在科技日新月異的今天，單晶碳化矽（SiC）以其卓越的物理性能（néng），正逐漸成為高端（duān）製造領域的璀璨明珠。2024年，隨著（zhe）超精密（mì）加工技術的（de）飛速發展，單（dān）晶SiC的加工研究取得了突（tū）破性（xìng）進展，為材料加工領域注入了新的活力。
單晶SiC作（zuò）為一種具有高熱導率、高硬度、高抗腐蝕性的陶瓷材料，在（zài）航空航（háng）天、半導體製造等領域（yù）具有廣泛的應用前景（jǐng）。然而，由於其高硬（yìng）度和脆（cuì）性，單晶SiC的超精密加工一（yī）直是困擾科研（yán）人員的難題。傳統的加工方法往往難以達到理想的加工精度和表麵質（zhì）量，限製了（le）單晶SiC的廣泛應用。
近年來，隨著超精密（mì）加工技術（shù）的不斷突（tū）破，單晶SiC的（de）加工難（nán）題逐漸得到解決。科研人員通過深入研究單晶（jīng）SiC的晶體結構和物理性能，成功開發出了（le）一係列新型的超精密加工方法。這些方法不僅提高（gāo）了加工精度和（hé）效率，還大幅改善了加工（gōng）表麵的（de）質量。
其中，激光輔助加工技術是一項備受矚目的創新成果。通過激光束對單晶SiC進行局部加熱，降低其硬度和脆性，從而實現高效、高精度的（de）加工（gōng）。此外，納米壓印技術也展現出了巨大（dà）的潛力。利用納米尺（chǐ）度（dù）的模具，可以在單晶SiC表麵（miàn）實現微納結構的精確複製，為製造高精度、高複雜度的器件提供了有力支持。
除了技術突破外，單晶（jīng）SiC超精密加工（gōng）的研（yán）究還涉及到了材料性能的優化和（hé）加工設備的創（chuàng）新。科研人員通（tōng）過改進單晶SiC的製備工藝，提高了其純度和結晶度，為超精密加工提供了更好的材料（liào）基礎。同時，針對單晶SiC的加工特點（diǎn），研發了一係列專用的超精（jīng）密（mì）加工設備，如高精（jīng）度數控機床、超硬刀具等，為加工過程提供了強（qiáng）有力的支撐。
單晶SiC超精密加工技（jì）術的突破不僅推動了材料加工領域的發展，還為相關產業帶來了革命（mìng）性的變革（gé）。在航（háng）空（kōng）航天領域，單晶SiC的高（gāo）性能使得其（qí）成為（wéi）製（zhì）造（zào）先進發動機和高溫結構件的理想材料。在半導體製造領域，單晶SiC的優異性能為製造高（gāo）性能、高可靠性的芯片提供了有力保障。
展望未來，隨著單（dān）晶SiC超精密加工技術的不斷發展和完善，相信其在更多（duō）領域的應用將會得到拓展和深化。同（tóng）時，我們也期待更多的科研人員和企業加（jiā）入到這一領域的研（yán）究和開發中，共同推動單晶SiC超精密加工技術（shù）的進一步發展（zhǎn），為人（rén）類社會的科技進步和產業發展貢（gòng）獻更多的（de）力量。
摘要
單（dān）晶碳化矽(SiC)的高脆性、高硬性（xìng）和強化（huà）學惰性是製約第三代半導體超精密拋光發展（zhǎn）的（de）關鍵（jiàn）,實現襯底高效率、超光滑表麵的加（jiā）工（gōng）具有挑戰（zhàn）性。對（duì）於單晶SiC的化學機械拋光(CMP),分別從材料去除和工藝優（yōu）化兩個維度出發,闡述了（le）CMPSiC的（de）影響因素和規律,指（zhǐ）出了該方法的不足。介紹了光催化（huà）、超聲振（zhèn）動、電場、等離子體、磁流變、表麵預處理等輔助CMP拋（pāo）光方法,分析了複合增效拋光的去（qù）除機理和優勢。通過對比發現,輔助（zhù）能場的介入有助於改善SiC表麵質量,並能獲得較好的加工效果,然而,複合拋光技術涉（shè）及的（de）能場複雜（zá）,多能場作用（yòng）下的材（cái）料去除機製和工藝參（cān）數匹配仍需進行深（shēn）入研究。最後,對（duì）未來單晶SiC超精密加工的研（yán）究給出了建議,並進行了展望。
0引言（yán）
單（dān）晶碳化矽(SiC)由（yóu）於具有（yǒu）較大的禁帶寬度（dù）、優良的導熱性、高的擊穿電場和良好的化學穩定性等優異物理和化學性能,被廣泛（fàn）認為是製造高壓、高（gāo）頻和高溫條件下功（gōng）率器件典型的第三代（dài）半導（dǎo）體材料。隨著SiC襯底加工工藝的不斷發展,高頻、高功率（lǜ）、抗（kàng）輻射器件的應用日益增加。與矽(Si)基相（xiàng）比,基於SiC的大功率器件具有功率密度更高、功耗更低和尺寸（cùn）更小的優點。SiC器件已成功應用於電動汽車、高鐵、不間斷電源、高壓電網和5G通信等領域。
在功（gōng）率（lǜ）器件（jiàn）中,SiC襯底的表麵（miàn）粗糙度嚴重影響其（qí）使用性能,表麵粗糙度越（yuè）小,擊穿電場強（qiáng）度和擊穿所需的電荷（hé）數量越大。因此,獲得（dé）具有無表麵損傷、無亞表麵損傷(SSD)、原子級（jí）表麵粗糙度的超光滑表麵,是其廣泛應用的（de）必要條件。單晶SiC由於其特殊（shū）的硬脆特性和（hé）極強的化學惰性,導致可加工（gōng）性差,特（tè）別（bié）是在（zài）超精密拋光方麵（miàn）尤為顯著。SiC襯底經過切（qiē）割、研磨和機械拋光（guāng）後,表（biǎo）麵(或亞表麵)會出現許多損傷,如劃痕和（hé）裂（liè）紋。為了（le）降低表麵粗糙度和去除表麵缺陷,對單晶SiC進行精密拋光是（shì）必要的。
