在（zài）科技日新月異的今天，單晶碳化矽（SiC）以其卓越的（de）物理（lǐ）性（xìng）能（néng），正逐漸成為（wéi）高端製造領域的璀璨明珠。2024年，隨（suí）著（zhe）超精密加工（gōng）技術的（de）飛速發展，單晶SiC的加工研究取得了突（tū）破性進展，為材料加工領（lǐng）域注入了新的活力。
單晶SiC作為（wéi）一種具有高（gāo）熱導率、高硬度、高抗腐蝕性的陶瓷材（cái）料，在航空航天、半導體製造等領域具有廣泛的應用（yòng）前景。然而，由於其（qí）高硬度和脆（cuì）性，單晶SiC的超精密加工一直（zhí）是困擾（rǎo）科研人員的難題。傳統的加工方法（fǎ）往往難以達到理（lǐ）想的加工精度和表麵質（zhì）量，限製了單晶（jīng）SiC的廣泛應（yīng）用。
近年來，隨著超精密（mì）加工技術的不斷（duàn）突破（pò），單晶SiC的加工難題逐漸得到解決。科研人員通過深入研究（jiū）單晶SiC的晶體結構和物理性能，成功開發出了一係列新型（xíng）的超精密（mì）加工方法。這些方法不僅提高了加工精度和效率，還大幅改善了加工表麵的質量。
其中，激光（guāng）輔助加工技術是一項備受矚（zhǔ）目的創新成果（guǒ）。通（tōng）過激光束對單晶SiC進（jìn）行局部加熱，降低其硬度和脆性，從而實現高效、高精度（dù）的加工。此外，納米壓印技術也展現出了巨大的潛力。利用納米尺（chǐ）度的模具，可以在單晶（jīng）SiC表麵實現微（wēi）納結構的精確（què）複製，為製造高（gāo）精度、高複雜度的器件提供了有力（lì）支持。
除了技術突破外，單晶SiC超精密加工的研究還涉及到了材料性能的優化和加工設備（bèi）的創新。科研人員通過改進單（dān）晶（jīng）SiC的製備工藝，提（tí）高了其純度和結晶度，為超精密加工提供了更好的材料基礎。同時，針對單（dān）晶SiC的加工（gōng）特點，研發（fā）了一係（xì）列專用的超精密（mì）加工設備，如高精度數控機床、超硬刀具等，為加工過程提供了強有力的支撐。
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（chǎn）業帶（dài）來了革（gé）命性的變革。在航（háng）空航（háng）天領（lǐng）域，單晶SiC的高性能使得其成（chéng）為製造先進發動機和高溫結構件的理想材料。在半導體製（zhì）造領域，單晶SiC的優異性能為製造高性（xìng）能、高可靠性（xìng）的芯片提供了有力保障。
展望未（wèi）來，隨（suí）著單晶SiC超精密加工技術的不斷發展（zhǎn）和完善，相信其在更（gèng）多領（lǐng）域的應用將會得到拓展和深化。同時，我們也期待更多的（de）科研人員（yuán）和企業加入到這一領（lǐng）域的（de）研（yán）究和開發中，共同推動單晶SiC超精密加工技術的進一步（bù）發展，為人類社會的科技進步和產（chǎn）業發展貢獻更多的力量。
摘要（yào）
單晶碳化（huà）矽(SiC)的高脆性、高硬性和強化學（xué）惰性（xìng）是製約（yuē）第三代半導體超精密拋光發展的關鍵,實現襯底高效率、超光滑表麵的加工（gōng）具有挑戰性。對於單晶SiC的化學機械拋光(CMP),分別（bié）從材料去除和工藝優化兩個維度出發,闡述了CMPSiC的影響因素和規律,指（zhǐ）出（chū）了該（gāi）方法的不足。介紹了光催化、超聲振動、電場、等離子體、磁流變、表麵預處理等輔助CMP拋光方法,分析（xī）了複（fù）合增效拋光的去（qù）除機理和優勢。通（tōng）過對比發現（xiàn）,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（rán）而,複合拋光技術涉及的能場複雜,多能場作用下的材（cái）料去除（chú）機製（zhì）和工藝參數匹配仍需進行（háng）深入研究。最後,對未來單晶SiC超精密加工的研究給出了建議,並進行了展望。
0引言
單晶碳化矽(SiC)由於具有較大的禁帶寬度、優良（liáng）的導熱性、高的（de）擊穿電場和良好的化學穩定（dìng）性等優異物理和化學性能,被廣（guǎng）泛（fàn）認為是製造高壓、高頻和高溫條件下功率器件（jiàn）典型的第三代半導體材（cái）料。隨著SiC襯底加工工藝的不（bú）斷發展,高頻、高功率、抗輻射器件的（de）應用日益（yì）增加。與矽(Si)基相比,基於SiC的大功率器件具有功（gōng）率密度更高、功耗（hào）更低和尺寸更（gèng）小的優點（diǎn）。SiC器件（jiàn）已成（chéng）功應用於電動汽車、高鐵、不（bú）間斷電源、高壓電網和（hé）5G通（tōng）信等領域。
在功率器件中,SiC襯底的表麵粗糙度嚴重影響其使用性能,表麵粗糙度越小,擊穿電場強度和擊穿所需的電荷數量越大。因此（cǐ）,獲得具有無表麵損傷、無亞表麵損傷(SSD)、原子級表麵粗糙度（dù）的（de）超光滑表麵,是其廣泛應用的（de）必要條件。單晶（jīng）SiC由於其特（tè）殊的硬脆特性和極強的化學惰性,導致可（kě）加工性差,特別（bié）是在超精密拋光方麵尤（yóu）為顯著。SiC襯底經過切割、研磨和機械（xiè）拋光後（hòu）,表麵(或亞表麵)會出現許多損傷,如劃痕（hén）和裂（liè）紋。為（wéi）了（le）降低表麵粗糙度和去除表麵缺陷（xiàn）,對單晶SiC進行（háng）精密拋光是必要的。
