在科技日新月異的今天，單晶碳化矽（SiC）以其卓越的物（wù）理性能，正逐漸成為（wéi）高端製造領域的璀璨明珠。2024年，隨著超精（jīng）密（mì）加工技術（shù）的飛速發展，單（dān）晶SiC的加工研究取得了突破性進展，為材料加工領域（yù）注入了新的（de）活力（lì）。
單晶SiC作為一種具有高熱導率、高硬度、高抗腐蝕性的陶（táo）瓷材料，在航（háng）空（kōng）航天（tiān）、半（bàn）導體製造等領域具（jù）有廣泛的應用前景。然而，由於其高硬度和（hé）脆性，單晶SiC的超精密加工一直是困擾科研人員的難題。傳統的加工方法往往難以達到理（lǐ）想的加（jiā）工精度和（hé）表麵質量，限製了單晶SiC的廣泛應用。
近（jìn）年來，隨（suí）著超精（jīng）密加工（gōng）技術的不斷突破，單（dān）晶SiC的加工難（nán）題逐漸得到解決。科研人（rén）員通過深入研究單（dān）晶SiC的晶體結構和物理性（xìng）能，成功開發出了一係列新型的超精密加工（gōng）方法。這些方法不僅提高了加工精度和效率，還大幅改善了（le）加工表麵的（de）質量。
其中，激光輔助加工技術是一項備受矚（zhǔ）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（xiàn）高效、高精（jīng）度的加工。此外，納米壓印技術（shù）也展現出了巨大的潛力。利用納米（mǐ）尺度的模（mó）具，可以在單晶（jīng）SiC表（biǎo）麵實現微納結構的精確複製，為製（zhì）造（zào）高精（jīng）度、高複雜度的器件提供了有力支持。
除了技術突破外（wài），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（jiā）工設備（bèi）的創新。科研人員通過改進單晶SiC的製備工藝，提高了其純度和結晶度，為超精密加工（gōng）提供了更（gèng）好的材料基礎。同時，針對單晶SiC的加工（gōng）特點，研發了一係列專用的超精密加工設（shè）備，如高精度數控機床、超硬刀具等，為加工（gōng）過程提供了強有力（lì）的支撐。
單（dān）晶SiC超精（jīng）密加（jiā）工（gōng）技術的突破不僅推動（dòng）了（le）材料加工領域（yù）的發展（zhǎn），還為相關產業帶來（lái）了革命性的變革。在航空航天領域，單晶SiC的（de）高性能使得其成為製造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性能、高可靠性的芯片提供了有力保障。
展望未來，隨著單晶（jīng）SiC超精密加工技術的（de）不斷（duàn）發展和完善，相信其（qí）在更多領域的（de）應用將（jiāng）會得到拓展和深化。同時，我們也期待更多的科研（yán）人員和企業加入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（de）進一步發展，為人類（lèi）社會的科技進步（bù）和產業（yè）發展貢獻更多的力（lì）量。
摘要
單晶碳化矽(SiC)的高脆性、高硬性和（hé）強化學惰性是（shì）製約第三代半導體超精密拋光發（fā）展的關鍵,實現襯底高效率、超光滑表麵的加工具有挑戰性（xìng）。對於單晶SiC的化學機械拋光(CMP),分別從材料去除和（hé）工藝（yì）優化兩個維度（dù）出發,闡述了CMPSiC的影響因素和規律,指出了該方法的不足。介紹了光催化、超聲振動、電場、等離子體（tǐ）、磁流變、表麵預處（chù）理等輔助CMP拋光方法,分析了（le）複合增效拋光的去除（chú）機理和優勢（shì）。通過（guò）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（jiào）好的加工效果,然而,複合拋光技術涉及的能場複雜,多能場作用下的材（cái）料去除機製和工（gōng）藝參數匹配仍（réng）需進行深入研（yán）究。最後,對未來單晶（jīng）SiC超精（jīng）密加工的（de）研究給出（chū）了建議（yì）,並進行了展（zhǎn）望。
0引言
單晶碳化矽(SiC)由於具有較大的禁帶寬度、優良的（de）導（dǎo）熱性、高的擊穿（chuān）電場和良好的化（huà）學穩定性等優異物理和化學性能,被廣泛認（rèn）為是製造高壓（yā）、高頻和高溫條件下功率器件典型的第三代半導體材料。隨（suí）著SiC襯底加工工藝的不斷發展,高頻、高功率、抗輻射器件的應用日益增加。與矽(Si)基（jī）相比,基（jī）於SiC的大功（gōng）率器件（jiàn）具有功率密度更高、功耗更低和尺寸更小的優點。SiC器件已成功應用於電動汽車（chē）、高鐵、不（bú）間斷（duàn）電源、高壓電網和5G通信等領域。