因此,為了滿足高性能半導體器件對高精度、高質量、高產量（liàng）SiC襯底的要（yào）求,國內外學者一直致力於對SiC的研究。
1化學機械拋光
化（huà）學機械拋光(CMP)技術出現（xiàn）於（yú）20世紀中（zhōng）期,由於能夠同時對玻璃和金屬進行平坦化,因而引起了人們的極大關注。CMP能夠同時實現全局和局部平（píng）坦（tǎn）化,所以在半導（dǎo）體晶圓製程中被廣泛使用。化學機械拋光後（hòu）的工（gōng）件表麵具有超高的麵形精（jīng）度,表麵粗糙度為亞納米級,表麵超光滑無損傷。CMP技術（shù）已經廣泛應用在半導體工業、金屬材料等表麵超精密加工中。
在拋光過程中,工件表麵與拋光液接（jiē）觸,發生化學反應,生成軟（ruǎn）質層。工件在壓力作用下與拋（pāo）光墊相對運（yùn）動,其表（biǎo）麵的軟質層被拋（pāo）光液中的磨料劃擦去（qù）除。CMP示意圖如圖1所示,圖中（zhōng）F為壓（yā）力。
CMP的微觀去除機（jī）理非常複（fù）雜,影響因素很多,拋光過程（chéng）涉及到化學、摩擦學、流體力學等眾多因素,總體來講,CMP的去除機理具有複雜性,現有的機理研究仍存在局限性,大（dà）多是在某（mǒu）一方（fāng）麵對拋光過程進行建模和分析,CMP去除（chú）模型依然無法得到統一,但是國內外學者關於CMP中機械、化學協同耦合作用方麵的研究和探索從未停止,尤其是在去除機理仿真和加工工藝研究兩個（gè）方麵。
1.1 SiC CMP加工機理仿真研究
為了實現芯片襯底的高效低損傷加工,必須係統研究超精密（mì）加（jiā）工單晶（jīng）SiC的材料去除機理以及表麵損傷的（de）產生機理（lǐ）。
2020年,Z.G.Tian等人采（cǎi）用分子動力學模擬方法,對（duì）4H-SiC和6H-SiC的C麵和Si麵進（jìn）行了劃痕實（shí）驗,研究表（biǎo）明,與Si麵相比,C麵（miàn）的非晶態（tài）變形更少,材料的去除更有效,這種劃痕現象與SiC晶體基麵上的位錯有關。圖2為不同（tóng）試件（jiàn）在不同劃擦深度下無定型原子數和位錯數（shù）量。2021年,P.Zhou等（děng）人采用分（fèn）子動力學方法研究了多磨粒隨機分布的固結磨料拋光SiC基片的表（biǎo）麵形貌、亞表麵損傷特征。結果（guǒ）表明,多磨粒在單一粗糙麵（miàn）中的暴露（lù）高（gāo）度和磨粒分布決定了SiC襯底的去除行為;金剛石顆粒（lì）在固結磨料拋（pāo）光墊中的隨機分布會使加（jiā）工質量變差。
在CMP中除了存在與機械拋光相（xiàng）似的磨料劃擦作用外,化學作（zuò）用的影響也至關重要（yào）。2021年,孫強采用分子動力（lì）學方法分別模擬了（le）CMP中金剛石和SiO2磨粒（lì）對SiC表麵原子去除機製。結果表明,SiO2在拋光過程中比金剛石更容易發（fā）生化學反應,原因是其通過（guò）與SiC表麵原子持續成鍵（jiàn）和斷鍵來實現原子（zǐ）去除。2023年,Z.W.Yuan等人（rén）研究了SiC在羥基自由基(·OH)水（shuǐ）溶液中（zhōng）的原子行為。結果（guǒ）表明,在隻發生化學氧（yǎng）化的（de）情況下,SiC表麵吸附O、H、·OH生成Si—OH2、Si—OH、Si—H2O和Si—H等（děng）,Si原子未曾從SiC表麵脫離（lí）,如圖3(a)所示。而在機械作用下,部分Si和（hé）C原子（zǐ）以SiO、SiO2、CO、CO2或鏈狀結構脫離基體,其餘Si和C原子則以吸附方式脫離基體,如圖3(b)所示。這些研究有（yǒu）助於從原子層麵上解釋CMP中原子氧（yǎng）化（huà）去除的動力（lì）學過程,為揭（jiē）示材料去除機（jī）理提（tí）供了一種有價（jià）值的方（fāng）法。
目前采用分子（zǐ）動力學（xué）手段對材（cái）料去除機理以及表麵損傷機理的研究（jiū）逐漸（jiàn）深入,但（dàn）依然麵臨諸多問題,比（bǐ）如模型設置、尺寸效應等,與實際生產加工（gōng）存在差異。
1.2 SiC CMP工（gōng）藝研究
近年來眾多學（xué）者在CMP工藝方麵開展了大量的研究工作,主要集（jí）中在拋光液的配製、拋（pāo）光墊選擇與製備以及拋光工藝優（yōu）化等方麵。
1.2.1拋光（guāng）液
在化（huà）學作用方麵,拋光液起主導作用。其作用是將工件表（biǎo）麵的材料氧化（huà）,生成一層質地較軟且與基（jī）底結合力較弱的氧化膜,然後通過（guò）機械劃擦將（jiāng）氧化膜去除,以達到拋光的（de）目（mù）的。影響拋光液性能的因素（sù）有氧化劑、pH值、分散劑、磨料（liào）等。
