在科技日新月異的今（jīn）天，單晶碳化矽（SiC）以其卓越的物理性能，正逐漸成為高端製造領域的（de）璀璨明珠。2024年，隨著超精密加工技術的（de）飛速（sù）發展，單晶SiC的加工研究取得了突（tū）破性進（jìn）展，為材料加工領域（yù）注入了新的（de）活力。
單晶SiC作為一種具有高熱導（dǎo）率、高硬度（dù）、高抗腐蝕性的陶瓷材料，在航空航天、半導體（tǐ）製造等領（lǐng）域具有廣泛的應用（yòng）前景。然（rán）而，由於其高硬度和脆性（xìng），單晶SiC的超精密加工一直是困擾科研人員的難題。傳統的加工方法往（wǎng）往難以達到理想的加工精度和表麵質量，限製了單晶SiC的（de）廣泛應用。
近（jìn）年來，隨著超精密加工技術（shù）的不斷突破，單晶（jīng）SiC的加工難題逐漸得（dé）到解決。科研人員（yuán）通過（guò）深入研究單晶SiC的晶（jīng）體結構和（hé）物理性能，成功開發出了一係列新型的（de）超精（jīng）密加工方（fāng）法。這些方法不僅提高了加工精（jīng）度和效率，還大幅改善了加工表麵的質量。
其中，激光輔助加工技術是一項（xiàng）備受（shòu）矚目的創新成果。通過（guò）激光束對單晶SiC進行局部加熱，降（jiàng）低其硬度和脆性，從而實現高效、高（gāo）精度的加工。此外，納米壓（yā）印技術也展現出了巨大的潛力。利用納（nà）米尺度的模具，可（kě）以在單晶SiC表麵實現微納結構的精（jīng）確（què）複製，為製造高精度、高複雜度的器件提供了（le）有力（lì）支（zhī）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（yōu）化和加工設備的創新（xīn）。科研人員通過改進單晶（jīng）SiC的製備工藝，提高了其純度和結晶度，為超精（jīng）密加工提供了更好的材（cái）料基礎。同時，針對單晶SiC的加工特點，研發了一係列專用的超精密加（jiā）工設備，如高精度數控機床、超（chāo）硬刀具等，為加工過程提供了強有力的支撐。
單晶SiC超精（jīng）密加工技術的突（tū）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性的（de）變革。在航空（kōng）航天領域，單晶SiC的高性能使得其成為製（zhì）造先進發動機和高溫結構（gòu）件的理想（xiǎng）材料（liào）。在半導體製造（zào）領域，單晶（jīng）SiC的優異性能為製造高性能、高可靠性的（de）芯片（piàn）提供了有力保障。
展望未來，隨（suí）著單晶SiC超精（jīng）密加工技術（shù）的不斷發展和完善，相（xiàng）信其在更多領域的應用將會得到拓展和深化。同時，我們也期待更多（duō）的（de）科研（yán）人（rén）員（yuán）和企業加入（rù）到這一領域的研究和（hé）開發中，共同推動單晶SiC超精密加工技術的進一步發展，為（wéi）人類社會的科技進（jìn）步（bù）和產業發展貢獻更多的力量。
摘要
單晶（jīng）碳化矽（guī）(SiC)的高脆（cuì）性、高硬性和強化學惰性是製約第三代（dài）半（bàn）導體超精密拋光發展的關鍵,實現襯底高效率、超光（guāng）滑表麵的加工具有挑戰性。對於單晶SiC的化學機（jī）械拋光(CMP),分別從材料去除和（hé）工藝優化兩個維度出發,闡述了CMPSiC的影響因素和規律,指出了該方法的不足。介紹了（le）光催化、超聲振動、電場、等離子（zǐ）體、磁流變、表麵預處理等（děng）輔助CMP拋光方（fāng）法,分析了複合（hé）增效拋光的去除機理和優勢。通過對比發現,輔助能場的介（jiè）入有助於改善SiC表麵質（zhì）量,並能獲得較（jiào）好的加工效果,然而,複合拋光技術涉（shè）及的能場複雜（zá）,多能場作用下的材料去除機製（zhì）和工藝（yì）參數匹配仍需進（jìn）行深入（rù）研究。最後,對未來單晶SiC超精（jīng）密（mì）加工的研究給出了建議,並進（jìn）行了展望。
0引言
單晶碳化矽(SiC)由於具有較（jiào）大的禁帶寬度（dù）、優良的導熱性、高（gāo）的擊穿電場和良（liáng）好的化學穩定性等優異物理和化學性能,被廣泛認為是製（zhì）造高壓、高頻和高溫條件（jiàn）下功率（lǜ）器件典型的第三代半導體（tǐ）材料。隨（suí）著SiC襯底加工工藝的不斷發展,高頻（pín）、高功率、抗輻射器件的應用日益增加。與矽(Si)基相比,基於SiC的大功（gōng）率器件具有功率密度更（gèng）高、功耗更低和（hé）尺寸更小的優點。SiC器件已成功應用於電動汽車、高鐵、不（bú）間斷電源、高壓電網和5G通信等領域。
在功率器件中,SiC襯底的表麵（miàn）粗（cū）糙度嚴重影響（xiǎng）其使用性能,表麵（miàn）粗糙度（dù）越小,擊穿電場強度和擊穿所需的電（diàn）荷數量越大。因此,獲得具有無（wú）表麵（miàn）損傷、無亞表（biǎo）麵（miàn）損傷（shāng）(SSD)、原子級表（biǎo）麵粗糙度的超光滑表麵,是其廣泛應用的必要條件（jiàn）。單晶（jīng）SiC由於其特殊的（de）硬（yìng）脆特性和極（jí）強的化學惰性,導致可加工性差,特別是在超精密拋光方麵（miàn）尤（yóu）為顯著。SiC襯底經過切割、研（yán）磨和機械拋光後,表麵(或亞表麵)會（huì）出現許多損傷（shāng）,如劃（huá）痕和裂紋。為了降低表（biǎo）麵粗糙度和去除表（biǎo）麵缺陷,對單晶SiC進行精密拋光是必要的。