在功率器件中,SiC襯（chèn）底的表麵粗糙度嚴（yán）重影響其（qí）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,獲得具有無表麵損傷、無亞表麵損傷(SSD)、原子級表麵粗糙度的超光滑表麵,是其廣泛應用的必要條件。單晶SiC由於其特殊的硬脆特（tè）性（xìng）和（hé）極強的化學惰性,導致可加工性差,特別是在超精密拋（pāo）光方麵尤為顯著。SiC襯底經過切割、研磨和機械拋光後,表麵(或亞表麵)會（huì）出現許多損傷（shāng）,如劃痕和裂紋。為了降低表麵（miàn）粗糙度和去除表麵缺陷,對單晶SiC進行精密拋光是必（bì）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（guó）內外（wài）學者一直致（zhì）力於對SiC的（de）研究。
1化學機械拋光
化學機械拋光(CMP)技術出現於20世紀中期,由於能夠（gòu）同時對玻璃和金屬進行平坦化,因而引起（qǐ）了人們的極大關注。CMP能夠同時實（shí）現全（quán）局和（hé）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（dù）,表麵粗糙度為亞（yà）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（liào）等表（biǎo）麵（miàn）超精密加工中。
在拋（pāo）光過程中（zhōng）,工件表麵與拋（pāo）光液接觸,發生化學反應,生成軟質層。工件在（zài）壓力作用下與拋光墊相（xiàng）對運動,其表麵的（de）軟質層被拋光（guāng）液中的磨料劃（huá）擦（cā）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,總體來講,CMP的去除機理具（jù）有複雜性,現有的機理研（yán）究仍存在局限性,大（dà）多是在某一（yī）方麵對拋光過程進行建模和分析,CMP去除模型依然（rán）無法得到統一,但是國內外學者關於CMP中機（jī）械、化學協同耦合作用方麵的研究和（hé）探索從未停止,尤其是在去除機理仿真（zhēn）和加工工藝研（yán）究兩個方麵。
1.1 SiC CMP加（jiā）工機理仿真研究
為（wéi）了實現芯片襯底的高效低損傷加工（gōng）,必須係統研究超精密（mì）加工單晶SiC的材料去除機理以及（jí）表麵損傷的產生機（jī）理。
2020年,Z.G.Tian等人采用分（fèn）子動力學模擬方法（fǎ）,對（duì）4H-SiC和6H-SiC的C麵和Si麵（miàn）進行了劃痕實（shí）驗,研究（jiū）表明,與Si麵相比,C麵的非晶態變形更少,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（wéi）不同試件在不同劃擦（cā）深度下無（wú）定型原（yuán）子數和位錯（cuò）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（jī）分布的固結磨料拋光（guāng）SiC基（jī）片的表麵形貌、亞表麵損傷特征。結果表明,多磨粒在單一粗糙（cāo）麵中的暴露高度和磨粒分布決定了SiC襯底（dǐ）的去除行為;金剛石顆粒在固結磨料拋光墊中的隨機分（fèn）布會使加工（gōng）質量變差。
在CMP中除了存在與（yǔ）機械拋光相似的磨料劃擦作（zuò）用（yòng）外,化學作用的影響也至關重要。2021年,孫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（zhì）。結果表明,SiO2在拋（pāo）光過程中比金剛石更容易發生化學反應,原（yuán）因是其通（tōng）過（guò）與SiC表麵原（yuán）子持（chí）續成鍵和斷鍵來實現原子去除（chú）。2023年,Z.W.Yuan等人研（yán）究了SiC在羥基自（zì）由基(·OH)水溶液中的原子行（háng）為。結（jié）果表明,在隻發生化學（xué）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（xiè）作用下（xià）,部分Si和C原子以（yǐ）SiO、SiO2、CO、CO2或鏈狀（zhuàng）結構脫離基體,其餘Si和C原子（zǐ）則以吸附方式脫離基（jī）體,如圖3(b)所示。這些研究（jiū）有助於從原子層麵（miàn）上解釋CMP中原子氧化去除的動（dòng）力學過程,為揭示材料去除機理提供了一種有價值的方法。
目（mù）前采用（yòng）分（fèn）子動力學手段（duàn）對材料去（qù）除機理以及表麵損傷機理的研究逐漸深入（rù）,但依然麵臨諸多問題（tí）,比如模型設置、尺寸效（xiào）應等,與實際（jì）生產加工存在差異。
1.2 SiC CMP工藝研（yán）究
近年來眾多學者在CMP工（gōng）藝方麵開展了大量的研究工作,主（zhǔ）要集中在拋光液的配製、拋光墊選擇與製備以及（jí）拋光（guāng）工藝優化等方麵。
1.2.1拋光液
在化學作用方麵,拋光液起（qǐ）主導作（zuò）用。其作用是將工件（jiàn）表麵的材料氧化,生成一層質地較軟且與基（jī）底結合（hé）力（lì）較弱的氧化膜,然後通過機械劃擦將氧化膜（mó）去除（chú）,以達（dá）到拋光的目的。影響拋光液性能的因素有氧化劑、pH值、分散劑、磨料等。