2013年,G.S.Pan等人將含H2O2、氫氧化鉀(KOH)和二氧化矽的拋光液引入（rù）6H-SiC襯底Si麵的化學機械拋光中,研究了這3種成分對襯底材料去除率、表麵粗糙度的影響。結果表明,當拋光（guāng）液中H2O2質量分數為6%、KOH質量分數為0.6%、二氧化矽顆粒（lì）質量分數為30%時,材料（liào）去（qù）除率（lǜ）(MRR)增（zēng）大至105nm/h,表麵粗糙度(Ra)為（wéi）0.067nm。2021年,Q.X.Zhang等人通過摩擦磨損的方式（shì）研究了添加不同氧化劑(H2O2、KMnO4和Fenton試劑)的拋光液對單晶6H-SiC的影響,如圖4所示。實驗顯示SiC在不同拋光液中（zhōng）的MRR不同（tóng）,其中添加KMnO4的拋光液的MRR最高,不含氧化劑（jì）的矽溶膠拋光液的MRR最低。這表明氧化劑（jì）種類、pH值是（shì）影響CMP的重要（yào）因素。
分散劑的作用是使磨粒均勻地懸浮分散在拋光液中,並具有足夠的分布穩定性。2022年,W.T.Wang等人使用不同的聚合（hé）物分散劑,包括聚乙二醇(PEG)、聚丙烯酸鈉(PAAS)和（hé）它（tā）們的三嵌段共聚物聚(丙烯酸)-b-PEG-b-聚(丙烯酸)(PAEG)進行CMP實驗,結果表明,通過使用PAEG作為分散劑來拋光SiC襯底能（néng）獲得更好的去除率和更低的表麵（miàn）粗糙度。
目前研究中磨料種（zhǒng）類是多樣的。常見磨料包括金剛石（shí）、碳化（huà）硼(B4C)、SiC、Al2O3、SiO2和二氧化鈰(CeO2),其莫氏（shì）硬度分別為10、9.4、9.2、9、7和6,CeO2、Al2O3、B4C、SiC和納米金剛石已經被用於增強SiC襯底CMP拋光的機械作用。
除（chú）了單一磨料外,混合磨（mó）料也（yě）得到了研究。混合磨料拋光液(MAS)包含兩種或更多種類型固相磨料（liào）,如ZrO2/SiO2、納米金剛石/SiO2、聚（jù）合矽酸鎂鐵鋁鋅/SiO2、SiO2/CeO2和（hé）ZrP/Al2O3等。與（yǔ）單一磨料拋光液相比,MAS具有更好的CMP性能（néng）。研究發現,在SiO2拋光液中添加質量分數10%金剛石磨料可以將MRR從60nm/h增加到600nm/h,並將Ra從68.3nm降低到0.55nm。
此外,也研究了不同粒徑的同種磨料（liào）對機械作用的影響。2014年（nián）,X.L.Shi等人詳細（xì）分析了（le）不同磨（mó）料粒徑的矽溶膠（jiāo）對4H-SiC晶圓拋光性能的影響。通（tōng）過理論推導和實驗分（fèn）析得出,當磨（mó）料粒徑較大（dà）時會導致（zhì）不規則的平台邊緣。反之,如果磨料（liào）粒徑較小,材料的去除（chú）將更規則,並且平台邊緣將更平坦和光滑,指出磨料粒徑是決定CMP效（xiào）率（lǜ）和晶圓表麵最終平坦化（huà）質量的（de）重要因素。圖5所示為不同粒徑SiO2磨料拋光後的（de）表麵,其（qí）中常規尺寸磨料（liào）平均粒徑30.8nm,大尺寸磨料平均粒徑79.3nm。
在目前的報道中,對於拋光液的研究（jiū）思路包括改變氧化劑的種類和濃度、溶液pH值、分散劑、磨料等方法。通過調節拋光液中不同成（chéng）分（fèn）的含量,控製機械磨損與化學反應之間的平衡,對獲得高MRR和無原子平麵缺陷的表麵起著關鍵作用。
1.2.2拋光（guāng）墊（diàn）
拋光墊是CMP中的主要耗材,其自身性質、所受外力均會影響拋光效果。
2017年,D.Lee等人通過有（yǒu）限元分析與實驗相結合的方法測算了不同型號聚氨酯拋（pāo）光墊的（de）彈性模量與泊鬆比。該研究為之後CMP工藝（yì）中應力分布研究奠定了基礎。2022年,郝曉（xiǎo）麗分別采用聚氨酯、尼龍、超纖拋光布三種不同材質的拋光墊進行實驗。在拋光盤轉速為（wéi）60r/min、施加壓力為25kPa、拋光液磨料質量分數為（wéi）5%的條件下（xià）,聚氨酯拋光墊的（de）拋光效果最好。
為了進一步提高拋（pāo）光效率和表麵質量,新型拋光墊的研製得到了快（kuài）速發展。2016年（nián）,J.K.Ho等（děng）人將Fe和Al2O3顆粒浸漬在聚氨（ān）酯基體中,形成固結磨料拋光墊（diàn）,研究了固結磨料拋光墊拋光SiC晶（jīng）片的表麵特性和材料去除率,並與聚氨酯拋光墊進行了對比。結果表明,用含（hán）質量分數1%Fe和質量（liàng）分數3%Al2O3的拋光墊拋光時,材料去除率提高了（le）73%,並且（qiě）拋光後的表（biǎo）麵無損傷。該工藝（yì）不僅縮短了拋光時間,而且降低了拋光成本（běn）。2022年,J.G.Yao等人采用固（gù）化法製備（bèi）了自退讓性固結（jié）磨料拋光墊(SR-FAPP),用聚氨酯拋光墊和SR-FAPP對SiC晶片進行CMP後,發現前者材料去除率高（gāo）於後者,在微觀形貌上,後者拋光後的SiC晶片（piàn）表麵的劃痕明顯減少,有效改善了拋光後SiC晶片表麵劃痕的不均勻性。