因此（cǐ）,為（wéi）了滿足高性（xìng）能半（bàn）導體器件對高精度、高質量、高產（chǎn）量SiC襯底的要求,國內外學者一直（zhí）致力於對SiC的研究。
1化學機械拋光
化學機械拋光(CMP)技術出現（xiàn）於20世紀中期,由於（yú）能夠（gòu）同（tóng）時對玻璃和金屬進行（háng）平坦化（huà）,因而引起了人們的極（jí）大關注。CMP能夠同時實現全局和局部平坦化,所以在半導體晶圓製程中被廣泛使用。化學機械拋光後的工件表麵具有超高的麵形精度,表麵粗糙（cāo）度（dù）為（wéi）亞納米級,表麵超光滑無損傷。CMP技術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（biǎo）麵與拋光液接觸,發生化學反應,生（shēng）成軟質層。工件在壓力作用下與拋光墊相對運動,其表麵的軟質層被拋光液中的磨料劃擦去除。CMP示意圖如（rú）圖1所示,圖中F為壓力。
CMP的微（wēi）觀去除機理非常（cháng）複雜,影響因素很多,拋（pāo）光過程涉及到化（huà）學、摩擦學、流體力學（xué）等眾（zhòng）多因素,總體來講,CMP的去除機理具有複雜性,現有的（de）機理研究仍存在局限性,大多是在某一方麵對拋（pāo）光過程進（jìn）行建模和分析,CMP去除模型依然無法得到統一（yī）,但是國內外學者關於CMP中機械、化學協同（tóng）耦合作用方麵的研究和探索從未停止,尤（yóu）其是在去除機理（lǐ）仿真（zhēn）和（hé）加工工藝研究兩個（gè）方麵。
1.1 SiC CMP加工（gōng）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（jīng）密加工單（dān）晶SiC的材料去除機理以及表麵損傷的產生機理。
2020年,Z.G.Tian等人采用分子動力學（xué）模擬方法,對4H-SiC和6H-SiC的C麵和Si麵進行了劃痕實驗,研究表明,與Si麵相比,C麵的非晶態（tài）變（biàn）形更少,材料的去除更有效,這種劃痕現（xiàn）象與SiC晶體基麵上（shàng）的位錯（cuò）有關。圖2為不同試件在不同（tóng）劃擦深度下無定型（xíng）原子數和位錯數量。2021年,P.Zhou等人采用分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（jī）片的（de）表麵形貌、亞表麵損傷（shāng）特征。結果表明,多磨粒在單一粗糙麵中的暴露高度和（hé）磨粒分布決定了SiC襯底的去除（chú）行為;金剛石顆粒在固結磨料（liào）拋光墊（diàn）中的隨機分布會使加工質量變差。
在CMP中除了存在與機械拋光相似的磨料劃擦作用外,化（huà）學作用的影響（xiǎng）也至關重要。2021年,孫（sūn）強采用分子動力學方法分別模擬了CMP中金剛石和SiO2磨粒對SiC表麵原子去除機製。結果表（biǎo）明,SiO2在拋光（guāng）過程中比金（jīn）剛石更容易發生化學（xué）反（fǎn）應,原因（yīn）是（shì）其通過與SiC表麵原子持續成鍵和斷鍵來實現原（yuán）子去（qù）除。2023年（nián）,Z.W.Yuan等人研究了SiC在羥基自由基(·OH)水溶液中的原子行為。結（jié）果表明,在隻發生化學氧化的情況下,SiC表（biǎo）麵吸附O、H、·OH生成Si—OH2、Si—OH、Si—H2O和（hé）Si—H等,Si原子未曾從SiC表麵脫離,如圖3(a)所示。而在機械作（zuò）用下,部分Si和C原子以（yǐ）SiO、SiO2、CO、CO2或鏈狀結構脫離基體,其餘Si和C原子則（zé）以吸附方式脫離基體,如圖3(b)所示。這些研究有助於（yú）從原子層麵上解釋CMP中原子氧（yǎng）化去除的動力學過程,為揭示材料去除機理提供了一（yī）種有價值的方法（fǎ）。
目前采用分（fèn）子動力（lì）學手段對材料去除機理以及表（biǎo）麵損傷機理的研（yán）究逐漸深入,但（dàn）依然麵臨諸多問題（tí）,比如模型設置、尺寸效應等,與實際生產加（jiā）工（gōng）存在（zài）差異。
1.2 SiC CMP工（gōng）藝研究
近年來眾多學者在CMP工藝方麵開展了大量的研究工作,主（zhǔ）要集中在拋光液（yè）的配製、拋光（guāng）墊選擇與製備以（yǐ）及（jí）拋光工藝優化等（děng）方麵。
1.2.1拋光液（yè）
在化學作用方麵,拋光液（yè）起主（zhǔ）導作用（yòng）。其作用是將（jiāng）工件表麵的材料氧（yǎng）化,生成一層質地較軟且與（yǔ）基底結合力較弱（ruò）的（de）氧化膜,然後通過機械（xiè）劃擦將氧化膜去（qù）除,以達（dá）到（dào）拋光的目的。影響拋光（guāng）液性能的因素（sù）有氧化劑、pH值（zhí）、分散（sàn）劑、磨料等。