2013年,G.S.Pan等人將（jiāng）含H2O2、氫氧化鉀（jiǎ）(KOH)和（hé）二氧化矽的拋（pāo）光液引入6H-SiC襯（chèn）底Si麵的化學（xué）機（jī）械拋光中,研究了這3種成（chéng）分對襯底材料去除率、表麵粗糙度（dù）的影（yǐng）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%、二氧化矽顆粒質量分數為30%時,材料去除率(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（mó）擦磨（mó）損的方式研究了添加不同氧化劑(H2O2、KMnO4和Fenton試劑)的拋光液（yè）對單晶6H-SiC的（de）影響,如圖4所示。實驗顯示（shì）SiC在不同拋（pāo）光液中的MRR不同,其中添（tiān）加（jiā）KMnO4的拋光液的MRR最高,不含氧化劑的矽溶（róng）膠拋光液的MRR最（zuì）低。這表明氧化劑種類、pH值是影響CMP的重（chóng）要因素。
分散劑的作（zuò）用是使磨粒均勻地懸浮分散（sàn）在拋光液中,並具有足夠的分布穩定性（xìng）。2022年,W.T.Wang等（děng）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)和它們的（de）三嵌段共聚物聚(丙烯酸（suān）)-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襯底能獲得（dé）更好的去除率和更低的表麵粗糙度（dù）。
目（mù）前研究中磨料種（zhǒng）類是多樣的。常（cháng）見磨料包（bāo）括金（jīn）剛石、碳化硼(B4C)、SiC、Al2O3、SiO2和二氧化鈰(CeO2),其莫（mò）氏硬度分別為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（dǐ）CMP拋光的機械作用。
除了單一磨料外,混合磨（mó）料也得到了研究。混合磨料拋光液(MAS)包含兩種或更（gèng）多種類型固相磨料,如ZrO2/SiO2、納米金剛石/SiO2、聚合矽酸鎂（měi）鐵鋁鋅/SiO2、SiO2/CeO2和ZrP/Al2O3等。與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（zhōng）添加質量分數10%金剛石（shí）磨料（liào）可以將MRR從60nm/h增加（jiā）到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磨料（liào）粒徑的矽溶膠對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（mó）料粒徑較大時會導致不規則的平台邊緣。反（fǎn）之（zhī）,如果磨料粒徑較小,材料的去除將更規（guī）則,並（bìng）且平（píng）台邊緣將更平坦和光滑,指出（chū）磨料粒（lì）徑是決定CMP效（xiào）率和（hé）晶圓表麵最終平坦化（huà）質量的重要因素。圖5所示為不同（tóng）粒徑SiO2磨（mó）料拋光（guāng）後的表（biǎo）麵,其中常規尺寸磨料平均（jun1）粒徑30.8nm,大尺寸磨料平均粒徑79.3nm。
在目前（qián）的報道中,對於拋（pāo）光液的研究思路包括改變氧化劑的種類和濃（nóng）度、溶液pH值、分散劑、磨料等方法。通過調節（jiē）拋光液中不同成分的含量（liàng）,控製機械磨（mó）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（de）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,其自身性質（zhì）、所受外力均會（huì）影響拋光效果（guǒ）。
2017年,D.Lee等人通過有限元分（fèn）析與實（shí）驗（yàn）相結合的方法（fǎ）測（cè）算了（le）不同型號聚氨酯拋光墊的彈性模量與泊（bó）鬆比。該研究為之後CMP工藝中應（yīng）力分布研究奠定（dìng）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（de）拋光墊（diàn）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（shù）為5%的條（tiáo）件（jiàn）下,聚氨（ān）酯拋光（guāng）墊的拋光效果最（zuì）好。
為了進一（yī）步（bù）提高拋光效率和表麵質量,新（xīn）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顆粒（lì）浸漬在聚氨酯基體中,形成固結磨料拋光墊,研究了固結磨料拋光墊拋光SiC晶片的表麵特性和材料去（qù）除率,並與聚氨酯拋光墊進行了對比。結果表明,用含質量（liàng）分數1%Fe和質量分（fèn）數3%Al2O3的拋光墊拋光時,材料（liào）去除率提高了73%,並且拋光後的表麵無（wú）損傷。該工藝不僅縮短了（le）拋光時間,而且降（jiàng）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料拋光墊(SR-FAPP),用聚氨酯拋光墊和（hé）SR-FAPP對SiC晶片（piàn）進行CMP後,發現前者材料去除（chú）率高於（yú）後者,在微觀形（xíng）貌上,後者拋光後的SiC晶片表麵的劃痕（hén）明顯減少,有效（xiào）改善了拋光後SiC晶片表麵劃（huá）痕的不均勻性。