作為CMP機械作用中的重要部分,拋光（guāng）墊的選擇或製備是實驗和生產中的必（bì）要一環,其製作材料、鑲嵌磨粒類型及分布等均對拋光效果有著（zhe）較（jiào）大影響。
1.2.3工藝優（yōu）化
在CMP中,拋光效果是多個工藝參數耦合的結果,探究壓力、轉速、粒徑、拋光（guāng）液體積（jī）流量對材料去除率和表麵（miàn）粗糙度的影響規律,優化工藝參數是提高拋光效果的（de）有效措施。2013年,J.X.Su等人研究了拋光盤轉速、拋光壓力和（hé）磨料尺（chǐ）寸等CMP工藝參數對材料去除率的影響。研究結果表明,材料去除率隨著磨料尺寸、轉速和拋光壓（yā）力的變化（huà）而顯著變化。在相同條件下,Si麵的MRR大於C麵。2021年（nián）,龐（páng）龍飛等人調整拋光液體積流（liú）量、轉速、壓力等工藝參數對SiC晶片進行對比實驗（yàn）,最終經（jīng）過參數優化,得到了Ra為（wéi）0.099nm的光滑表麵。2022年,章平等人較為詳細地研究了工藝參數對拋光的（de）材料去除率（lǜ）以及表麵粗糙度的影響。通過調節拋光（guāng）壓力（lì）、轉速、拋光液體積流量,探（tàn）究了工藝參數對SiC加（jiā）工過（guò）程中氧化膜去（qù）除率(機（jī）械作用)的作用規律。結果表明壓力、轉（zhuǎn）速、拋光液體積流量分別為38.68kPa、120r/min、90 mL/min時,化學作用與機械（xiè）作用最接（jiē）近於（yú）平衡點,此（cǐ）時MRR為92nm/h,Ra的最低值為0.158nm。
工藝參數與MRR、Ra之間（jiān）的關係也可以通（tōng）過建立模型來進行預測,為SiC的CMP加工提（tí）供參（cān）考。2021年,J.Y.Deng等人基於改進（jìn）的Preston方程,研究了工藝參數對SiC拋光MRR和Ra的影響,並利用反向傳播神經網絡建立了MRR和Ra的預測模型,如圖6所示。結果表明,隨著FeSO4質量分（fèn）數、H2O2質量分數和pH值（zhí）的升高,MRR呈先（xiān）升高後降低的趨勢,拋光後Ra呈先降低後升高（gāo）的（de）趨勢。隨（suí）著磨料粒（lì）徑、磨料濃度、拋光壓（yā）力（lì）和拋（pāo）光速度的增加,MRR不斷增大。Ra隨磨料粒徑和磨料（liào）濃度的增加而不斷減小,隨著拋光（guāng）壓力的增加而增（zēng）大,隨著拋光速度的增加而先減小後增大。不難看出,在SiC單晶的CMP中通過工藝優化,對（duì）拋（pāo）光效果起到了一定的改善和提高作用。
綜上所述,目前CMP的研究比較全（quán）麵,涉及了分子動力學仿真模擬和各因素實驗分（fèn）析,為SiC單晶的超精密拋光生產、應用提供了大量的（de）理論和實驗依據。但是,由於SiC的強（qiáng）化學惰性,在CMP拋光過程中工件表（biǎo）麵的化學（xué）反應速率有限,材料去除率（lǜ）遇到瓶頸。
2增效化學機械拋光
目前（qián）化學機（jī）械拋（pāo）光的材料（liào）去除率以及加工後的表麵（miàn）粗糙度,已經很難通過改變工藝取得大的突破。在CMP拋光的基礎（chǔ）上施加增效（xiào）輔（fǔ）助,成為（wéi）了近些年大幅度提高材料去除率和降低表麵粗糙度的最優選（xuǎn）擇。
2.1光催化化學機械拋光
光催（cuī）化化學機械拋光(PCMP)示意圖如圖7所示。將單（dān）晶SiC工件粘貼在拋光頭底（dǐ）端,使用含有光催化劑的拋光液,通過紫外光（guāng）的照（zhào）射,光催化劑（jì）顆粒表麵產生空穴和電子,吸附在光催化劑顆粒表麵的H2O和OH-可（kě）通過光（guāng）生電子和空穴氧化成羥基自由基（jī）,然後（hòu）將單晶SiC表（biǎo）麵氧化成SiO2,化學反應式為
可以看出通過機械劃擦（cā）能（néng）夠輕易去除SiO2層,實現工件的平坦化加工。
2021年,W.T.Wang等（děng）人研究了pH值、TiO2用量對CMP的影響,最終優化拋光工（gōng）藝。結果表明,當pH值為6、TiO2質量分數為0.015%時,平均表麵粗糙度為0.521nm,MRR為608 nm/h。2022年,W.T.Wang等人將MAS與光催化效應相結合,通過使用由Al2O3和ZrO2磨料組成的MAS,在UV照（zhào）射下獲得了694nm/h的材料去除率和0.489nm的表麵粗糙度。實驗研究結果（guǒ）表明,UV-TiO2的引入可以提（tí）高拋（pāo）光效率,但其作用機製還需要進一步探討。
2022年,Y.He等（děng）人通過反應分子動力（lì）學模擬（nǐ）和實驗的方法,研究了PCMP羥基自由基水溶液中（zhōng）化學與機械相互促進機製。通過單顆粒磨粒在SiC表麵的劃擦,研究了納米顆粒在拋光過程中促進化學反應的行為。Si/C原子主要以SiO、CO、SiO2和CO2的形式斷裂或逃逸。此外（wài）,X射線光電子能譜(XPS)和納米（mǐ）壓痕的結果也驗證了PCMP化學和機械相互促進的（de）去（qù）除機製。通過檢測（cè）到（dào）的氧化產物、表麵硬度,表（biǎo）明該工藝活（huó）化並去除SiC材料,產（chǎn）生光滑且無損傷的表（biǎo）麵,Ra為0.269nm。