2013年,G.S.Pan等人將含H2O2、氫（qīng）氧化鉀(KOH)和二（èr）氧化矽的拋光液引入6H-SiC襯底Si麵（miàn）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（xiǎng）。結（jié）果表明,當拋光液中H2O2質量分數為6%、KOH質量分數為0.6%、二氧化矽顆粒質量分數為30%時,材料去除率(MRR)增大至105nm/h,表麵粗（cū）糙度(Ra)為0.067nm。2021年（nián）,Q.X.Zhang等人通過（guò）摩擦磨（mó）損的方式研究了添加不同氧化劑(H2O2、KMnO4和Fenton試（shì）劑)的拋光液對單晶6H-SiC的影響,如圖4所示。實驗顯示SiC在（zài）不同拋光液（yè）中的MRR不（bú）同,其中添（tiān）加KMnO4的拋光液的MRR最（zuì）高,不含氧化劑的矽溶膠拋光（guāng）液的MRR最低。這（zhè）表明氧化劑種類、pH值是影響（xiǎng）CMP的重要因素。
分散劑（jì）的作（zuò）用是使（shǐ）磨粒均勻地懸浮分散在拋光液中,並具有足夠的分布穩（wěn）定（dìng）性。2022年,W.T.Wang等人使用不（bú）同的聚合物分（fèn）散劑,包括聚乙二（èr）醇(PEG)、聚丙烯酸鈉(PAAS)和它們（men）的三嵌段共聚物聚(丙烯酸)-b-PEG-b-聚(丙烯酸)(PAEG)進行CMP實（shí）驗,結果表明,通過使用PAEG作為分散劑來拋（pāo）光SiC襯底能獲得更好的去除率和更低的表（biǎo）麵粗糙度。
目前研究中磨料種類是多樣的（de）。常見（jiàn）磨料（liào）包括金剛石（shí）、碳化硼(B4C)、SiC、Al2O3、SiO2和（hé）二氧化鈰（shì）(CeO2),其莫氏硬度分別為10、9.4、9.2、9、7和6,CeO2、Al2O3、B4C、SiC和納米金剛（gāng）石已經被用於增強SiC襯底CMP拋（pāo）光的機械作用。
除了單一磨料外,混（hún）合磨料也得到了研（yán）究。混合磨料（liào）拋光液(MAS)包含兩種或更多種類型（xíng）固相磨料,如ZrO2/SiO2、納米（mǐ）金剛石/SiO2、聚合矽酸鎂鐵鋁鋅/SiO2、SiO2/CeO2和ZrP/Al2O3等。與（yǔ）單一磨料拋光液相比,MAS具有更好的CMP性能。研究發現,在SiO2拋光液中添加質量分數10%金剛（gāng）石磨料可以將MRR從60nm/h增加到（dào）600nm/h,並將Ra從68.3nm降低到0.55nm。
此外,也（yě）研究了不同粒徑的同種磨料對機械作用的影（yǐng）響。2014年,X.L.Shi等人詳細分析了不同（tóng）磨料粒徑的矽溶膠對4H-SiC晶圓（yuán）拋光性能（néng）的（de）影響。通過理論推導和實驗分析（xī）得出（chū）,當磨料粒徑較大時會導致不規（guī）則的平台（tái）邊緣。反之,如果磨料（liào）粒（lì）徑（jìng）較小,材料的去除將更規則,並且平台邊緣將更平坦和光滑,指出磨（mó）料粒徑是決定CMP效率和晶（jīng）圓表麵最終平坦化質量的重要因素。圖5所示為不同粒徑SiO2磨料拋光後的表（biǎo）麵,其（qí）中常（cháng）規尺寸磨料（liào）平均粒徑30.8nm,大尺寸（cùn）磨料平均粒徑79.3nm。
在目前的報道中,對於拋光液的研究思路包括改（gǎi）變氧化劑的種類和濃度、溶液（yè）pH值、分散劑、磨料等方法。通（tōng）過調（diào）節拋光液中不同成分的含量,控製機械（xiè）磨損與化（huà）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拋光墊
拋光墊是CMP中的主要耗材（cái）,其自身性（xìng）質、所受外力均會影響（xiǎng）拋光效果。
2017年,D.Lee等（děng）人通過有限（xiàn）元分析與實驗相結合的方法（fǎ）測算了不同型號聚氨酯拋光墊的彈性模量（liàng）與泊鬆比。該研究為（wéi）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（chāo）纖拋光布三種不（bú）同（tóng）材質的拋光墊進行（háng）實驗。在（zài）拋光盤轉速為60r/min、施（shī）加壓力為（wéi）25kPa、拋（pāo）光液磨料質量分數為（wéi）5%的條件下,聚氨酯拋光墊的拋光效果最好。
為了進一步提高拋光效率和表（biǎo）麵質量,新型拋光墊的研製得到了快速發展。2016年,J.K.Ho等人將Fe和Al2O3顆（kē）粒浸漬在聚氨酯基體中,形成固結磨（mó）料拋光墊,研（yán）究了固結磨料拋光墊拋光SiC晶片的表麵特性和材料去除率,並與聚氨（ān）酯拋光墊進行了對比。結果（guǒ）表明,用含質量分數1%Fe和質量分數3%Al2O3的拋（pāo）光墊拋光時,材料去除（chú）率提（tí）高了73%,並（bìng）且拋光後的表麵（miàn）無損傷。該工藝不僅縮短了拋光時間,而（ér）且降低了拋（pāo）光成本。2022年,J.G.Yao等人采用固化法製備了自退讓性固結磨料拋光墊(SR-FAPP),用聚（jù）氨酯拋光墊和SR-FAPP對SiC晶片進行CMP後,發（fā）現前（qián）者材料去除率高於後者,在（zài）微觀形貌（mào）上（shàng）,後者拋光後的SiC晶片表麵的劃痕明顯減少,有（yǒu）效改善了拋光後SiC晶（jīng）片表麵劃痕的不均勻性。