因此,為了滿足高性能半導體器件對高精度、高質量、高產量SiC襯底的要求,國內外學者一直致（zhì）力於對SiC的研究。
1化學機械拋光
化（huà）學機械拋光(CMP)技（jì）術出現於20世紀中期,由於能夠同時對玻璃和金屬進行平坦化,因（yīn）而引起了人們的極大關注。CMP能夠（gòu）同時實現全局和局部平坦（tǎn）化,所以在半（bàn）導體晶圓製程中被廣泛使用（yòng）。化學機（jī）械拋光後的工件表麵具有超高的麵形精度,表麵粗糙度為亞納米級,表麵超光滑無損（sǔn）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（zhōng）。
在拋光（guāng）過程中,工件表麵與拋光液接觸,發生（shēng）化學反應,生成軟質層。工件在壓力（lì）作用下與（yǔ）拋光墊相對運動,其表麵（miàn）的軟質層被拋光液（yè）中的磨料劃（huá）擦去除。CMP示意圖如圖1所示,圖中F為壓力。
CMP的微觀去除機理非常複雜,影響因素（sù）很多,拋光過程涉及到化學、摩擦學、流體（tǐ）力學等眾多因素,總體（tǐ）來講,CMP的去除機理具有複雜性,現有的機理研究仍（réng）存在局限性,大多是在某一方（fāng）麵對（duì）拋光過程進行建模和分析,CMP去除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（de）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方麵。
1.1 SiC CMP加工機理仿真（zhēn）研究
為了（le）實現芯片襯底的高（gāo）效低損傷加工,必須係統研究超精密加工單晶SiC的材料去除機理以（yǐ）及（jí）表麵損傷的產生機理。
2020年,Z.G.Tian等人采用分子動力學模擬方法,對4H-SiC和（hé）6H-SiC的C麵和Si麵（miàn）進行了劃痕實驗,研究表明,與Si麵（miàn）相比,C麵（miàn）的非晶態變形更（gèng）少,材料（liào）的去除更有（yǒu）效,這種劃痕現象與SiC晶體基麵上的位錯有關。圖2為（wéi）不同試件在不同劃（huá）擦深（shēn）度下無定型原子數（shù）和位錯數量。2021年,P.Zhou等人采用分子動力學方法（fǎ）研究了多（duō）磨粒隨（suí）機分布的固結磨料拋光SiC基片的（de）表麵形貌、亞表麵損傷（shāng）特（tè）征。結果表明,多磨粒在單一粗糙麵中的暴（bào）露高度和（hé）磨粒分布決定了SiC襯底（dǐ）的去除行為;金（jīn）剛石顆粒在固結磨料拋光（guāng）墊中（zhōng）的隨機分布會使加工質量變（biàn）差。
在（zài）CMP中（zhōng）除了存在（zài）與機械拋光相似的磨料劃擦作用外,化學作用的影響也至關重要。2021年,孫強采用分子動（dòng）力學方法分別模擬了（le）CMP中金剛石和SiO2磨粒對SiC表麵原子去除機製。結果（guǒ）表明,SiO2在（zài）拋光過程中比金剛石更容易發生化學反應,原因是其通過與SiC表麵原子持續成鍵和斷鍵來實現原子去（qù）除。2023年,Z.W.Yuan等人（rén）研究了SiC在羥基自由基(·OH)水溶液中的原子行（háng）為。結果表明,在（zài）隻發生（shēng）化（huà）學氧化的情況下,SiC表麵吸附O、H、·OH生成Si—OH2、Si—OH、Si—H2O和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（xià）,部分Si和C原子以SiO、SiO2、CO、CO2或鏈狀結構脫離（lí）基體（tǐ）,其餘Si和C原（yuán）子則以吸附方式脫離基體,如圖3(b)所示（shì）。這些研究有助於從原子層麵上解釋CMP中原（yuán）子氧化去除的動力學過程,為揭示（shì）材料去除機理提供了一種（zhǒng）有價值的方法。
目前采用分子動力（lì）學手（shǒu）段對材料去除機理以及（jí）表麵損傷機理的研究逐漸深入,但依然麵臨諸多問題,比如模型設置、尺寸（cùn）效（xiào）應（yīng）等,與實際生產加工存在差異。
1.2 SiC CMP工藝研究
近年來（lái）眾多學者在CMP工藝方麵開展了（le）大量的研究工作,主要集中在拋光液（yè）的配製、拋光墊選擇（zé）與製備以及拋光（guāng）工藝優化（huà）等方麵。
1.2.1拋光液
在化學（xué）作（zuò）用方（fāng）麵,拋光液起主導（dǎo）作（zuò）用。其作用是將工件（jiàn）表麵的材料氧化,生成一層質（zhì）地較軟（ruǎn）且與（yǔ）基底結（jié）合力較弱的氧化膜（mó）,然後通過（guò）機（jī）械劃擦將氧化膜去除,以（yǐ）達到拋光的目（mù）的。影（yǐng）響拋光液性能的因素有氧化劑、pH值、分散劑、磨料等。