作為CMP機械作用（yòng）中的重要部（bù）分（fèn）,拋光墊的選（xuǎn）擇或製備是實驗和生產中的必要一環,其製作（zuò）材料、鑲嵌磨粒類型及分布等均對拋光效果有著較大影響（xiǎng）。
1.2.3工（gōng）藝優化
在CMP中,拋光效果（guǒ）是多個工藝參數耦合的結果,探究壓力、轉速、粒徑、拋光液體積流量對材料去除率和表麵粗糙度的影響規律,優化工藝參數是提高拋光（guāng）效果的（de）有效措施。2013年,J.X.Su等人研究了拋光盤轉速、拋光壓力和磨料尺寸等CMP工藝（yì）參數對材料去除率的影響。研究（jiū）結果表（biǎo）明,材料去除率隨（suí）著磨料尺寸、轉速和（hé）拋光壓力的變化而（ér）顯著變化。在相（xiàng）同條件下,Si麵的MRR大於C麵。2021年,龐龍飛等人調（diào）整拋光液體積流量、轉速、壓力等工藝（yì）參數對SiC晶片進行對比實驗,最終經過參數（shù）優（yōu）化（huà）,得到了Ra為0.099nm的光滑表麵。2022年,章平等人較為詳細（xì）地研究了工藝參數對（duì）拋（pāo）光的材料去除率以及表麵粗糙度的影響。通過調節拋光壓力、轉速、拋光液體積流量,探究了工（gōng）藝參數對SiC加工過程中氧化膜去除率(機械作用)的作用規律。結果表明壓力、轉速（sù）、拋（pāo）光液體積流量（liàng）分別為38.68kPa、120r/min、90 mL/min時,化學作用與（yǔ）機械作用最接近於平衡（héng）點,此時MRR為92nm/h,Ra的最低值為0.158nm。
工（gōng）藝參（cān）數與MRR、Ra之間的關係也可以通過建立模型來進行預測,為SiC的CMP加工（gōng）提（tí）供參考。2021年,J.Y.Deng等人基（jī）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（lì）了MRR和Ra的預測模型,如（rú）圖6所（suǒ）示。結果（guǒ）表明,隨著FeSO4質量分數（shù）、H2O2質量分數和（hé）pH值的升高,MRR呈先升高後（hòu）降低的趨（qū）勢（shì）,拋光後Ra呈（chéng）先（xiān）降低後升高（gāo）的趨勢。隨著磨料粒徑、磨料濃度、拋光壓力和拋光速度的增加,MRR不斷（duàn）增大（dà）。Ra隨磨（mó）料粒徑和磨料（liào）濃度的增加（jiā）而不斷減小,隨著拋光壓力的增加（jiā）而增大,隨著拋光速度的增加而先減小後增大。不難看出（chū）,在SiC單（dān）晶的CMP中通過工藝優化,對拋光效（xiào）果起到了一定的改善和提高作用。
綜上所述,目前（qián）CMP的研究比較全麵,涉及了分子動力學仿（fǎng）真模擬和各因素實驗分析,為SiC單（dān）晶的超精密拋光生產、應用提供（gòng）了大量（liàng）的理論和實驗依據。但是,由於SiC的強化學惰性,在CMP拋光過程中工（gōng）件表麵的（de）化學反應速率有限,材料去除率遇（yù）到瓶頸。
2增效化學（xué）機械拋光（guāng）
目（mù）前化學機械拋（pāo）光的材料去除率以及加工後的表麵粗（cū）糙（cāo）度,已經很難通過改變工藝取得大的突破。在CMP拋光的基礎上施加增（zēng）效輔助,成為了（le）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。
2.1光催化化學機械拋光
光催化化學（xué）機械拋光(PCMP)示意圖如圖7所示。將單晶SiC工（gōng）件粘貼在（zài）拋光頭底端,使用含有光催化（huà）劑的拋光液,通過（guò）紫外光的照射（shè）,光催化劑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-可通過光生電子和空穴氧（yǎng）化成羥基（jī）自由基,然後將單晶SiC表麵氧化（huà）成SiO2,化學（xué）反應式為
可以看出通過機械（xiè）劃擦能夠（gòu）輕易去除SiO2層,實現工件的平（píng）坦化加工。
2021年（nián）,W.T.Wang等人研究了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（wéi）6、TiO2質（zhì）量分數（shù）為（wéi）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（rén）將MAS與光催化效應相（xiàng）結合,通過使用由Al2O3和ZrO2磨料組成的（de）MAS,在UV照射下獲得了694nm/h的材料去除率和0.489nm的表麵粗糙度（dù）。實驗研究結果（guǒ）表明,UV-TiO2的引入可以提高拋光（guāng）效率,但其作用機（jī）製還需要進一步探討（tǎo）。
