技术特征：
1.一种SiC单晶等离子体电化学抛光装置，其特征在于，包括机床台(1)，所述机床台(1)表面固接电解液箱(2)、脉冲电源(17)和电极组，所述电极组包括不锈钢电极(16)和SiC单晶电极，所述不锈钢电极(16)安装在可旋转的电极架(18)上，所述电极架(18)连接旋转工作台(15)，所述待处理的SiC单晶电极安装在可旋转的夹持器(11)上位于所述旋转工作台(15)的正上方，所述旋转工作台(15)表面粘接抛光垫(14)，所述电解液箱(2)通过导管(9)将水基电解液(3)输送到所述抛光垫(14)表面，所述脉冲电源(17)通过导线连接所述不锈钢电极(16)和所述SiC单晶电极。
2.如权利要求1所述的一种SiC单晶等离子体电化学抛光装置，其特征在于，所述电极组包括固接在所述机床台(1)表面中央的支架，所述支架上端安装所述旋转工作台(15)，所述旋转工作台(15)上贯穿表面开有多个间隔的电极孔，所述支架内部底面中央固定安装电刷(19)，所述电刷(19)通过滚珠丝杠连接所述电极架(18)，所述电极架(18)表面间隔固接多个电极杆，用于安装所述不锈钢电极(16)，每个所述电极杆与每个所述电极孔的位置相对应且同轴，所述机床台(1)表面安装旋转支架，所述SiC单晶电极固定在所述旋转支架上，所述SiC单晶电极包括固接在旋转支架上端的夹持器(11)，所述夹持器(11)位于所述旋转工作台(15)的正上方，用于夹持SiC单晶(12)，所述脉冲电源(17)通过导线连接所述电刷(19)和所述SiC单晶(12)。
3.如权利要求1所述的一种SiC单晶等离子体电化学抛光装置，其特征在于，所述旋转工作台(15)和所述旋转支架的转动方向相反。
4.如权利要求1所述的一种SiC单晶等离子体电化学抛光装置，其特征在于，所述导管(9)的一端安装有喷嘴(10)，所述喷嘴(10)位于所述抛光垫(14)正上方且靠近所述SiC单晶电极。
5.如权利要求1所述的一种SiC单晶等离子体电化学抛光装置，其特征在于，所述导管(9)的另一端与所述电解液箱(2)连接，并且连接处所述位于导管(9)内部安装过滤网(4)，所述导管(9)上还依次连接液压泵(5)、流量计(6)和恒温器(7)。
6.如权利要求1所述的一种SiC单晶等离子体电化学抛光装置，其特征在于，所述机床台(1)四周固接玻璃罩(8)，所述电解液箱(2)、脉冲电源(17)和电极组位于所述玻璃罩内部。
7.如权利要求1所述的一种SiC单晶等离子体电化学抛光装置，其特征在于，所述玻璃罩(8)侧壁上部连接排气管(13)。
8.一种如权利要求1-7任一项所述的SiC单晶等离子体电化学抛光装置的抛光方法，具体操作过程包括如下步骤：
步骤1、使用夹持器11夹紧SiC单晶(12)的外圆，调整旋转工作台(15)至抛光垫(14)与SiC单晶(12)待抛光面接触的位置；
步骤2、将不锈钢电极(16)安装在电极架(18)的电极杆上，通过电机带动滚珠丝杠调整电极架(18)升降高度，使不锈钢电极(16)上端面与抛光垫(14)上表面的距离为100微米；
步骤3、在电解液箱(2)中注入适量水基电解液(3)，使水基电解液(3)经导管(9)由喷嘴(10)喷到SiC单晶(12)与抛光垫(14)接触面附近，通过恒温器(7)控制水基电解液温度；通过电机分别驱动旋转工作台(15)和夹持器(11)作旋转运动，使抛光垫(14)与SiC单晶(12)接触的表面产生相对运动；
步骤4、开启并调节脉冲电源(17)使电压为300V，开断频率为100kHz；喷嘴10喷出的水基电解液被电解电离出氧等离子体，将强电场作用下的SiC单晶Si原子活化后形成较软的疏化层，经抛光垫(14)抛光去除疏化层，达到抛光效果。
技术总结
本发明公开的一种SiC单晶等离子体电化学抛光装置，包括机床台，机床台表面固接电解液箱、脉冲电源和电极组，电极组包括不锈钢电极和SiC单晶电极，不锈钢电极安装在可旋转的电极架上，待处理的SiC单晶电极安装在可旋转的夹持器上，电解液箱通过导管将水基电解液输送到不锈钢电极表面，脉冲电源通过导线连接不锈钢电极和SiC单晶电极。本发明还公开了该抛光装置的抛光方法。本发明公开的抛光装置，解决了现有抛光技术中SiC单晶易产生表面与亚表面损伤，抛光效率低的问题，装置结构简单，容易操作。
技术研发人员：李淑娟;尹新城;李志鹏;赵智渊;贾祯;蒋百铃
受保护的技术使用者：西安理工大学
技术研发日：.04.19
技术公布日：.07.12