2013年（nián）,G.S.Pan等人將含H2O2、氫氧化鉀（jiǎ）(KOH)和二氧化矽的拋光液引入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（liào）去除率（lǜ）、表麵粗糙度的（de）影（yǐng）響。結果表明,當拋光液中H2O2質量分數為6%、KOH質量分數為0.6%、二氧化（huà）矽（guī）顆粒質量分數為30%時,材料（liào）去除率(MRR)增大至105nm/h,表麵粗糙度(Ra)為0.067nm。2021年,Q.X.Zhang等人通過摩擦磨（mó）損的方式研究了添加不（bú）同氧化劑(H2O2、KMnO4和Fenton試（shì）劑)的（de）拋光液對單晶6H-SiC的影響（xiǎng）,如圖4所示。實（shí）驗顯示（shì）SiC在不同拋（pāo）光液中的（de）MRR不同,其中添加KMnO4的拋光液的MRR最高,不含氧化劑的矽溶膠（jiāo）拋光液的MRR最（zuì）低。這表明氧化劑種（zhǒng）類、pH值是影響CMP的重要因素。
分散劑的作用是使磨粒均勻地（dì）懸（xuán）浮分（fèn）散在拋光液中,並具有足夠的分布穩定（dìng）性。2022年,W.T.Wang等人使用不同的聚合物分（fèn）散劑,包括（kuò）聚乙二醇(PEG)、聚（jù）丙烯酸鈉(PAAS)和它們的三嵌（qiàn）段共聚物聚(丙烯（xī）酸)-b-PEG-b-聚(丙烯酸)(PAEG)進行CMP實驗,結果表明,通（tōng）過使用PAEG作為分散劑（jì）來（lái）拋（pāo）光SiC襯底能獲得更好的去除率和更低的表麵粗糙度。
目前研究中磨料種類是多樣的。常見磨料包括金剛石、碳化（huà）硼（péng）(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（yòng）於增強SiC襯底CMP拋光的機械作用。
除了單一磨料外,混合磨料（liào）也得到了研（yán）究。混合磨（mó）料拋光液（yè）(MAS)包含兩種（zhǒng）或更多種類型固相磨料,如ZrO2/SiO2、納米金剛石/SiO2、聚合矽酸鎂鐵鋁鋅（xīn）/SiO2、SiO2/CeO2和ZrP/Al2O3等。與單一磨料拋光液（yè）相比,MAS具有更好的CMP性（xìng）能。研究發現,在SiO2拋光液中（zhōng）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（yán）究了（le）不同粒徑的同種磨料對（duì）機械作用的影響（xiǎng）。2014年,X.L.Shi等人詳細分析了不同磨料粒徑的矽（guī）溶膠對4H-SiC晶圓拋光性能的影響。通過理論推導和實驗分析得出,當磨料粒徑較大時會導致不規則的平台邊緣。反之,如果磨料粒徑較小,材料（liào）的去除將更規則,並（bìng）且平台邊緣將（jiāng）更平坦和光滑,指出磨料粒徑是決定CMP效率和晶圓表麵最終平（píng）坦化質（zhì）量的重要因素。圖5所示（shì）為不同粒徑SiO2磨料拋光後的表麵,其中常規尺寸磨料平均粒徑30.8nm,大（dà）尺寸磨料平均粒徑79.3nm。
在目前（qián）的報道中,對於拋光液的研究思路包括改變氧化劑的種（zhǒng）類和濃（nóng）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）分的含（hán）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（píng）麵缺陷的表麵起著（zhe）關鍵作用。
1.2.2拋（pāo）光墊
拋光墊是（shì）CMP中（zhōng）的主要耗材,其自（zì）身性質、所受外（wài）力均會影響拋光效果。
2017年,D.Lee等人通過有限元分析與實驗相（xiàng）結合的方法測算了不同型號聚氨（ān）酯拋光（guāng）墊的彈性模量與泊鬆比。該研究為之後CMP工藝中應力分布研究奠定了基礎（chǔ）。2022年,郝曉麗分（fèn）別采用聚氨酯、尼（ní）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60r/min、施加壓力為25kPa、拋光液磨料質量分數為5%的（de）條件下,聚氨酯拋光墊的拋光效果最好。
為（wéi）了（le）進一步提高拋光效率和（hé）表麵質量,新型拋光墊的研（yán）製得到了快速發展。2016年,J.K.Ho等人將Fe和Al2O3顆粒浸漬在聚氨酯基體中,形（xíng）成固結磨料拋光墊,研究了固結磨料拋光墊拋光SiC晶片（piàn）的表麵特性和材料去除率,並與聚氨酯拋光墊進行（háng）了對比。結果表明,用含質量分數1%Fe和質量分數3%Al2O3的拋光墊拋光時,材料去除率（lǜ）提（tí）高（gāo）了73%,並（bìng）且拋光後的表麵無損傷（shāng）。該工藝不僅縮短了拋（pāo）光時間,而且降低了拋光成本。2022年,J.G.Yao等人采用固化法製（zhì）備了自退讓性固結磨（mó）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（zhě）材料去除率高於後者,在微觀形貌上,後者（zhě）拋光（guāng）後的SiC晶片（piàn）表麵（miàn）的劃痕明顯減（jiǎn）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（chóng）要部分,拋光墊（diàn）的選擇或（huò）製備是實（shí）驗和生產中的必要一環,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（yǐng）響。