作（zuò）為CMP機械（xiè）作用中的重要部分,拋光（guāng）墊的選擇（zé）或製備是實驗（yàn）和生產中（zhōng）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較大影響。
1.2.3工藝優化
在CMP中,拋（pāo）光效果是多個工藝參數耦合（hé）的結果（guǒ）,探究壓力、轉速、粒（lì）徑、拋光液體積流量對材料去除率和表麵粗糙（cāo）度的影響規律,優化工藝參數是提高拋光效果的有效措施。2013年（nián）,J.X.Su等人研（yán）究了拋光盤轉速、拋光壓力（lì）和磨料（liào）尺寸等CMP工藝參數對材料去除率的影（yǐng）響。研究結果表明,材料去除率隨著磨料尺寸、轉速和拋光壓力的變化而顯著變化。在相同條件下,Si麵（miàn）的MRR大於C麵。2021年,龐（páng）龍飛等人（rén）調整拋光液（yè）體積（jī）流量、轉速、壓力等工藝參數（shù）對SiC晶片（piàn）進行對比實驗,最終經過參數（shù）優化,得到了Ra為0.099nm的光（guāng）滑表麵。2022年,章平等（děng）人（rén）較為詳細地研究了工藝（yì）參數對拋光的材料去除率以及表麵粗糙度的（de）影響。通過（guò）調節（jiē）拋光壓力、轉速、拋光（guāng）液體積流量,探究了（le）工藝參數對SiC加工（gōng）過程（chéng）中氧化膜去除率(機（jī）械作用)的作用規律。結果表明（míng）壓力、轉速、拋光液體積流（liú）量分別為38.68kPa、120r/min、90 mL/min時,化學作用與機械作用最接近於平衡點,此時MRR為92nm/h,Ra的最低值（zhí）為0.158nm。
工（gōng）藝參數與MRR、Ra之間的關（guān）係也可以通過（guò）建立模型來進行預測,為SiC的CMP加工提供參考。2021年,J.Y.Deng等人基於改進的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（cè）模型,如圖6所示。結果表明,隨著FeSO4質量（liàng）分數、H2O2質量分（fèn）數和pH值（zhí）的升高,MRR呈先升高後（hòu）降低（dī）的趨勢,拋光後Ra呈先降低後升高的趨勢。隨著磨料粒徑、磨料濃度、拋光壓力和（hé）拋光速度的增加,MRR不斷增大。Ra隨磨料粒徑和磨料濃度的增加而不斷減小,隨著拋光壓力的增（zēng）加而增大,隨著拋光速度的增加（jiā）而先減小後增（zēng）大。不難（nán）看出,在SiC單晶的CMP中通過工藝優化,對拋光效果起到了一（yī）定的改善和提高作用。
綜（zōng）上（shàng）所述,目前CMP的研究比較（jiào）全麵,涉及了分子動力學仿真模擬和各因素實驗分析,為SiC單晶的超精密拋光生產、應用（yòng）提供了大量的理（lǐ）論和實驗依據。但是,由於SiC的強化學惰性,在CMP拋光過程中工件表（biǎo）麵的化學反應速率有限,材料去除率遇（yù）到瓶（píng）頸。
2增效化學機械拋光
目前化學機械拋（pāo）光的材（cái）料去除率以及加（jiā）工後（hòu）的表麵粗糙度,已（yǐ）經（jīng）很難通過改變工藝取得大的突破。在CMP拋光（guāng）的基礎上施加增（zēng）效輔助,成為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擇（zé）。
2.1光催化化學機械拋光（guāng）
光催化化學機械拋光(PCMP)示意圖如圖7所示（shì）。將單晶SiC工（gōng）件粘貼在拋光頭（tóu）底端,使（shǐ）用含有光催化劑的（de）拋光液,通過（guò）紫外光的照射,光催化劑顆粒表麵產生空（kōng）穴和電子,吸附在光催化劑顆粒表麵（miàn）的H2O和OH-可通過光生電子和空穴氧化成羥基自由基,然後將（jiāng）單晶SiC表麵氧化（huà）成SiO2,化學反應式為
可以看出（chū）通過機械劃擦能夠（gòu）輕易去（qù）除SiO2層,實現工件的平坦化（huà）加工。
2021年,W.T.Wang等人（rén）研究了pH值（zhí）、TiO2用量（liàng）對CMP的影響,最終（zhōng）優化拋（pāo）光工藝。結果表明（míng）,當pH值為6、TiO2質量（liàng）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（yǔ）光催化效應相結合,通（tōng）過使用由Al2O3和ZrO2磨料組成（chéng）的MAS,在UV照射下獲得了694nm/h的材料（liào）去除率和0.489nm的（de）表麵（miàn）粗糙度。實驗研究結果表明,UV-TiO2的引入（rù）可以提高拋光效率,但（dàn）其作用（yòng）機製還需要進一步探（tàn）討。
2022年,Y.He等（děng）人通過反應分子動力學模擬和實驗的（de）方法,研究了PCMP羥基自由基水溶液中化學與機（jī）械相（xiàng）互促（cù）進機製（zhì）。通過單顆粒磨粒在SiC表麵的劃擦,研究了納米（mǐ）顆粒在拋光過程（chéng）中（zhōng）促（cù）進化學反應的行為（wéi）。Si/C原子主要以SiO、CO、SiO2和CO2的形式斷裂或逃逸。此外,X射（shè）線光電子能譜(XPS)和納米壓痕的結果也驗證了PCMP化學和機械相互促進的去除機（jī）製（zhì）。通過檢測到的氧化產物、表麵硬度,表明該工藝活化並（bìng）去除SiC材料,產生光滑且無損傷的表麵,Ra為0.269nm。