2023年,H.Lee從摩擦學角度對（duì）CMP、MASCMP和PCMP進（jìn）行了比較研究（jiū）。實驗結果表明,PCMP具有更高的摩擦力和MRR,這可能是由TiO2顆粒光催化氧化導致的。
目前,有關PCMP的研究涉及多個方麵,包括pH值、TiO2用量、磨（mó）料等,也從摩擦學角度進行了理論分析。紫外光和光催化劑的引入,可以極大（dà）地提高拋（pāo）光中的（de）氧化反應速率,從而改善（shàn）拋光效果。此（cǐ）外,PCMP是一種高效、清潔的SiC襯底拋（pāo）光方法（fǎ）,且不釋放對環（huán）境和人體健康（kāng）有害的化學物質。
2.2超聲振動（dòng）輔助化學機械拋光
超聲振動輔助化學機械拋光(UVACMP)是（shì）一種經濟有效地提高SiC單晶拋光性能的技術。通過超聲波發生器將電信號轉（zhuǎn）換成超聲振動,超聲振動作（zuò）用在拋光區,使拋光（guāng）液中磨料更加（jiā）分散,並且使磨料獲得一（yī）定動能,加大了拋光中的機械作用,同時振動過程中產生的（de）熱促進了拋光中的化（huà）學作用,超聲振動輔助化（huà）學機械拋光示意圖如圖（tú）8所示（shì）。
2018年,翟（zhái）文傑等人利用分子動力學方法（fǎ）建立SiC原子模型,分（fèn）析了刻劃（huá）過（guò）程（chéng）超聲振（zhèn）動對SiC晶體結構、溫度、法向力和（hé）切向力（lì）的影響規律,同時也分（fèn）析了振（zhèn）動頻（pín）率對拋光質量及材料去除率的影響。結果表明:超聲振動的引入將大幅降低磨粒所受平均切（qiē）向力和法向力,從而有（yǒu）利於刻（kè）劃加工的進行及其表麵質量的提高;但當振動頻率超過一（yī）定值後,超聲振動對材料去除率和表麵質量的影（yǐng）響（xiǎng）不大。通過（guò）分子動力學仿（fǎng）真,研究了（le）超聲輔助劃擦的微（wēi）觀去除（chú）機理,為實驗研究提供了理論依據（jù）。
2018年,Y.Hu等人提出超聲化學機械拋光方法,進行了有、無超聲振動輔助的對比（bǐ）實驗。結（jié）果（guǒ）表明,超聲CMP能有效地降低工件的表麵粗糙度（dù）的峰穀值(PV),超聲振動輔助可以促進化（huà）學反（fǎn）應,提高拋光效率,改（gǎi）善表麵質量,最終MRR為（wéi）1057 nm/h、表麵粗糙度（dù）PV為0.474μm。2022年,X.Chen等人提出了一種利用（yòng）超聲振動、Fenton氧化和機械衝擊複合機理對SiC進行高（gāo）效拋光的超聲振動化學輔助拋光方（fāng）法。超聲和Fenton氧化（huà）的相互（hù）作用實現了更高的拋光效率和質量,與機（jī）械拋光（guāng）(MP)相比,MRR提高了19.51%,Ra降低了18.3%。這是由於化學拋光液產生的·OH氧化與超聲振動（dòng）機械去除的協（xié）同促進作用所（suǒ）致。
有學者對超聲振幅和頻率的變化進行了研究,研究（jiū）結果表明,添加超聲振動輔助使MRR增（zēng）大,但加工表麵質量（liàng）有所降低。施加超聲振動（dòng）輔助在其他（tā）形式的加工中已得到成熟（shú）應用,在化學機械拋光SiC領域也（yě）取得（dé）了不錯的（de）效果,可以同時增強化學反（fǎn）應和機械作（zuò）用,有助於提升（shēng）材料去除率,但加工表麵質量（liàng）改善幅度不大,有待優化研究。
2.3電化學機械拋光
電化學機械拋光(ECMP)示意圖（tú）如圖9所示。ECMP是一種利用（yòng）電解（jiě）液作為拋光液,將工件（jiàn）的電化學腐蝕（shí）與機械拋光相結合的精密工（gōng）藝。在（zài）單晶SiC(作為陽極)表麵帶電後通過陽極氧化產生（shēng）氧化層,然後用軟磨料機（jī）械去（qù）除氧化層,最後（hòu）獲得超光（guāng）滑無損傷（shāng）的表麵。
2015年,H.Deng等人（rén）采用CeO2拋光（guāng）液作為陽極氧化的電解液（yè）和（hé）拋光介質去除氧化（huà）層。由於陽極氧化的結果,表麵硬度從（cóng）34.5GPa下降到1.9 GPa。結果表明,ECMP材料的去除（chú）率為3620nm/h。采用CeO2拋光液進行了30 min的（de）ECMP,工件（jiàn）原有劃痕均被（bèi）去（qù）除,獲（huò）得了光滑的表麵,均（jun1）方根(RMS)粗（cū）糙度為0.23nm,如圖10所示。該實驗獲得了理（lǐ）想的拋光效果,但是對於拋光（guāng）中氧（yǎng）化（huà）機理的研究不夠深入。
2020年,X.C.Yin為了闡明SiC表麵陽極氧化（huà）機理,進行陽極氧化和機械拋光實驗。X射線衍射結果表明,由於表麵氧化作用,改性表麵的主要元素為Si和O,說明改性後的SiC表麵形（xíng）成了SiO2氧化層。並且,他提出（chū）一種基於（yú）內外雙向擴散理（lǐ）論的陽極氧化過程模型,在氧化過程中,SiO2和SiC之間可能形成了一（yī）層含氧化SiC(Si—C—O)的過渡層,以此來揭示該方（fāng）法的去除機理。