1.2.3工藝優化
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）液體積流（liú）量對（duì）材料去除率和表麵粗糙度的影響規律,優化工藝（yì）參數是提高拋光效果的有效（xiào）措施。2013年,J.X.Su等人研究了拋光盤轉速（sù）、拋光壓（yā）力和磨料尺寸等CMP工藝參數對（duì）材料去除率（lǜ）的影響。研究結果表（biǎo）明,材料去（qù）除（chú）率隨著磨料尺寸、轉速和拋光壓力（lì）的變化而顯著（zhe）變化。在相（xiàng）同條件下,Si麵的MRR大於（yú）C麵（miàn）。2021年,龐龍飛等人調整（zhěng）拋（pāo）光液體積（jī）流量、轉速、壓力等工藝參數對SiC晶片進行對（duì）比實驗,最終經過參數優化,得到（dào）了Ra為0.099nm的光滑表麵。2022年,章平等人較為詳細（xì）地研究了（le）工（gōng）藝參數對拋光的材料去除率以及表麵粗糙度的影響。通過調節拋光（guāng）壓力、轉速、拋光液（yè）體積流量,探究了工藝（yì）參數對SiC加工過（guò）程中氧化膜去除率（lǜ）(機械作用)的作用規律。結果表明壓力、轉速、拋光液體積流量分別為38.68kPa、120r/min、90 mL/min時,化學作用與機械作用（yòng）最接近於平衡點,此時MRR為92nm/h,Ra的最低值為0.158nm。
工藝參數與（yǔ）MRR、Ra之間的關係也（yě）可以通過建立模型來進行預測,為SiC的CMP加工提供參考（kǎo）。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（yòng）反向（xiàng）傳播神經網絡建（jiàn）立了MRR和Ra的（de）預測模型,如圖6所示。結果表（biǎo）明,隨（suí）著FeSO4質量（liàng）分數、H2O2質量分數和pH值的升高,MRR呈先升高後降低的趨勢,拋光後Ra呈先降低後升高的趨勢（shì）。隨著磨料粒（lì）徑、磨料濃度（dù）、拋光壓力和拋光速度的增加,MRR不斷增大。Ra隨磨料粒徑和磨料濃（nóng）度的增加而（ér）不斷減小,隨著拋光壓力的增加而增大（dà）,隨著拋光速（sù）度的（de）增（zēng）加而先減小後增大。不難看出,在SiC單晶的CMP中通過工藝（yì）優化,對拋光效果（guǒ）起到了一定的改善和（hé）提（tí）高作（zuò）用。
綜上所（suǒ）述,目前CMP的研究比較全麵,涉及了分（fèn）子動力學仿真模擬和各（gè）因素實驗分析,為SiC單晶的超精（jīng）密拋光（guāng）生產、應用提供（gòng）了大量的理論（lùn）和實驗（yàn）依據。但是,由於SiC的強化學惰（duò）性,在CMP拋光過程中工件表麵的化學反（fǎn）應速率有限,材料去除（chú）率遇到瓶頸。
2增效化學（xué）機械拋光
目前化學機械拋光的材料去除率以及加工後的表麵粗糙度,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（zēng）效輔助,成為了近些年大（dà）幅度提高材料去除（chú）率和降低表麵粗糙度的（de）最優選擇。
2.1光催化化學機械拋光
光催化化（huà）學（xué）機械拋光(PCMP)示意圖如圖7所示。將單晶SiC工（gōng）件粘貼在拋光頭底（dǐ）端,使用含有光催化劑的拋光液,通過紫外光的照射,光催化劑顆粒表麵產生空穴和電子,吸附在光催化劑顆（kē）粒（lì）表麵的H2O和OH-可通過光生電（diàn）子和空穴氧化成羥基自由基,然後將單晶SiC表麵氧化成SiO2,化（huà）學反應式為
可以看出通過機械（xiè）劃擦能夠輕易去（qù）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,最終優化拋光工藝。結果表明,當pH值為6、TiO2質量分數為0.015%時,平均（jun1）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（tōng）過使（shǐ）用由Al2O3和ZrO2磨料組（zǔ）成的MAS,在UV照射下獲得了694nm/h的材料去除率（lǜ）和0.489nm的表麵粗糙度。實驗研究結果表明,UV-TiO2的（de）引入可（kě）以提高拋光（guāng）效率,但（dàn）其作用機製還需要進一步探討。
2022年,Y.He等人通過（guò）反應分子（zǐ）動力學（xué）模擬和實驗的方法,研究了PCMP羥基自由基水溶液中化學與機械相互促進機製。通過單顆粒磨粒在SiC表（biǎo）麵的劃擦,研究了納米（mǐ）顆粒（lì）在拋光過程中促進化學反應的行為。Si/C原子主（zhǔ）要以SiO、CO、SiO2和（hé）CO2的（de）形式斷裂或逃逸。此外（wài）,X射線光電子能譜(XPS)和納（nà）米（mǐ）壓痕的結果也驗證了PCMP化學和機（jī）械相互促進的去除機製。通過檢測到的氧化產物（wù）、表麵（miàn）硬度,表明該（gāi）工藝活化並去除SiC材（cái）料,產生光滑且無損傷的表麵,Ra為0.269nm。