2023年,H.Lee從（cóng）摩擦學（xué）角度（dù）對（duì）CMP、MASCMP和PCMP進行了比較研究。實驗結果表明,PCMP具有更高的摩擦力和MRR,這可能（néng）是由TiO2顆粒光催化氧化導致的（de）。
目前,有關PCMP的研究涉及多個方麵,包括pH值、TiO2用量、磨料等,也從摩擦學角度進行了理論分析。紫外光和光催（cuī）化劑的引（yǐn）入,可以極大地提高拋光中的氧化反應速率,從（cóng）而改善拋（pāo）光效果。此外,PCMP是一種高效、清潔的SiC襯底（dǐ）拋光方法,且不釋放對（duì）環境和（hé）人體健康有害的（de）化學物質。
2.2超聲振動輔助化學機械拋光
超聲振動輔助化學機械拋光(UVACMP)是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換成超聲振動,超聲振動作用在拋光（guāng）區,使拋光液中磨料更（gèng）加（jiā）分散,並（bìng）且使磨料獲得一定動能,加大了拋光中（zhōng）的機（jī）械作用,同時振（zhèn）動過程中產生的熱促進了拋光中的化學作用,超聲振動（dòng）輔助化學機械拋光示意圖如圖8所示。
2018年,翟文傑等人利用分子動（dòng）力學方（fāng）法建立SiC原子模型,分析了刻劃過程（chéng）超聲振動對SiC晶體結（jié）構、溫度、法（fǎ）向力和切向力（lì）的影響規律（lǜ）,同時也分析了振動頻率對拋光質量及材料去除率的影響。結果表明:超聲（shēng）振（zhèn）動的引入將大幅降低磨粒所受（shòu）平均（jun1）切向力和法向力,從而有利於（yú）刻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（hòu）,超聲振（zhèn）動對材料去除率和表麵質量的影響不大。通過分子動力學仿（fǎng）真（zhēn）,研究了超（chāo）聲輔助劃擦的微觀去除機（jī）理（lǐ）,為實驗（yàn）研究提供了理論依據。
2018年,Y.Hu等人提出超聲化（huà）學機械拋光方法,進行了有（yǒu）、無超聲振動輔助的對比（bǐ）實驗。結果表明,超聲CMP能（néng）有效地降低工件的表麵粗（cū）糙（cāo）度的峰穀值(PV),超聲振動輔助可以促進化學反應,提高拋光（guāng）效（xiào）率,改善表麵質量,最終MRR為1057 nm/h、表麵粗（cū）糙度PV為0.474μm。2022年,X.Chen等人提出了一種利用超聲振動、Fenton氧化（huà）和機械衝擊（jī）複合機理對SiC進行高效拋光的超（chāo）聲（shēng）振動化學輔助拋光方法。超聲和Fenton氧化的相互作用實現了更高的拋光效（xiào）率和質量,與機械拋光(MP)相比（bǐ）,MRR提高了19.51%,Ra降低了18.3%。這是由於化學拋（pāo）光液產生的·OH氧化與超聲振動機械去除的協同促進作用所致。
有學者對超聲振幅和頻率（lǜ）的變化進行了研究,研究結果表明,添加超聲振動輔助使MRR增大,但加工表麵質量有所降（jiàng）低。施加超聲振動輔助在其他形式的（de）加工中已得到成熟應用,在化學機械拋光SiC領域也（yě）取得（dé）了不錯的效果,可以同時增強化學反應和機械作用,有助於（yú）提升材料去除率,但（dàn）加工表麵質量改善幅度不大,有待優化研究。
2.3電化學（xué）機械拋光
電（diàn）化學機械拋光（guāng）(ECMP)示意圖如圖9所示。ECMP是一（yī）種利用電（diàn）解液作為拋光液,將工件的（de）電（diàn）化學腐蝕與機械拋光相結合的精密工藝。在單晶SiC(作為（wéi）陽極)表麵帶電後通（tōng）過陽（yáng）極氧化產生氧化層,然（rán）後用軟磨料機械去除氧化層,最後獲得超（chāo）光滑無損傷的表麵。
2015年,H.Deng等人采用CeO2拋光液（yè）作為陽極（jí）氧化的電解液和拋光介質去除氧化層。由於陽極氧化的結果,表麵硬度（dù）從34.5GPa下降到1.9 GPa。結果（guǒ）表明,ECMP材料的去除率為（wéi）3620nm/h。采用CeO2拋光（guāng）液進行了30 min的ECMP,工件原有劃痕均被去除,獲得了（le）光滑的（de）表麵,均方根(RMS)粗糙度（dù）為0.23nm,如圖10所示。該實驗獲得了理想的拋光效果,但是對於拋光中氧化機理的研（yán）究（jiū）不夠（gòu）深入。
2020年,X.C.Yin為了（le）闡明SiC表麵陽（yáng）極氧化（huà）機理,進行陽極氧化和機械拋光實驗。X射線（xiàn）衍（yǎn）射結果表明,由於表麵氧化作（zuò）用,改性表麵的主要元素為Si和O,說明改性後的SiC表麵形成了SiO2氧（yǎng）化層。並且（qiě）,他提出一（yī）種基於內外（wài）雙（shuāng）向擴散理論的陽極氧化過程（chéng）模型,在氧化過程（chéng）中,SiO2和SiC之間可（kě）能形成了（le）一層含氧化SiC(Si—C—O)的過渡（dù）層,以（yǐ）此來揭示該方（fāng）法的去（qù）除機理。
