表面无损伤、粗糙度低的半导体碳化硅(4H-SiC)衬底是制造电力电子器件和射频微波器件的理想衬底材料, 在新能源、轨道交通、智能电网和5G通信等领域具有广阔的应用前景。4H-SiC衬底的加工过程包括切片、减薄、研磨、抛光和清洗, 在4H-SiC衬底加工过程中引入的表面/亚表面损伤均严重影响材料性能、同质外延薄膜性质, 以及器件性能和可靠性。本文将重点介绍4H-SiC晶片在切片、减薄、研磨、抛光等各个加工环节中表面/亚表面损伤的形成和去除机制, 基于4H-SiC晶圆表面/亚表面损伤的检测方法, 综述亚表面损伤的形貌和表征参量, 并简单介绍三种常见的亚表面损伤的消除方法, 分析其技术优势和发展瓶颈, 对去除亚表面损伤工艺的发展趋势进行了展望。

为了研究典型功能脆性材料钽酸锂和硅片的磨削特性, 建立了端面磨削模型来计算晶片的比磨削能及其表面的磨削力的分布, 并通过实验分析脆性材料的磨削特性。以进给速度作为变量, 选取砂轮端主轴磨削过程中功率增加率作为评价磨削特性的指标进行磨削实验, 同时采集砂轮端主轴的功率值信号, 滤波后计算晶片比磨削能和磨削力的分布。通过端面磨削模型计算可得：钽酸锂的比磨削能是147.46 J/mm3, 比硅的大44%, 表明磨削去除相同体积的钽酸锂需要更多的能量, 钽酸锂晶片表面分布的磨削力比硅片大。磨削过程的主轴功率增加率是预测钽酸锂加工结果的重要指标, 在本实验中一旦增加率大于临界值0.6 W/s, 钽酸锂表面就会产生裂纹。而在相同加工条件下, 无论进给速度如何变化, 硅片的磨削主轴的功率增加率始终保持稳定, 而钽酸锂的主轴磨削过程的功率增加率则与进给速度呈现线性增加关系, 这一现象与钽酸锂的机械性质无关, 而与物理性质有关系。

为了实现对工件的剪切增稠抛光(STP),采用机械混合与超声波分散法制备了一种Al2O3基STP磨料液,并研究了它们的抛光特性。利用应力控制流变仪考察其流变性能,通过扫描电镜和光学轮廓仪研究了单晶硅加工后表面显微组织的变化,并测量其表面粗糙度。结果表明: STP磨料液具有剪切变稀和可逆的剪切增稠特性,达到临界剪切速率后,会形成Al2O3“粒子簇”;当剪切速率增大至1000 s-1,储能模量,耗能模量和耗散因子都增至最大值,此时主要表现为类似固体的弹性行为,有利于形成类似“柔性固着磨具”。在STP加工单晶硅过程中,采用塑性去除的材料去除方式。随着抛光时间的延长,硅片去除速率先增大后减小;表面粗糙度不断减小并趋于稳定。实验显示,磨粒浓度不宜过高,否则会因剪切增稠效应造成黏度过大,导致流动性差而影响抛光质量。当Al2O3质量分数为23%时,抛光25 min后,硅片表面粗糙度Ra由422.62 nm降至2.46 nm,去除速率达0.88 μm/min,表明其能实现单晶硅片的高效精密抛光。

基于动量守恒原理，结合麦克斯韦应力张量和三维时域有限差分方法,建立了近场空间内激光光镊对纳米微粒的光阱力计算模型.分析了光纤探针型近场光镊的近场分布以及操作纳米微粒时各轴向光阱力的分布情况，并探讨了光纤探针尖端的捕获尺寸、捕获位置和操作稳定性.结果表明:微粒应处于光纤探针针尖的近场空间内才可实现稳定可靠的纳米操作，不同尺寸的微粒具有不同的捕获效果，且随初始位置的不同微粒的捕获位置亦不同.计算结果为激光近场光镊纳米操作装置的设计和制造提供了理论基础.

本文针对纳米材料的纳米操作，提出了一种复合激光近场光镊与AFM 探针进行纳米操作的方法，并基于动量守恒原理，采用三维时域有限差分方法建立了该方案中激光近场对纳米微粒的作用力模型，分析了各轴向光阱力的分布情况，讨论了两探针间距离、针尖材料的电导率、入射平面光场的偏振方向、入射角和波长等参数对近场光阱力的影响。结果表明：位于耦合光场中特定位置的微粒可被捕获至固定位置，所需的捕获功率大大低于传统光镊所需的捕获功率；为实现稳定的纳米操作，光纤探针与AFM 探针的距离应保持在孔径范围内，两探针的相互位置应保持成垂直关系，同时应选用短波长的捕获激光，并保持激光偏振方向与AFM 探针轴线的匹配。本文设计的近场光镊与AFM 探针相复合的纳米操作系统，能大大扩宽近场光镊和AFM 系统在纳米操作上的应用范围。