2023年（nián）,H.Lee從（cóng）摩擦學角度對CMP、MASCMP和PCMP進行了比較研究。實（shí）驗結果表明,PCMP具有更高的摩擦力和MRR,這（zhè）可能是由TiO2顆（kē）粒（lì）光催（cuī）化氧化導致的。
目前,有關（guān）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（jìn）行了理論分析。紫外光和光催（cuī）化劑的引入,可以極大地提高拋光中的氧化反應速率,從而改善拋光效果。此外,PCMP是一種高效、清潔的SiC襯底拋光方法,且不釋放（fàng）對環境和人體健（jiàn）康有（yǒu）害的化學物質。
2.2超聲振動輔助化學機械拋光
超聲振動輔助化學（xué）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（shēng）波發生器將電信號轉換成超聲振動,超聲振（zhèn）動作用在拋光區（qū）,使拋光液中磨料更加分散,並且使磨（mó）料獲得（dé）一定動（dòng）能,加大了拋光中的機械作（zuò）用,同時振動過（guò）程中產生的熱促進了拋光（guāng）中的化學作用,超聲振動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（fèn）子動力學方法（fǎ）建立SiC原子模型,分析了刻劃過程超聲振動（dòng）對SiC晶體結構（gòu）、溫度、法向力和切向力的影響規律（lǜ）,同時也分（fèn）析了振動頻率對拋光質量及（jí）材料去（qù）除率（lǜ）的影響。結果表明（míng）:超聲振動的引入將大幅降低磨粒所受平（píng）均切向力和（hé）法向力,從（cóng）而有利於（yú）刻劃加工的（de）進行及其表麵質量的提高;但當振動（dòng）頻率超過一定值後,超聲振動對材料去除率和（hé）表麵質量的影（yǐng）響不大。通過分子動力學仿真,研究了超聲輔助劃擦的微觀去除機理,為實驗（yàn）研究提（tí）供了理論依據（jù）。
2018年,Y.Hu等人提出超（chāo）聲（shēng）化學機械拋光方法,進行了有、無超聲振動輔助（zhù）的對（duì）比（bǐ）實驗。結果表明,超（chāo）聲CMP能有效地降低工件的表（biǎo）麵粗糙度的峰穀值(PV),超（chāo）聲振動輔助可以促進化學反應,提高拋光（guāng）效率,改（gǎi）善表麵質量（liàng）,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（yǎng）化和機（jī）械衝擊複合機理對SiC進行高效（xiào）拋光的超聲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率（lǜ）和質量,與機械拋光(MP)相（xiàng）比,MRR提高了19.51%,Ra降低了18.3%。這（zhè）是（shì）由於化學拋光液（yè）產生的·OH氧化與超聲振動（dòng）機（jī）械去除的（de）協同促進作用所致。
有（yǒu）學者（zhě）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（shǐ）MRR增大,但加工表麵質量有所降低。施（shī）加超聲振（zhèn）動輔助在其他形式的加工中已得到成熟應用,在化（huà）學機械拋光SiC領域也（yě）取得了不錯的效果,可以同時增強化學反應和機械作用,有助於（yú）提升（shēng）材料去除（chú）率,但加工表麵質量改善幅度不大,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（yì）圖如圖9所示。ECMP是一種利用電解（jiě）液作為拋光液,將工件（jiàn）的電化學腐蝕與機械拋光（guāng）相結合的精密工藝（yì）。在單晶SiC(作為陽極)表麵（miàn）帶電後通（tōng）過（guò）陽極氧化（huà）產生氧化層,然後用軟磨料機械去除氧（yǎng）化層,最（zuì）後獲得超光滑無損傷的表麵。
2015年,H.Deng等（děng）人采用CeO2拋光液作為陽極氧化（huà）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（miàn）硬度從（cóng）34.5GPa下降到1.9 GPa。結果表明,ECMP材料（liào）的去除率為3620nm/h。采用CeO2拋光液進行了30 min的ECMP,工件原有劃（huá）痕（hén）均被去除,獲得了光滑的表（biǎo）麵,均方根(RMS)粗糙度為（wéi）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（de）研究（jiū）不夠深入。
2020年（nián）,X.C.Yin為了闡明SiC表麵陽極（jí）氧化（huà）機理,進行陽極氧（yǎng）化和機械拋光實驗。X射線衍射（shè）結果表明,由於表（biǎo）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（miàn）形成了SiO2氧（yǎng）化層。並（bìng）且,他提出一種基於內外雙向擴散理論的（de）陽極氧化過程模型,在氧化過程中,SiO2和SiC之間可能形成了一層含（hán）氧化SiC(Si—C—O)的（de）過渡層,以此來揭示該方法（fǎ）的（de）去除機（jī）理。