2021年（nián）,X.Z.Yang等人研究了溫度、表麵損（sǔn）傷、摻雜（zá）濃度和應變對SiC氧化速（sù）率的影響規律,這些（xiē）因素對SiC的陽極氧化有促進作（zuò）用。加（jiā）工損傷和摻雜（zá）對SiC陽極氧化的促進作用（yòng）主要是由SiC表（biǎo）麵的加工殘餘應變和（hé）摻（chān）雜應變引起的（de）。壓縮應（yīng）變和拉（lā）伸（shēn）應變均能提高SiC的陽極氧化速（sù）率（lǜ）。在此基礎上,2022年,X.Z.Yang等（děng）人通過模擬質（zhì）量（liàng）分數（shù）1%NaCl水溶（róng）液中SiC的陽極氧化（huà）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（yǎng）化過程中的電荷利用效率保持恒定,當電流密度（dù）大於30mA·cm-2時,電荷利（lì）用效率顯著降低,導致MRR顯著降（jiàng）低（dī）。
ECMP的關鍵（jiàn）是如何控製（zhì）電氧化速（sù）率,電流密度、工件原始表麵和亞表麵質量是影（yǐng）響加（jiā）工效果的重要因素。
2.4等離子體輔助拋光
等離子體輔助拋光(PAP)是一種將大氣等離子體照（zhào）射與軟磨料拋光相結合的（de）精密（mì）拋光技（jì）術。PAP技術由（yóu）K.Yamamura於2010年提出,圖11為PAP示（shì）意圖(圖中DPM為露點儀（yí）,MFC為質量流量控製（zhì）器、UPW為超純水（shuǐ）),該裝置由獨立（lì）安裝的（de）等離子體產生和機械去除部分組成（chéng）。大氣（qì）等離子體輻照可在單晶SiC表（biǎo）麵形成氧（yǎng）化層,通過機械裝置（zhì）去除氧（yǎng）化層後,獲得無內應力、無SSD的原（yuán）子級光滑表麵。
2012年,H.Deng等（děng）人提出了一（yī）種新型的等離子（zǐ）體輔助拋光技術。該技術利用氦基（jī）水蒸汽等離子體（tǐ）對SiC表麵的力學和化學性能進（jìn）行了改性。X射線光（guāng）電子能譜測試結果表明,等離子體輻照（zhào）後表麵得到有效氧化,主要產物為SiO2。白光幹涉儀掃（sǎo）描（miáo）圖像顯（xiǎn）示,PAP處理後的表麵劃痕消失（shī）,Ra、均方根粗糙（cāo）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（jìng）對PAP處理後的表（biǎo）麵進行了觀（guān）察,結果表明幾乎沒有引入結（jié）晶缺陷（xiàn）。2014年,H.Deng等人對等離子體氧化和磨料拋光進行了優化,發現當氦（hài）氣中水蒸汽質量分數（shù）較低時（shí）,等離子（zǐ）體氧化速（sù）率大大提高。2013年,H.Deng等人[60]將水蒸汽等離子體輻照和CeO2磨料（liào）拋光相結合,獲得了一個均方根（gēn）粗糙度（dù）約（yuē）0.2nm原子級平麵的4H-SiC表麵,其具有有序的台（tái）階/平台結構。水（shuǐ）蒸汽等離子體氧化（huà）碳化矽層和軟磨料機械去除氧化層的結合,可以獲得4H-SiC(0001)的原子級平麵表麵,而不會引起晶（jīng）體亞表麵（miàn）損（sǔn）傷。
2016年,H.Deng等（děng）人將等離子體化學氣化加工(PCVM)和等離子體輔助拋光相結合,采（cǎi）用非接觸式幹法刻（kè）蝕（shí）PCVM去除SSD層,以及采用等離子體改性和軟磨料拋（pāo）光相結合的PAP對（duì）SSD層進行無損傷拋（pāo）光（guāng）。PCVM處（chù）理5 min後,雖然表麵粗糙度略有提（tí）高,但研磨形成的劃痕（hén）和SSD層被完全去除。經（jīng）PAP處（chù）理後,獲得了均方根粗糙度為0.6nm的（de）無（wú）劃痕表麵。
PAP技（jì）術可以獲得原子級光滑表麵,且無亞表麵損（sǔn）傷,但是材料去除率低,設備昂（áng）貴,從而限製了該技術的發展和應用。
2.5磁流變輔（fǔ）助拋光
磁流（liú）變輔助拋光引入磁流（liú）變彈性體(MRE),與化學機械拋光相（xiàng）結合,在外加磁場、磁性拋光墊、氧化還原反應（yīng）的共同（tóng）作用下,提高工件的材（cái）料去除率,降低表麵粗糙度,實現對工件的超精密加（jiā）工。磁流變輔助拋光（guāng）示意圖如（rú）圖12所示。
2022年,D.Hu等（děng）人製備了聚氨（ān）酯基磁流（liú）變彈性體拋光墊,將其用於單晶SiC的磁控力學性（xìng）能、磁拋光效果的研究。采用MRE拋光墊對原始表麵粗糙度為80nm的單晶SiC進行90min的拋光實驗。結果表明:隨著磁場強度的增加（jiā）,MRE拋光墊的剪切模量增大（dà）,拋光過程的材料去除率增大,表麵粗糙（cāo）度減小。2022年,鄧子默[63]通過（guò）單因素實驗（yàn）分析了工作間隙、通電電流和拋光時間對單晶SiC磁流變（biàn）拋光效果的影響。獲得了亞（yà）納米（mǐ）級表麵粗糙度（dù）,指出Ra隨電流（liú）的增大而減小,隨工作間（jiān）隙的增（zēng）大而（ér）增大。