2021年,X.Z.Yang等人研究了溫度、表麵損傷、摻雜濃度和應變對SiC氧化速率的影響規律,這些因素對SiC的陽極氧化有促進作用。加工損傷和摻雜對SiC陽極氧化的促進作用主要是由SiC表麵的加工殘（cán）餘應變（biàn）和摻雜應變引起的。壓縮應變和拉伸應變均能提高SiC的陽極氧（yǎng）化速（sù）率（lǜ）。在此基礎上,2022年,X.Z.Yang等人通過模擬質量分數1%NaCl水溶液中SiC的陽（yáng）極氧（yǎng）化體係,研究了SiC表麵陽極氧化過程中的電荷利用效率,並闡明其機理。當電流密度小於20 mA·cm-2時,SiC陽極氧化過程中的電荷（hé）利用效（xiào）率保持恒（héng）定,當電流（liú）密度大於30mA·cm-2時,電（diàn）荷利用效率顯著降低,導致MRR顯著（zhe）降低。
ECMP的關鍵是如何控（kòng）製電氧化速率,電流密度、工件原始表麵（miàn）和亞表麵質量是影響加工效果的重要因素。
2.4等離子體輔助拋光
等離子體（tǐ）輔（fǔ）助拋光（guāng）(PAP)是一種（zhǒng）將大氣等離子體照射與軟磨料拋光相結合的精密拋光技術。PAP技術由K.Yamamura於2010年提出,圖（tú）11為PAP示意（yì）圖(圖（tú）中DPM為露點儀,MFC為（wéi）質量流量控製器、UPW為超純水),該裝置由獨立安裝的等離子體產生和（hé）機械（xiè）去除部分組成。大（dà）氣等離子體輻照可在（zài）單晶SiC表麵形成氧化層,通過機械裝置（zhì）去除（chú）氧化層後,獲得無內應力、無SSD的原子級光滑表麵。
2012年,H.Deng等人提（tí）出了一種新型的等離子體輔助拋光技術。該技術利用氦基水蒸汽等離（lí）子體對SiC表麵的力學（xué）和化學（xué）性能進行了改性。X射線光電子能譜測試結果表明,等離子體輻照後表麵得到有效氧化,主要產物為SiO2。白光幹涉儀掃描圖（tú）像顯示,PAP處理後的表麵劃痕消失,Ra、均方根粗糙度也從4.41nm、0.621nm分別下降到1.889nm、0.280nm。利用透射電子顯微鏡對PAP處理後的表麵（miàn）進行了觀察,結果表明幾乎沒有引入結晶缺（quē）陷。2014年,H.Deng等人（rén）對（duì）等離子體氧化和磨料拋光進行了優化,發現當氦氣中水（shuǐ）蒸汽質量（liàng）分數較低時（shí）,等離子體氧（yǎng）化（huà）速率大大提高。2013年,H.Deng等人[60]將（jiāng）水蒸汽等離子體輻照和CeO2磨料拋光相結合,獲得了一個均方根粗糙（cāo）度約0.2nm原子級平麵（miàn）的4H-SiC表麵,其具有有序的台階/平台結構。水蒸（zhēng）汽等離子體氧化碳化矽層和軟磨料機械去除氧化層的結合,可（kě）以獲得4H-SiC(0001)的原子級平麵（miàn）表麵,而不會引起（qǐ）晶體亞表麵損傷。
2016年,H.Deng等人將等（děng）離子體化學氣化加工(PCVM)和等離子體輔助拋光相結合,采用非接觸式幹法（fǎ）刻蝕PCVM去（qù）除SSD層,以及采用等離子體改性和軟磨料（liào）拋光相結（jié）合的PAP對SSD層進行無損傷拋光。PCVM處理5 min後,雖然表麵粗糙度（dù）略有提高,但研磨形成的劃痕和SSD層被完全去（qù）除。經PAP處理後,獲得了均方根粗（cū）糙度（dù）為0.6nm的無劃痕表麵。
PAP技術（shù）可以獲得原子級光滑表麵,且（qiě）無亞表麵損傷,但（dàn）是材料去（qù）除率低,設備昂貴,從而限製了（le）該技術的發（fā）展和應用。
2.5磁（cí）流變輔助拋光
磁流變輔助拋光引入磁流變彈性體(MRE),與化學機械拋光相結合,在外加磁場（chǎng）、磁性拋光墊、氧化還原反應（yīng）的共同作（zuò）用（yòng）下,提高工件的材料去（qù）除率,降低（dī）表麵粗糙度,實現對工件的超精密加工。磁流變輔助拋光示意圖如（rú）圖12所示。
2022年（nián）,D.Hu等（děng）人製備（bèi）了聚氨酯基磁流變彈性體拋光（guāng）墊,將其用於單晶SiC的磁控力學性能、磁拋光效果的研究（jiū）。采用MRE拋光墊對（duì）原始表麵粗糙度為80nm的單晶SiC進行90min的拋光實驗。結果表明:隨著磁場強度（dù）的增加,MRE拋光墊的剪切模量增大,拋光過程的材料去除率增大（dà）,表麵粗糙度減（jiǎn）小。2022年,鄧子默[63]通過單因（yīn）素實驗（yàn）分（fèn）析了工作間隙、通電（diàn）電流和拋光時間對單晶SiC磁流變拋（pāo）光效果的影響。獲得了亞納米級表麵粗糙度,指出Ra隨電流的增大而減小,隨工作間隙的增大而增大。