2021年,X.Z.Yang等（děng）人研究（jiū）了溫度、表麵（miàn）損傷、摻雜濃度和應變對SiC氧（yǎng）化速率的（de）影響規律,這些因素對SiC的陽極氧化（huà）有促進（jìn）作用。加工損傷和摻雜對SiC陽極氧化的促進作用主要（yào）是由SiC表麵（miàn）的加工殘（cán）餘應變和摻雜應變（biàn）引起（qǐ）的。壓縮應變（biàn）和拉伸應（yīng）變均能提高SiC的陽極（jí）氧化速率。在此基礎上,2022年,X.Z.Yang等人（rén）通過模擬質量（liàng）分數1%NaCl水溶液中SiC的陽極氧化體係（xì）,研究了SiC表麵陽極氧化過程中的電（diàn）荷利（lì）用效率,並闡明其機理。當電流密度（dù）小於（yú）20 mA·cm-2時（shí）,SiC陽極氧化過程中的電荷利用效率保持恒定,當電流密度大於30mA·cm-2時,電荷利用效率顯著降低,導致MRR顯著降低。
ECMP的關鍵是如何控製電氧化速（sù）率,電流（liú）密度、工件原始表麵和亞表麵質量是影響加工效果的重要因（yīn）素。
2.4等離子體輔助拋光
等離子（zǐ）體輔助（zhù）拋光(PAP)是一種將大氣等離子體照射與軟磨（mó）料拋光相（xiàng）結合的精密拋光技術。PAP技（jì）術由K.Yamamura於2010年提出,圖11為PAP示意圖(圖（tú）中DPM為露點儀,MFC為質量流量控製器、UPW為超（chāo）純水),該裝置由獨立（lì）安裝的等離子體產生和機械去除部分組成。大氣等離（lí）子體輻照可在單晶SiC表麵（miàn）形成氧化層,通過機械（xiè）裝置去（qù）除氧化層後,獲得無內應力（lì）、無SSD的原子級光滑表麵。
2012年,H.Deng等人提出了一種（zhǒng）新型的等（děng）離子（zǐ）體輔助拋（pāo）光技術。該技術利用氦基水蒸汽等離子體對SiC表麵的力學和化學性能進行了改性。X射（shè）線光電子（zǐ）能譜測試結果表明,等離子體輻照後（hòu）表麵得到（dào）有效氧化,主要產物為SiO2。白光幹涉儀掃描（miáo）圖像（xiàng）顯示,PAP處理後（hòu）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（dào）1.889nm、0.280nm。利用透射電子顯微鏡對PAP處（chù）理後的表麵（miàn）進行了觀察,結果表明幾（jǐ）乎沒有引入結晶缺陷。2014年（nián）,H.Deng等人對等離子體氧化和磨料拋光進行了優化,發現當氦氣中水（shuǐ）蒸汽質（zhì）量分（fèn）數（shù）較低時（shí）,等離子體氧化速率大大（dà）提高。2013年,H.Deng等人[60]將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（gēn）粗糙度約0.2nm原（yuán）子級平麵的4H-SiC表麵,其具有有序的台階/平台結構。水蒸汽等離子體氧化碳化矽層和軟磨（mó）料機械去除氧（yǎng）化層的結合,可以獲得4H-SiC(0001)的原子級平麵（miàn）表麵,而不會引（yǐn）起晶（jīng）體亞表（biǎo）麵損傷（shāng）。
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（jié）合,采用非接觸式幹法刻蝕PCVM去除（chú）SSD層,以及采用等離子體改性和軟磨料（liào）拋光相結合的PAP對（duì）SSD層進行無損傷拋（pāo）光。PCVM處（chù）理（lǐ）5 min後,雖然表麵粗糙度略（luè）有提高,但研（yán）磨形成的（de）劃痕和SSD層被完全去除。經PAP處理後,獲得了（le）均（jun1）方根粗糙度為（wéi）0.6nm的無劃痕表麵。
PAP技術可以獲得原子級光滑表麵,且（qiě）無亞表麵損傷,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磁流變輔助拋光
磁流變輔助拋光引入磁流（liú）變彈性體(MRE),與化學機（jī）械拋光相結合,在外加磁場、磁性拋光墊、氧化還原反應的共同作用下,提高工件的材料（liào）去除率,降低表麵（miàn）粗糙度,實現對工件的超精密加（jiā）工。磁流變（biàn）輔（fǔ）助拋光示意圖如圖12所示。