2022年,Y.He等人（rén）通過反應分子動力學模擬和實驗的方法,研究了PCMP羥基自由基水溶（róng）液中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（mǐ）顆粒在拋光過（guò）程中促進化（huà）學反（fǎn）應的行為。Si/C原子主要以SiO、CO、SiO2和CO2的形式（shì）斷裂或逃逸。此外（wài）,X射線光電（diàn）子能譜(XPS)和納米壓（yā）痕的結果也驗證了PCMP化學和機械相互促進的去除（chú）機製。通過檢測（cè）到（dào）的（de）氧化產物、表麵硬度,表明該工藝活化並去除SiC材料,產生光滑且無（wú）損傷的表麵,Ra為0.269nm。
2023年,H.Lee從摩擦學角度對（duì）CMP、MASCMP和PCMP進行了比較（jiào）研究。實驗結果表明,PCMP具有更高（gāo）的摩（mó）擦力和MRR,這可能是（shì）由TiO2顆粒光催化氧化導致的。
目前,有關PCMP的研究涉及（jí）多個方麵,包括（kuò）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（yǐ）極大地提高拋光中（zhōng）的氧化（huà）反應速率,從而改善拋（pāo）光效果。此外,PCMP是一種高效、清潔的SiC襯底拋光方法,且不釋放對環境（jìng）和人體健康有害的化學物質（zhì）。
2.2超聲振動（dòng）輔（fǔ）助化學機械拋光
超聲振動輔助化學機械拋光（guāng）(UVACMP)是一種經濟有效地提高SiC單晶拋光性能的技術（shù）。通過超（chāo）聲波發生器將（jiāng）電信（xìn）號轉換成超聲振動,超聲振動作用在拋光區,使拋光液中磨（mó）料更加分散,並且使磨料獲得一定動能,加（jiā）大了拋光中的機械作用,同時振動過程中產生的熱促進了拋光中的化學（xué）作（zuò）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）子動力學方法建立SiC原子（zǐ）模型,分（fèn）析了刻劃過程超（chāo）聲振動對（duì）SiC晶體結構、溫度、法向力和切（qiē）向力的影響規律,同時也分析了振動頻率對拋光質量（liàng）及材（cái）料去除率的影響。結（jié）果表（biǎo）明:超聲振動的引入將大幅（fú）降低磨粒所受平均切向力和法向力,從而有利於（yú）刻劃加工的進行及其表（biǎo）麵質量的（de）提高;但當振動（dòng）頻率超過一定值後,超聲振（zhèn）動對材料去除率和表麵質量的影響不大。通（tōng）過分子動力學仿真,研究了（le）超（chāo）聲輔助劃擦的微觀去除機理,為實驗研究提供了理論依據。
2018年,Y.Hu等人提出超聲化學機械拋光方法,進行（háng）了有、無超聲振動輔助的對比（bǐ）實驗。結果表明,超聲CMP能有效地降低工件的表麵粗糙度的峰穀值(PV),超聲振動輔助可以促進化學反應,提高拋光效率,改善表麵質量,最終MRR為1057 nm/h、表麵（miàn）粗糙度PV為0.474μm。2022年,X.Chen等人提出了一種利用超聲振動、Fenton氧化和（hé）機械衝（chōng）擊複合機理對SiC進行高效拋光的（de）超聲（shēng）振動化學輔助拋光方（fāng）法（fǎ）。超聲（shēng）和Fenton氧化的相互作用（yòng）實（shí）現了更高的拋光效率和質（zhì）量,與機械拋光(MP)相比,MRR提高了19.51%,Ra降低（dī）了（le）18.3%。這是由於化（huà）學拋光液產生的·OH氧化（huà）與超聲振動機械（xiè）去除的協同促（cù）進作用所致。
有學（xué）者對超聲振幅和頻率的變化進（jìn）行了研究（jiū）,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低。施加超聲振動輔助在其他形式的加（jiā）工中已得到成熟應用,在化學機械拋光SiC領域也取得了不錯的效（xiào）果,可以同時增強化學反應和機械作用,有助於提升材料去除率,但加工表麵（miàn）質量改（gǎi）善幅度不大,有待優（yōu）化研究。
2.3電化學機械拋光
電化學機械（xiè）拋光(ECMP)示意圖如圖9所示。ECMP是一種利用電解液作（zuò）為拋光液（yè）,將工件的電化學腐（fǔ）蝕與機械拋光相結合的精密工藝。在單晶SiC(作為陽極)表麵帶電後通過陽極氧化產生氧化層,然後用軟磨（mó）料機械去除氧化層,最後獲得超光滑無損傷的表麵。
2015年,H.Deng等人采用CeO2拋光液作為陽極氧化的電解液和（hé）拋光介質去（qù）除氧化層。由於陽極氧化的結果,表麵硬度從34.5GPa下降到1.9 GPa。結果表明,ECMP材料的去除率（lǜ）為3620nm/h。采用CeO2拋光液進行了30 min的ECMP,工件原有劃痕均被去除,獲得了光滑（huá）的表（biǎo）麵,均方根(RMS)粗糙度為0.23nm,如圖10所（suǒ）示。該實驗獲得了理想的拋光（guāng）效果（guǒ）,但是對於拋（pāo）光（guāng）中氧化機理的研（yán）究不夠深入。
2020年,X.C.Yin為了闡明SiC表（biǎo）麵陽極氧（yǎng）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（zuò）用,改性表麵的主要元素為（wéi）Si和O,說明改性後的SiC表麵形成了SiO2氧化層。並且,他提出一種（zhǒng）基於內外雙向擴散理論（lùn）的陽（yáng）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氧化SiC(Si—C—O)的過渡層,以（yǐ）此來揭示該方法的去除機（jī）理。