為了提升磁流變拋光中（zhōng）的化學作用,引入（rù）Fenton反應成為新的研究方向。2019年,H.Z.Liang等人（rén）基於（yú）Fenton反應原理,提出了化學-磁流變複合拋光(CMRF)方法。為（wéi）了（le）研究CMRF的材料去除特性,對羰基鐵粉（fěn）與磨料進行了受力分析,並基於工件表麵磁流變效應計算了拋光墊的拋光力（lì）。在此基礎上,根據Preston方程,建（jiàn）立了材料去除（chú）模型（xíng）。通（tōng）過對單晶SiC晶片進行CMRF測試,發現測試結果與理論計算結果一致。2022年,D.Hu等人采用（yòng）MRE中的磁性顆粒(Fe3O4/CIP)作為非均相（xiàng）Fenton反（fǎn）應的固相催化劑,對單晶SiC進行化學機（jī）械拋光。結果表明,在MRE中使用Fe3O4/CIP作（zuò）為固相（xiàng）催（cuī）化劑（jì）,對拋光SiC進行非（fēi）均相Fenton反應,可大幅度提高MRE拋光墊的材料去（qù）除能（néng）力（lì）,同時改善（shàn）拋光質量。
在CMP中引入磁場,可以有效提高材料去除率和表麵質（zhì）量。此外,在特製拋光（guāng）墊中加入Fenton反應催化劑,也是一種行之有效的（de）方法。
2.6表麵預處（chù）理（lǐ）輔助（zhù）拋（pāo）光
表麵預處理（lǐ）輔助是指在CMP之前,對工件表麵施加其他能量形（xíng）式進（jìn）行預處理,以（yǐ）達到降低表麵初（chū）始硬度,易於拋光的目的。表麵預處理的方式多樣,如激光（guāng）預處理、熱氧化預處（chù）理（lǐ）等。
2019年,B.B.Meng等人采用分子動力學方法,在納米尺度上研（yán）究了飛秒激光輔助加工（gōng）過程中SiC改（gǎi）性層的可加工性和去除機理。結果表明（míng）:改性層中的微/納米結構對材料去除過程有顯著影響,SiC表麵結構有效地（dì）提高了去除（chú）率,減小了亞表麵損傷深度。SiC改性層在納米級加工過程中的去除機製（zhì）與未（wèi）處理表麵的不同,當預設加工深度大於改性層深度時,去除和變（biàn）形機製的主要形式（shì）由非晶（jīng）化和位錯（cuò）運動轉變為非晶化（huà）和塊狀剝（bāo）落,表麵改性有效地降低了（le）磨粒磨損程度。
2021年,B.Gao等人提出了一種皮秒激光輔助CMP方法,首先用皮秒激光對SiC的Si麵進（jìn）行預處理,然（rán）後進行拋光。結果表明:皮秒激光預處理(PLP)產生的（de）波紋和多晶層改善了表麵加工性能,同時PLP氧化的C—O、Si—C—O和Si—O鍵易於材料（liào）去除。與非激光（guāng）預處理樣品相比,激光預（yù）處理後樣品的材（cái）料去（qù）除率在拋光時前45 min顯著提高,而表麵粗糙度（dù）顯著降低,如圖13所示。2021年（nián）,G.P.Chen等人采用納秒（miǎo）激光調（diào）製技術對SiCSi麵進行預處理。結果（guǒ）表明,該技術可使表（biǎo）麵氧含量增加,且氧化物成分一致,用Al2O3拋光液拋光後,Ra低至0.081nm。
除（chú）了高能（néng）激光（guāng）對表麵預處理的方式（shì）外,采用熱氧化手段進行表麵預處理也取得了較好效果。2018年（nián）,H.Deng等人采（cǎi）用熱氧化預處理與軟（ruǎn）磨料拋光相結合的拋光工藝,實現（xiàn）了（le）4H-SiC的原（yuán）子尺度（dù）無損（sǔn）傷加工。通過熱氧化預處理,C麵的硬（yìng）度從4.6GPa降低到（dào）1.7GPa,使用CeO2拋光液（yè）高效（xiào）拋光。對於未預（yù）處理的（de）常規CeO2拋光（guāng）液拋光,拋光16h後仍存在劃痕（hén）,而對熱氧化（huà）表麵（miàn）進行拋光,拋光3h即可獲得無劃痕（hén）且SiC原子（zǐ）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（fǎ）能夠（gòu）實現4H-SiC的C麵原子尺度無損傷加工。盡管表麵預處理可以應用於多種材料,但是目前很難實現表麵（miàn）精準處理,易產生亞表麵損傷（shāng）和晶體缺（quē）陷,亟需深入研究。
3拋光技術對比及發展方（fāng）向
3.1主要精密拋光技術比較
綜上所（suǒ）述,CMP不管是在實驗原理上,還是（shì）在實驗設置上,都是最簡單、最容易實現的。但拋光（guāng）液通常含有（yǒu）強酸或者強堿以及強氧（yǎng）化劑,對環境以及實驗者會產生危害（hài）,而且其拋光效率已到了瓶頸。
目前增（zēng）效化（huà）學機械拋（pāo）光（guāng）得（dé）到了越來越（yuè）多的關注,比如光（guāng）催化輔助、超聲振動輔助、電化學輔助、等離（lí）子體輔助、磁（cí）流變輔助、激光預處理、預熱處理等（děng）增效方式。光催化輔助增效方式需要增加（jiā）一套紫外光設備,拋光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（le）較大的提高。超聲振動（dòng）輔助增效方式在其（qí）他加工（gōng）領域已被廣泛應用,而用於輔助CMP時,需（xū）要（yào）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（yīng）並提高機械（xiè）去除能力。電化學增效（xiào）方式（shì）需要增加一套電化（huà）學係統,並且工件（jiàn）表麵容易留下電流腐（fǔ）蝕痕跡,導致表麵質量下降。等離子體輔助（zhù）增效方式需要複雜的等離子體產生和照射裝置,操作性差,但可得到階梯型微觀形貌,所得表麵粗糙度（dù）極低,目前研究較少。磁流變輔助增效（xiào）方式在很多領域（yù）得到應用,需要製作特定拋光（guāng）墊,可以得到（dào）較為理想的拋（pāo）光效果。對材料進行表麵預處理,能夠降低表麵（miàn）硬度,可以實現（xiàn）快速去除的目的,但是對於控製預處理的厚度以及避免外來能量對材料晶體結構產生的影響,仍是目前的難題和挑（tiāo）戰。