2022年,D.Hu等人製備了聚（jù）氨酯基磁流變彈性（xìng）體拋光墊,將其用於單晶SiC的磁控力學性能、磁拋光效果（guǒ）的研究。采用MRE拋光墊對原始表麵粗糙（cāo）度為80nm的單晶SiC進行（háng）90min的拋光實驗（yàn）。結（jié）果表明:隨著磁場強度的增加,MRE拋光墊的剪切模量增大,拋光過程的材料去除率增大,表麵粗糙度減小。2022年,鄧子默[63]通過單因素實（shí）驗分析了工作間（jiān）隙（xì）、通電電流和（hé）拋光（guāng）時間對單晶SiC磁流變拋光效果的（de）影響。獲得了（le）亞納米級表麵粗糙度,指出Ra隨電流的增大（dà）而減小,隨工作間隙的增（zēng）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-磁流變複合拋光(CMRF)方法。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分析（xī）,並基於工件表（biǎo）麵磁流變效應計算了（le）拋光墊的拋光力。在此基礎上,根據Preston方程,建立了（le）材料（liào）去除模型。通（tōng）過對單晶SiC晶片進（jìn）行CMRF測試,發現測（cè）試結果與理（lǐ）論計算結果一致。2022年,D.Hu等人采用MRE中的磁性顆粒(Fe3O4/CIP)作為非均相Fenton反應的固相催（cuī）化劑（jì）,對單晶SiC進行化學機械拋光。結果（guǒ）表明,在MRE中（zhōng）使用Fe3O4/CIP作為固相催化劑,對拋光SiC進行非均相Fenton反應,可（kě）大幅度提高MRE拋光墊的材料去除能力,同時改善（shàn）拋光質量。
在（zài）CMP中引入磁場,可以有效提高材料去除率和表（biǎo）麵質量。此外,在特製拋光墊中加入Fenton反應催化劑（jì）,也是一種行之有效的方法。
2.6表麵預處（chù）理（lǐ）輔助拋光（guāng）
表麵預處理輔助是指在CMP之（zhī）前,對工件表麵施加其他能量形式進行預處理,以（yǐ）達到降低表麵初始硬度,易於拋光的目的。表麵預處理的方式多樣,如激光預處（chù）理、熱氧化預處理（lǐ）等。
2019年（nián）,B.B.Meng等人（rén）采用分子動（dòng）力學方法,在納米尺度上研究了飛秒激光輔助加工過程中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（nà）米結構對材料去除過（guò）程有顯著影響,SiC表麵結構有效地提高了去除率,減小了（le）亞表麵損傷深度。SiC改（gǎi）性層在納米級加工過程中的去除機製與未處（chù）理表麵的不同,當預設加工深度大於改性層深度時,去除和變形機製的主要形式由（yóu）非晶化和位錯運動轉變（biàn）為非晶化和（hé）塊狀剝落,表麵改性有效地降低了磨粒磨損程度。
2021年,B.Gao等人提出了一種（zhǒng）皮秒激光輔助CMP方法,首先用皮（pí）秒激光對SiC的Si麵進行預（yù）處理（lǐ）,然後進行（háng）拋光。結果表明:皮秒激光預處（chù）理(PLP)產生的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鍵易於材料去除。與非激光（guāng）預處理樣品相比（bǐ）,激光預處理後樣品的材料去除率在拋光時前45 min顯著提高,而表麵粗糙度顯著降低,如圖13所示。2021年,G.P.Chen等人采用納秒激光（guāng）調製技術對SiCSi麵進行預處理。結果表明,該（gāi）技術可使表麵氧含（hán）量增加,且氧（yǎng）化物成分一致,用Al2O3拋光液拋光後,Ra低至0.081nm。
除了高能（néng）激光對表麵（miàn）預處理的方式外,采用熱氧化手段進行表麵預處理也取得了較好效果。2018年,H.Deng等人（rén）采用（yòng）熱氧化預處理與軟磨料拋光相結合的拋光工藝,實（shí）現了4H-SiC的原子尺度無損傷加工。通過熱氧化預（yù）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。對於未預處理的（de）常規CeO2拋光液拋光,拋光16h後仍存（cún）在劃痕,而對熱氧（yǎng）化表麵進行拋光（guāng）,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（xiàng）結（jié）合（hé）的方法能夠實現4H-SiC的C麵原子（zǐ）尺度無損傷加工。盡（jìn）管表麵預處理（lǐ）可以應用於多種材料,但是目前很難實現表麵精準處理,易（yì）產生亞表麵損傷和晶體缺陷,亟需深入研究。
3拋光技（jì）術對比及發（fā）展方向
3.1主要精密拋光技術比較
綜上所述,CMP不管是在實驗原理（lǐ）上,還（hái）是在實驗設置（zhì）上,都是最簡單、最容易實現的。但拋光液通常含有強酸或者強堿以及強氧化劑,對環境以及實驗者會產生危害,而（ér）且其拋（pāo）光效率已到了瓶頸。
目前增效化學機（jī）械（xiè）拋光得到了越來越多的關（guān）注,比如光催化輔助、超聲振動輔助、電（diàn）化學輔助、等離子體輔助、磁流變輔助、激光（guāng）預處理、預熱處理等增效方式（shì）。光催化輔（fǔ）助增（zēng）效方（fāng）式需（xū）要（yào）增加一套紫外光設備,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（yǒu）了較大的提高。超聲（shēng）振動輔助增效（xiào）方式在其他加工領域已（yǐ）被廣（guǎng）泛應用,而用於輔助（zhù）CMP時,需要在（zài）CMP設備的基礎上添加一套超（chāo）聲設備,目的是加快化學反應並提高機械去（qù）除（chú）能力。電（diàn）化學增效方式需要增（zēng）加一套電化學係統,並且工（gōng）件表麵容易留下（xià）電流腐蝕痕跡,導致（zhì）表麵質量下降。等離子體輔助增效方式需要複雜的等離（lí）子體產生和（hé）照射裝置,操作性差,但可（kě）得到階梯型微觀形貌,所得（dé）表麵（miàn）粗糙度極（jí）低,目前研究較少。磁流變輔助增效方式在（zài）很多領（lǐng）域（yù）得到應用（yòng）,需要製作特定（dìng）拋光墊,可以得到較為理想的拋光效果。對材料進行表麵預處理,能夠降（jiàng）低表麵硬（yìng）度,可以實現快速去除的目的,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生的影響,仍是目前的難題和挑戰。