2021年,X.Z.Yang等人研究了溫度、表（biǎo）麵損傷、摻雜濃度和應變（biàn）對SiC氧化速率的影響規律（lǜ）,這些因素對SiC的陽極氧化有促進作用。加工損（sǔn）傷和摻雜對SiC陽極氧化的促進作用主要是由SiC表麵的加工殘餘應變和摻雜應變引起的。壓縮應變和拉伸應變均能提高SiC的陽極氧化速率。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利用效（xiào）率保持（chí）恒定,當電流密度大於30mA·cm-2時,電荷利用效（xiào）率顯著降低,導致MRR顯著降低。
ECMP的關鍵是（shì）如何控製電氧化速率,電流密度、工件原始表麵和亞表麵質量是（shì）影響加工效果的重要因素。
2.4等離（lí）子體輔助拋光
等（děng）離（lí）子體輔助拋光(PAP)是一種（zhǒng）將大氣等（děng）離子體照射與軟磨料拋光相結合的精密拋光技術。PAP技術（shù）由K.Yamamura於2010年提出,圖11為PAP示意圖(圖中（zhōng）DPM為露點儀,MFC為（wéi）質量流量控製器、UPW為超純水),該裝置由（yóu）獨立安裝的等離子體產生和機（jī）械去除部分組成（chéng）。大氣等離子（zǐ）體輻照可在單晶SiC表麵形成氧化層,通（tōng）過機械裝置去除氧化（huà）層（céng）後（hòu）,獲得無內（nèi）應（yīng）力、無SSD的原子級光滑表麵。
2012年（nián）,H.Deng等人（rén）提出了一種新型的等離（lí）子體輔助（zhù）拋光技術（shù）。該技術利用（yòng）氦基水（shuǐ）蒸（zhēng）汽等離子體（tǐ）對SiC表麵的力學和化（huà）學性能進行了改（gǎi）性。X射線光電子能譜測試結果表明,等離子（zǐ）體輻照後表麵得到有效（xiào）氧化,主要（yào）產物為SiO2。白光幹涉儀掃描圖像顯示,PAP處理後的表麵（miàn）劃痕消失,Ra、均方根粗糙度也（yě）從4.41nm、0.621nm分別下（xià）降到1.889nm、0.280nm。利用透射電子（zǐ）顯微鏡對PAP處理後的表麵進行了觀察,結果表明幾乎（hū）沒有引入結（jié）晶缺陷。2014年,H.Deng等人對等離（lí）子體氧化和磨料拋光進行了優（yōu）化,發現當氦氣中水蒸汽質量分數較（jiào）低時,等離子體（tǐ）氧化速率大大提（tí）高。2013年（nián）,H.Deng等人[60]將水蒸汽等離子（zǐ）體輻照和CeO2磨料拋光相（xiàng）結合,獲（huò）得了（le）一個均（jun1）方根粗糙度約0.2nm原子（zǐ）級平（píng）麵的4H-SiC表麵,其具有有序的台階/平台結（jié）構。水蒸汽等離子體氧化（huà）碳化矽（guī）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（yǐn）起晶體亞（yà）表麵（miàn）損傷。
2016年,H.Deng等人將等離子體（tǐ）化（huà）學氣化加工(PCVM)和等離子體輔助拋光相（xiàng）結（jié）合,采用非接觸式幹法刻蝕（shí）PCVM去除SSD層,以及采用等離子體改性（xìng）和軟磨料拋光相結合的PAP對SSD層進行（háng）無損傷拋光。PCVM處理5 min後,雖然表麵粗糙度（dù）略有提（tí）高,但研磨形成的劃痕和SSD層被完全去除。經PAP處理後,獲得了（le）均方根粗糙度為0.6nm的無劃痕表麵。
PAP技術可以獲得原子（zǐ）級（jí）光滑表麵,且無亞表麵損傷,但是材料去除率低,設備昂貴（guì）,從而限製了該技術的發展和應用。
2.5磁流變輔（fǔ）助拋光
磁流變輔助拋光引入磁流變彈性體(MRE),與化（huà）學機械（xiè）拋光相結合,在外（wài）加磁場、磁性（xìng）拋光墊、氧化還原反應的共同作用下,提（tí）高工件的材料去除（chú）率,降（jiàng）低表麵粗糙度,實現對工件的（de）超精密加工。磁流變輔助拋光示意圖如圖12所（suǒ）示。
2022年,D.Hu等人製（zhì）備了聚（jù）氨酯基磁流變彈性體拋光墊（diàn）,將（jiāng）其（qí）用於單晶SiC的磁控力學性能（néng）、磁拋光效果的研究。采用（yòng）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（guǒ）表明:隨著磁場強度的增加,MRE拋光墊的剪切（qiē）模量增大,拋光過程的材料去除率增大（dà）,表麵粗糙度（dù）減（jiǎn）小。2022年,鄧子默[63]通過單因素實驗分（fèn）析了工作間隙（xì）、通（tōng）電電流和拋光時間對單晶SiC磁流變拋光效果的影響。獲得了亞納米級表麵粗糙度（dù）,指出Ra隨電流（liú）的增大而減小,隨工作間隙的增大而增大（dà）。