為了提升磁流變拋光中的化學作用,引入Fenton反應成為新的研究方向。2019年,H.Z.Liang等人基於Fenton反應原理,提出了化學-磁流（liú）變複合拋光(CMRF)方（fāng）法。為了研究CMRF的材料去除特性,對羰基鐵粉與磨料進行了受力（lì）分析,並基於工件表（biǎo）麵磁流變效應計算了拋光墊的拋光力。在（zài）此基（jī）礎上,根據Preston方程,建（jiàn）立了材料去除（chú）模型。通過對單晶SiC晶片進行CMRF測試,發（fā）現測試（shì）結果與理論計算結果一致（zhì）。2022年,D.Hu等人采用MRE中的磁性顆粒(Fe3O4/CIP)作為非均相Fenton反（fǎn）應的固相催化劑,對單晶SiC進行化（huà）學機械（xiè）拋光。結果表明,在MRE中使用Fe3O4/CIP作為固相催（cuī）化劑,對拋光SiC進行非均相Fenton反應,可大幅度提高MRE拋（pāo）光墊的材料去除能力,同時改善拋光質量。
在CMP中引入磁場,可以有效提高材料去除率和（hé）表麵質量。此外,在特製拋光墊中加入Fenton反應催（cuī）化（huà）劑,也是一種行之有效的方法（fǎ）。
2.6表麵預處理輔助拋光
表麵預（yù）處理輔助是指在CMP之前,對工件表麵施加其他能量形式進行預處理,以達到降（jiàng）低表麵初始硬（yìng）度（dù）,易於拋光的目的。表麵預處（chù）理的方式多樣,如激光預處理、熱（rè）氧化預處理等（děng）。
2019年,B.B.Meng等人采用分子動力學方法,在（zài）納（nà）米尺度上（shàng）研究了飛秒激光輔助加工過程（chéng）中SiC改性層的可加工性和去除機理。結果表明:改性層中的微/納米結構對材料（liào）去除過程有顯著影響,SiC表麵結構有效地提高了（le）去除率,減小了亞表麵損傷深度。SiC改性層（céng）在（zài）納米級加工（gōng）過（guò）程中的去除機製與未（wèi）處理表麵（miàn）的不同（tóng）,當預設加工深度大（dà）於改性層深度時,去（qù）除和變形機製的主要形式由（yóu）非晶化和位（wèi）錯運動轉變為非晶化和塊狀剝落（luò）,表（biǎo）麵改性有（yǒu）效地降低了磨粒磨損程（chéng）度。
2021年,B.Gao等人提出了一（yī）種（zhǒng）皮秒激光輔助CMP方法,首先用（yòng）皮秒（miǎo）激光對SiC的Si麵進行預處理,然後進行（háng）拋光。結果表明:皮秒激光預處理(PLP)產生的波紋和多晶層改（gǎi）善了（le）表麵加工性能,同時PLP氧化的C—O、Si—C—O和Si—O鍵易（yì）於材（cái）料去除。與非激光預處理樣品相比,激（jī）光預處理後（hòu）樣品的材料去除率在拋光時（shí）前45 min顯著提高,而表（biǎo）麵粗糙度顯著降低,如圖（tú）13所示（shì）。2021年,G.P.Chen等人采（cǎi）用納秒激光調製技術對SiCSi麵進行預處理。結（jié）果表明,該技術可使（shǐ）表麵（miàn）氧（yǎng）含量增加,且氧化物成分一致,用Al2O3拋光液拋光後,Ra低（dī）至0.081nm。
除了高能激光對（duì）表麵預處理的方式外,采用熱氧化（huà）手段進行表麵預處理（lǐ）也取得了較好效果。2018年,H.Deng等人采用熱氧化預處理與軟磨料拋光相結（jié）合（hé）的拋光工藝,實現了4H-SiC的原子尺度無損傷加工。通過熱氧（yǎng）化（huà）預處理,C麵的硬度從4.6GPa降低到1.7GPa,使用CeO2拋光液高效拋光。對（duì）於未預處（chù）理的常規CeO2拋光液拋光,拋光16h後仍存在劃痕,而對熱（rè）氧化表麵進行拋光,拋光3h即可獲得無劃痕且SiC原子排序良好的表麵。將表麵預處理和軟磨料拋光相結合的方法能（néng）夠實現4H-SiC的C麵原子尺度無損傷加工。盡管表麵預（yù）處（chù）理可以應用於多種材（cái）料,但是目前很難實現表（biǎo）麵精準處理,易產生亞（yà）表麵損傷和晶體缺陷,亟（jí）需深入研究。
3拋光技術對比及（jí）發展方向
3.1主要精密拋光技（jì）術比較
綜上所述,CMP不管（guǎn）是在實驗原理上,還是在（zài）實驗設置上,都是最簡單、最容易實現（xiàn）的。但拋光液通常（cháng）含有強酸或者（zhě）強堿以及強（qiáng）氧化劑,對環（huán）境以及實（shí）驗者會產生（shēng）危害,而且其拋光效率已到了瓶頸（jǐng）。
目前增效化學（xué）機械（xiè）拋光（guāng）得到了越來（lái）越多的（de）關注,比如光催化輔助、超聲振（zhèn）動輔助、電化學輔助、等離子（zǐ）體輔（fǔ）助、磁流變輔助、激光預處理、預熱處理等增效方式（shì）。光催（cuī）化輔助增效方式需要增加一套（tào）紫（zǐ）外（wài）光設備,拋光（guāng）液中需添加光催化劑,得到的表麵質量和拋光效率相對於CMP有了較大的提高（gāo）。超（chāo）聲（shēng）振動輔助增效方式在其他加工領域已（yǐ）被廣（guǎng）泛應用,而（ér）用於輔助CMP時,需要在CMP設備的基礎上添加一套超聲設備,目的是加快化學反應並提高機械去除能（néng）力。電化學（xué）增效方（fāng）式需要增加一套電化學係統,並且工件表麵容易（yì）留下電流腐蝕痕（hén）跡,導致表麵質量下降。等離子體輔（fǔ）助增效方式需要複雜的等離（lí）子體（tǐ）產生（shēng）和照射裝置,操作性差,但可得到階梯型微觀形（xíng）貌,所得表麵粗糙度極低,目前研（yán）究（jiū）較少。磁流變輔助（zhù）增效方式在很多領域得到應用,需（xū）要製作特（tè）定拋光墊,可（kě）以得到較為理想（xiǎng）的拋光效果。對（duì）材料（liào）進行表麵預處理,能夠降低表麵硬度,可以實現（xiàn）快（kuài）速去除的目的,但是對於（yú）控製預處理的厚度以及避免外來能量對材料晶體結構產（chǎn）生的影響,仍是目（mù）前的難題和（hé）挑戰。