高效（xiào）率地獲得光滑表麵是半導體產業的一個（gè）關鍵問題,因此材料去除率和表麵粗糙（cāo）度被認為是評價單晶SiC拋光工藝兩（liǎng）個最重要指標。不同拋光方（fāng）法之間的對比如表1所示。
單（dān）個方向增效可以獲得單個方麵的提高,比如光催化（huà）輔助（zhù）可以提升化學氧化作用,但如果機械作用無法與之同步,得（dé）到的加工效果則有（yǒu）限。
因此多個（gè）技術方向複合增效以達到化（huà）學氧化作用和機（jī）械去（qù）除作用同時提升的方法,引起（qǐ）了研究者的注（zhù）意。比（bǐ）如,2019年,Y.He等人開發了一種用於4H-SiC晶圓Si麵的電增強光催化（huà）拋光（guāng）方（fāng）法,如圖14所（suǒ）示。電流可以有效（xiào）地防止半導體顆粒表麵產生的電（diàn）子與空穴的複合,從而（ér）提高拋光效率。以P25為光催化劑（jì）、H2O2為電子捕獲劑的拋光液拋光性能最好,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（děng）人對SiC進（jìn）行了超聲（shēng）-電化學（xué）機械研拋實驗。實驗結果表明,在試件與拋光盤之間的電壓為（wéi）+10V時,材料去除率比無（wú）電壓時提高了55.1%;當對試件施加超聲-電場作用後（hòu）,材料去除率比無超聲時提高了91.7%。
2021年,T.Yin等（děng）人采用高（gāo）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（le）研究。結果表明:與常規空氣氣氛相比,將空氣氣氛中的氧(O2)分壓增加到300kPa,Si麵和（hé）C麵的材料去除率均增加超過2倍。實驗示（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（guāng）進行（háng）了研究,利用電場參數控製CMP中·OH的生成速率和總濃（nóng）度,實（shí）現·OH的持續、穩定、可控生成,加速（sù）SiC的氧化腐蝕作（zuò）用,從而達到與磨粒去除（chú）的協同效應,最終MRR為2358nm/h、Ra為0.372nm。
可（kě）以看出,利用複合（hé）能（néng）場輔助（zhù）CMP方法,可以取（qǔ）得較好的效果,但（dàn）是目前研究還不深入,多（duō）能場耦合下材料去除機理及工藝參（cān）數（shù）設置還需（xū）深入研究。
4結（jié）語
隨著SiC器件應用（yòng）範圍的不（bú）斷擴大,對SiC襯底的加工效（xiào）率及表麵（miàn）質量也提出（chū）了更高的要求。因（yīn）此可用於SiC超精密拋光的CMP工藝受到了廣泛關注。在當前的研（yán）究中,對CMP中拋光液、拋光墊、工藝參數等因素進（jìn）行了多方麵的選擇優化;並基於能場輔助提升化學和機械作用,進一步改善（shàn）拋光效果。
綜上（shàng）所述,可得出:①CMP拋光單晶SiC麵臨的主要（yào）問題是材料去除率低(MRR<200nm/h),這與SiC的強化學惰性有關（guān）,拋光過程中表麵氧化層的反應速率是影響加工效率的關鍵因素;②SiC表麵氧化層的形成和去除是揭示材料去除過程的基礎,弄清氧（yǎng）化層的反應機製和劃（huá）擦作（zuò）用有助於指導（dǎo）生產實踐;③增效CMP複合拋光方法的核心是增強SiC的化學作用,以提升材料去（qù）除率,取得的效果（guǒ）顯著,但新增加（jiā）的能場(聲、光、電等)會使材料的去除過程（chéng）變得複雜,不確定性增加;④多能場增效CMP拋光技術能夠實現效率和精度的提升,具有廣闊（kuò）的應用前景,然而,多能場激（jī）勵下的拋光去除機理、各參數與加工效果之間（jiān）的映射關係尚不清晰,需（xū）要深入研究。隨著加（jiā）工方法的不斷成熟,高頻、高（gāo）功率的SiC器件及電（diàn）路在未來將會發揮（huī）更大的作用。
來源：微納電子技術
作者：田壯智1,2,班新星1,2,3*,韓少（shǎo）星3,段天（tiān）旭1,2,鄭少冬1,2,朱（zhū）建輝3
(1.河南工業大學機（jī）電工程學院（yuàn）,鄭州450001;
2.河（hé）南（nán）省超硬磨料磨（mó）削裝備重點實驗室,鄭州450001;
3.鄭州磨（mó）料磨具磨削研究（jiū）所有限公司,鄭州450001）
聲明：我們尊重（chóng）原創，也注重分享；文字、圖片版權歸原作者所有。轉載目的（de）在於分享更多信息，不代表本號立場，如有侵犯您（nín）的權益請及時聯（lián）係，我們將（jiāng）第一時間刪（shān）除，謝謝！