為了提升磁流變拋光中的（de）化學作用,引入Fenton反應成（chéng）為新的研究方向（xiàng）。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（wéi）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,並基於工件表麵磁流變效應計算了拋光墊的拋光力。在此基礎上,根據Preston方（fāng）程,建立了材料去除模型（xíng）。通過對單晶SiC晶片進行CMRF測試,發現測試（shì）結果與理論計算結果一致。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（de）固相（xiàng）催化劑,對單晶SiC進行化學機械拋光（guāng）。結果表明,在MRE中使用Fe3O4/CIP作為固相（xiàng）催化劑,對拋光SiC進行非均相Fenton反（fǎn）應,可大幅度提高MRE拋光墊的材（cái）料去除能力,同時改善拋光質量。
在CMP中引入磁場,可（kě）以有效提高材料去除率和表麵（miàn）質量。此外,在特製拋光（guāng）墊中加入（rù）Fenton反應（yīng）催化劑,也是一種（zhǒng）行（háng）之有效的（de）方法（fǎ）。
2.6表（biǎo）麵預處理輔助拋光
表麵預處理輔助是指在CMP之（zhī）前,對（duì）工件表麵（miàn）施加其他能量形（xíng）式進行預處理,以達到（dào）降低表麵初始硬度,易於拋（pāo）光的目的（de）。表麵預處理的方式多樣,如激光預處理（lǐ）、熱氧化預處理等（děng）。
2019年,B.B.Meng等人采（cǎi）用分子動力學方法（fǎ）,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（gōng）性和（hé）去除機理。結果表明: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（miàn）結構有效地提高了去除率,減小（xiǎo）了亞表麵損（sǔn）傷深度。SiC改性層在納米級加工過程中的去除機製與未處理表麵的（de）不同,當預（yù）設加工深度大於改性（xìng）層深度時,去除（chú）和變形機製的主要形式由非晶化和位錯運動轉變為非晶化和塊（kuài）狀剝落,表麵改性（xìng）有效地降低了磨粒磨損程度。
2021年,B.Gao等人提（tí）出了一種皮秒激光（guāng）輔助CMP方法（fǎ）,首（shǒu）先用皮秒激光對SiC的Si麵進行預處（chù）理,然後進行拋光。結果表明:皮秒激光預處理(PLP)產生的波紋（wén）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。與非激光預處（chù）理樣（yàng）品相比,激光預處理後樣品的材料去除率在拋光時前（qián）45 min顯著提高,而表麵粗糙度顯（xiǎn）著降低,如圖13所示。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。結果表明,該技（jì）術可使表麵（miàn）氧含量增（zēng）加（jiā）,且氧化物成分（fèn）一致,用Al2O3拋光液（yè）拋光後（hòu）,Ra低至0.081nm。
除了高能激光（guāng）對表麵預處理的方式外,采用熱氧（yǎng）化手段進行表麵預（yù）處理也取得了較好效果。2018年,H.Deng等人采用熱氧化預處理（lǐ）與軟磨（mó）料拋（pāo）光相結合的拋光工藝,實現了4H-SiC的原子尺度無損傷加工。通過熱氧化預處理,C麵的硬度從4.6GPa降低到（dào）1.7GPa,使用CeO2拋光液高效拋光。對於未預處理的常規CeO2拋光液拋光,拋光16h後仍存在劃痕,而對熱氧化表麵進行拋光,拋光3h即可（kě）獲得無劃（huá）痕且SiC原子排（pái）序良（liáng）好的表麵。將表麵預處理（lǐ）和軟磨料拋光相結合的方法（fǎ）能夠實現4H-SiC的C麵原子尺度無損（sǔn）傷加工。盡管表（biǎo）麵預處理可以應用於多種材（cái）料,但是目前很（hěn）難實現表麵精準處理,易產生亞表麵損傷和晶體缺陷,亟需深入研究。
3拋光技術對比（bǐ）及發展方向（xiàng）
3.1主要精密拋光（guāng）技術比較
綜上所述,CMP不管是在實驗原理上,還是在實驗設置（zhì）上,都是最簡單、最容易（yì）實現的。但（dàn）拋（pāo）光液通（tōng）常含有強酸或者強（qiáng）堿（jiǎn）以及強氧化劑,對環境以及實驗者（zhě）會產生危害,而且其拋光效率已到了瓶頸。
目前增效化學機械拋（pāo）光得到了越來越多的關注,比如光催化輔助、超聲振動輔（fǔ）助、電化（huà）學輔助、等離子體輔助、磁流變輔（fǔ）助、激光預處（chù）理、預熱處理等增效方式。光催化輔（fǔ）助增效方式需要增加（jiā）一套（tào）紫外光設備,拋（pāo）光液（yè）中需添加光催化劑,得到的表麵質量（liàng）和（hé）拋光效率相對於CMP有了較大的提高。超聲振動輔助增效方式在其他加工領域已被廣泛應用,而用於輔助CMP時,需要在CMP設備的基礎（chǔ）上添加一套超聲設備,目的是加（jiā）快（kuài）化學反應並提高機械去除能力。電化學增效方式需要增加（jiā）一套電化學係統,並且工件表麵容易留下電流腐蝕痕跡（jì）,導致表麵質（zhì）量下降。等離子體輔助增效（xiào）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,所得表麵粗糙度極（jí）低,目前研究較少。磁流（liú）變輔助增效方式在很多領域得到應用,需要（yào）製（zhì）作特定拋光（guāng）墊,可以得到較為理想的拋光效果。對材料進行表麵預處理,能夠降低表（biǎo）麵硬度,可以（yǐ）實現快速去除的目的,但是對於控製預處理的厚度以及（jí）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（tí）和（hé）挑戰。