高效率地獲得光滑表麵是半導體產業的一個關（guān）鍵問（wèn）題,因此材料去除率和（hé）表（biǎo）麵粗糙度被認為是評（píng）價單晶SiC拋光（guāng）工藝兩個（gè）最重要指標。不同拋光方法之間的（de）對比如表1所示。
單（dān）個方向增（zēng）效可以獲得單個方麵的提高,比如光催化輔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（gōng）效果則有限。
因此多個技術方向複合增效（xiào）以達到化學氧化（huà）作用和機械去除作用同時提升的方法,引起（qǐ）了（le）研究者的注意。比如,2019年（nián）,Y.He等人開發了一種用於4H-SiC晶圓Si麵的電增強光催化拋（pāo）光方法,如圖14所示。電流可以（yǐ）有效地（dì）防止半導體顆粒表麵產生的（de）電子與空穴的複合（hé）,從而提高拋光效（xiào）率。以（yǐ）P25為（wéi）光催化（huà）劑、H2O2為電子捕獲劑的拋光（guāng）液拋（pāo）光性（xìng）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（le）超聲-電化學機械研拋實驗。實（shí）驗結果表明,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（jiā）超聲-電場作用後（hòu）,材料去除率比無超聲時提高了91.7%。
2021年（nián）,T.Yin等人采用高濃度氧氣氛圍與光催化輔助拋光相結合,對SiC襯底CMP特性進行了研究。結（jié）果表明:與常規空氣氣氛相比,將空氣氣氛中的氧(O2)分（fèn）壓增加到300kPa,Si麵和C麵的材料去除率均增加超（chāo）過（guò）2倍。實驗示意圖如圖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,利用電（diàn）場參數控（kòng）製（zhì）CMP中·OH的生成速率和總濃度,實（shí）現·OH的持續、穩定、可（kě）控生成,加速SiC的（de）氧化腐蝕作（zuò）用,從而達到與（yǔ）磨粒去（qù）除的協同效（xiào）應,最終MRR為2358nm/h、Ra為0.372nm。
可以看（kàn）出,利用複合能場輔助CMP方法,可以取得較好的效果,但是目前研究還不（bú）深入,多能場耦合（hé）下材料（liào）去除機理及工藝參數設置還（hái）需深入研究。
4結語
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（miàn）質量也提出了更高的要（yào）求。因此可用於SiC超精密（mì）拋光的CMP工藝受到了廣泛關注。在當前的（de）研究中,對CMP中拋光液、拋（pāo）光墊（diàn）、工（gōng）藝參數等因素進（jìn）行了多（duō）方麵的選（xuǎn）擇（zé）優化;並基於能場輔助提升化學和機械作用,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（cái）料去除率低(MRR<200nm/h),這與SiC的強化學惰性有關,拋光過程（chéng）中表麵氧化層的反應速率是影響加（jiā）工效率的關鍵因素;②SiC表麵（miàn）氧化層的（de）形成和（hé）去除是揭示材料去（qù）除過程的（de）基礎,弄清氧（yǎng）化層（céng）的反應（yīng）機製和劃擦作用有助於指導生產實踐（jiàn）;③增效CMP複合拋光方法（fǎ）的（de）核心是增強SiC的化學作用,以提升材料去除率,取得（dé）的效果顯著,但新增加的（de）能場(聲、光（guāng）、電等)會使材料的去除過程變得複（fù）雜,不確定性（xìng）增加（jiā）;④多能（néng）場增（zēng）效CMP拋光技術能夠實現（xiàn）效率和精（jīng）度的提升,具有廣闊的（de）應用前景,然而,多能場激勵下的拋（pāo）光去除機理、各參數與加（jiā）工效（xiào）果之間（jiān）的映（yìng）射關係尚不清晰,需要深入研究。隨著（zhe）加工方法的不斷成熟,高頻、高功率的SiC器件及電路在未來將會發揮更大（dà）的作用。
來源：微納電子技術
作者：田壯（zhuàng）智（zhì）1,2,班（bān）新（xīn）星1,2,3*,韓少星3,段天旭1,2,鄭少冬1,2,朱建輝3
(1.河南工業大學機電工程學院,鄭州450001;
2.河（hé）南省超硬磨料磨削裝備重點實驗室,鄭州450001;
3.鄭州磨料磨具磨削（xuē）研究（jiū）所有限公司,鄭州450001）
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