高（gāo）效率地獲得光滑表麵（miàn）是半導體產業的（de）一個關鍵問題,因此材料（liào）去除率和表麵粗糙度被認為是（shì）評價單晶（jīng）SiC拋光工藝兩個最重要指標。不同拋光方法之間的對比如表1所示。
單個方向（xiàng）增效可以獲得（dé）單個方麵的提高,比如（rú）光催化輔（fǔ）助可以提升化學氧化作用,但如果機械作用無法與之同步,得到的加工效果則有限。
因此多個技術方向複合增（zēng）效以達到化學氧化作用和機械去除作用同時提升的方法,引起了研究者的注（zhù）意。比（bǐ）如,2019年,Y.He等人開發了（le）一種用於4H-SiC晶圓Si麵的電增強光催化拋光方法,如圖14所（suǒ）示。電（diàn）流可以有（yǒu）效地（dì）防止半導體顆粒表麵產（chǎn）生的電（diàn）子與空穴的複合,從而提高拋光效率。以P25為光催化劑、H2O2為電子捕（bǔ）獲劑的拋光液拋光（guāng）性能最好,MRR約為1180nm/h,在1.0μm×1.0μm範圍內,Ra約為0.053 nm。2019年,翟文傑等人對SiC進行了超聲-電化（huà）學機械研拋實驗。實驗結果（guǒ）表明,在試件與拋光盤之間的電壓為+10V時,材料去除率比無電壓時提高了55.1%;當對試件施加超聲-電場作用後,材（cái）料（liào）去除率比無超聲時提（tí）高了91.7%。
2021年,T.Yin等人采用高濃度氧氣氛圍與光催化輔（fǔ）助（zhù）拋光相結合,對SiC襯底CMP特性進行了研究。結果表明:與常規空氣氣氛相比,將空（kōng）氣氣氛中的氧(O2)分壓增加到300kPa,Si麵和C麵的材料去除（chú）率（lǜ）均增加超（chāo）過（guò）2倍。實驗（yàn）示（shì）意圖如圖15[72]所示。2022年,鄧家雲使用Fe3O4作為催化劑,對電Fenton化學機械拋光進行了研究,利（lì）用電（diàn）場參數控製CMP中·OH的生成速率和總濃度,實現（xiàn）·OH的（de）持續、穩定、可控生成,加速SiC的氧化腐蝕作用,從而達到與磨粒去除的協（xié）同效應,最終MRR為2358nm/h、Ra為0.372nm。
可（kě）以看出,利用複合能場輔助CMP方法,可以取得較好的效果,但是目（mù）前研究還不深（shēn）入,多能場耦（ǒu）合下材料去除機理及工（gōng）藝參（cān）數設（shè）置還需深入（rù）研究。
4結（jié）語
隨著SiC器件應用範圍的不斷擴大,對SiC襯（chèn）底的加工效率及表麵質量也提出了更高的要求。因此可（kě）用於SiC超精密拋光的（de）CMP工（gōng）藝受（shòu）到了廣泛關注。在當前的研（yán）究中,對CMP中拋光液、拋光墊、工藝參數等因（yīn）素進行了多方（fāng）麵的選擇優化;並基於（yú）能場輔助提升化學和（hé）機（jī）械作用,進一步改善拋光效果。
綜上所述,可得出:①CMP拋光單晶SiC麵臨的主要問題是材料去除率低(MRR<200nm/h),這與SiC的強化學惰性有關,拋光過程中表麵氧化（huà）層的反應速率是影響加工效率的關鍵因素;②SiC表（biǎo）麵氧化層的形成和（hé）去除是揭示材料去除（chú）過程的基礎,弄清氧化層的（de）反（fǎn）應機製和劃（huá）擦作用有助於指導（dǎo）生產實踐;③增效CMP複合拋光方法的核心（xīn）是增強SiC的化（huà）學作用,以提升材料去除率,取得的效果顯（xiǎn）著,但新增加的能場(聲、光、電等)會使材料的去除過程變得複雜（zá）,不確定性增加（jiā）;④多能（néng）場增效CMP拋光（guāng）技術能夠實現效率和精度的提升,具有廣闊的應用前景,然而,多能場激勵下（xià）的拋光去除機理、各參數與加工效果之間的映射關係尚不清（qīng）晰,需要深入研究（jiū）。隨著（zhe）加工（gōng）方法的不斷成熟,高頻、高功率（lǜ）的SiC器件及電路在未來將會發揮更大的作（zuò）用。
來源：微納電子技術
作者：田壯智1,2,班新星（xīng）1,2,3*,韓少星3,段天旭1,2,鄭少冬1,2,朱建輝3
(1.河南工業大學（xué）機電工程學院,鄭州450001;
2.河南省超硬磨料磨削裝備重點實驗室,鄭州450001;
3.鄭（zhèng）州磨料磨具磨削研究所有限公司（sī）,鄭州450001）
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