高效率地獲（huò）得光滑表（biǎo）麵是半導體產業的一個關鍵問題,因此材料去除率和表麵粗糙度被認為是評（píng）價單晶SiC拋光工藝兩個最重要指標。不同拋光方法之間的（de）對比如表1所示。
單個方向增效可以獲得單個方麵的提高,比如光催（cuī）化輔助可以（yǐ）提升化學氧化作用,但如果機械作用無法與之同步,得到的（de）加（jiā）工效果則有限。
因此多個技術方向複合增效以（yǐ）達到化學氧化作用和機械去除作（zuò）用同時提升的方法,引起了（le）研究者的注意。比如,2019年,Y.He等人開發了一種用於4H-SiC晶圓Si麵的電增強光催化拋（pāo）光方法,如圖14所示。電流可（kě）以有效地防止半導體顆粒表麵產生（shēng）的電子與空穴（xué）的複合,從而提高拋光效率。以P25為光（guāng）催化劑、H2O2為電子捕獲劑的拋光（guāng）液拋光性能最好,MRR約為（wéi）1180nm/h,在1.0μm×1.0μm範圍內,Ra約為0.053 nm。2019年,翟（zhái）文傑（jié）等人對SiC進（jìn）行了超聲-電化學機械研拋實驗。實驗結果表明（míng）,在（zài）試件與拋光盤之間的電（diàn）壓為+10V時,材料去除率比無電壓時提高（gāo）了55.1%;當對試件施加超聲-電場作用（yòng）後,材料去除率比無超聲時提高了（le）91.7%。
2021年,T.Yin等（děng）人采用高濃度氧氣氛圍與光催（cuī）化輔助拋光相結合,對SiC襯底CMP特（tè）性進行了研（yán）究。結果表明:與常規（guī）空氣氣氛相比,將空（kōng）氣氣氛中的氧(O2)分（fèn）壓增加到（dào）300kPa,Si麵和C麵的（de）材料去除率均增加（jiā）超過2倍（bèi）。實驗示意圖如圖15[72]所示。2022年,鄧家雲使（shǐ）用Fe3O4作為催（cuī）化劑,對電Fenton化學機械拋光進行了研究,利用電場參（cān）數控製CMP中·OH的生成速率和總濃度,實現·OH的持續、穩定、可控生（shēng）成,加速SiC的（de）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。
可以看出,利用複合能場輔助CMP方法,可以取得較好的效（xiào）果（guǒ）,但是目前研究還不深入（rù）,多能場耦合下材料去除機理及工藝參數設置（zhì）還（hái）需深入研究。
4結語
隨著SiC器（qì）件應用範圍（wéi）的不斷擴（kuò）大,對SiC襯底的加（jiā）工效率及表麵質量也提（tí）出了更高的要求。因此可（kě）用於SiC超精密拋光的（de）CMP工藝受到了廣泛關注（zhù）。在（zài）當（dāng）前的研究中,對CMP中拋光液、拋光墊、工藝參數等因素進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,進一步改善拋光效果。
綜上（shàng）所述（shù）,可（kě）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（xìng）有（yǒu）關,拋光過程（chéng）中表麵氧化層的（de）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（jiē）示材料（liào）去除（chú）過程的基礎,弄（nòng）清氧化層的反應機製（zhì）和劃擦作用有助於指導生產實踐;③增效（xiào）CMP複合拋光（guāng）方法的核心是增強SiC的化學作（zuò）用,以提升材料去除率,取得的效果顯著,但新（xīn）增加的能（néng）場（chǎng）(聲、光、電（diàn）等)會使材料的去除過程變得複雜,不確定性增加;④多能場增效（xiào）CMP拋（pāo）光技術能（néng）夠實現效率和精度（dù）的提升,具有廣闊的應用前景,然而,多能場激勵下的拋光去除機理、各（gè）參數與加工（gōng）效果之間的映射關係（xì）尚不清晰,需要深入（rù）研究。隨著加（jiā）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的作用。
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（yè）大學（xué）機電工程學（xué）院,鄭州450001;
2.河南省超硬磨料磨削裝備重點實驗（yàn）室,鄭州（zhōu）450001;
3.鄭（zhèng）州磨料磨（mó）具磨削研（yán）究所有限公司,鄭州450001）
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