在（zài）科（kē）技日新月異的今天，單晶碳化矽（guī）（SiC）以其卓越的物（wù）理性能，正逐漸成為高端製（zhì）造領域的璀璨明珠（zhū）。2024年，隨（suí）著超精密加（jiā）工技術的飛速發展，單晶SiC的加工研究取得了突破性進展，為材料加工領域注（zhù）入了新的（de）活力。
單晶SiC作為一種具有高熱導率（lǜ）、高硬度、高抗腐蝕性的陶瓷材料，在航空航（háng）天、半導體製造等領域具有廣泛的應用前景（jǐng）。然而，由於其高硬度和脆性，單晶SiC的超精密加工一直是困擾科研人員的難題。傳統（tǒng）的加工方法往往難以達到理想的加工精度和表麵質量，限製了單晶SiC的廣泛應用。
近年來，隨著超精密加（jiā）工（gōng）技術的不斷（duàn）突破，單晶SiC的加工難題（tí）逐漸得到解決。科研人員通過深入研究單晶SiC的晶（jīng）體結構和物理性能，成（chéng）功開發出（chū）了一係列新型（xíng）的超精密加（jiā）工方（fāng）法。這些方法（fǎ）不僅提高了加工精度和（hé）效率，還大幅改善了加工表麵的質量（liàng）。
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（bù）加熱（rè），降低其硬度和脆性，從而實現（xiàn）高效（xiào）、高精度的加工（gōng）。此外，納米壓印技術（shù）也展（zhǎn）現出了巨大（dà）的潛力。利用納米尺度的模具，可以在單晶（jīng）SiC表（biǎo）麵實現微納結構的精確複製，為製（zhì）造高（gāo）精度、高複雜度的器件提供了有力支持。
除了技術突（tū）破外，單（dān）晶SiC超精密加工的研究還（hái）涉及到了材料性能的（de）優化和（hé）加工設備的（de）創新。科研人員通過改進單晶SiC的製備工藝，提高了其純度（dù）和結晶度，為超精密加工提供了更好的材料基（jī）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工（gōng）設備，如（rú）高精度數控機床、超硬刀具等，為（wéi）加工過程提供了強有力的（de）支撐。
單晶SiC超精密加工技術的突破不僅推動了材料（liào）加工領域的發展（zhǎn），還為相（xiàng）關產（chǎn）業帶來了革命（mìng）性的變（biàn）革。在航空航天領域，單晶SiC的高性能使得其（qí）成為製造（zào）先進發動機（jī）和高溫結構件的理想（xiǎng）材料。在半導體製造領域，單晶SiC的優異性能為製造高性能（néng）、高可靠性的芯片提供了有（yǒu）力保障。
展望未來，隨著單晶SiC超精密加工技術的不斷發（fā）展（zhǎn）和完善，相信其在更（gèng）多領域的應用將會（huì）得到拓展和深化。同時，我們也（yě）期待更多的科（kē）研人員和企業加（jiā）入到（dào）這一領域的研究和開（kāi）發中，共同推動單晶SiC超精（jīng）密加工技術的進一步發展（zhǎn），為人類社會的科技進步和產業發展貢獻更多的力量。
摘（zhāi）要（yào）
單（dān）晶碳化矽(SiC)的高脆性、高硬性和強化（huà）學惰性是製（zhì）約第三代半導體超精密拋光發展的關鍵,實現襯底高效率、超光滑表麵的加工具有（yǒu）挑戰性。對（duì）於單晶SiC的化（huà）學（xué）機械拋光（guāng）(CMP),分別從材料去除和工藝優化兩個維度出發（fā）,闡述（shù）了CMPSiC的影響因素和規律,指（zhǐ）出了該方法的不足。介（jiè）紹了光催化、超聲振動（dòng）、電場、等離子體、磁（cí）流變、表麵預處理（lǐ）等（děng）輔助CMP拋光方法,分析了複合增效拋光的去（qù）除機理和優勢。通過對比發現,輔助能場的介入有助於改善SiC表麵質量,並能獲得（dé）較好的加工效果,然而,複合拋光技術涉及的能場（chǎng）複雜,多能場作用下的材料去除機製和工藝（yì）參數匹配仍需進行深入研究。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（jīng）碳化矽(SiC)由於具有較大的禁帶寬度、優良的導熱性、高的擊穿電場和（hé）良好的化學穩定性等優異物（wù）理和化學性能,被（bèi）廣泛認為是製造高壓、高頻和高溫條件下功率器件典型的第三代半導體材料。隨著（zhe）SiC襯底加工工藝的不斷發展,高頻、高功率、抗輻射（shè）器件的應（yīng）用日（rì）益增加。與矽(Si)基相比,基於SiC的大功率器件具有功率密度更高（gāo）、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、高鐵、不間斷電源、高壓電網和5G通信等（děng）領域（yù）。
在功率器件中,SiC襯底的表（biǎo）麵粗糙度嚴（yán）重影響其使用性（xìng）能（néng）,表麵粗糙度越小,擊穿電場強度和擊（jī）穿所需的電荷數（shù）量越大（dà）。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（dù）的超光滑表麵,是其廣泛應用的必要（yào）條件。單晶（jīng）SiC由於其特殊的硬脆特性和極強的化學惰性,導致可加（jiā）工性差,特別是在超（chāo）精密拋光方麵（miàn）尤為顯著。SiC襯底經過切割（gē）、研磨和機械拋光後,表麵(或亞表麵)會出現許（xǔ）多損傷,如劃痕和裂紋。為了降低表麵粗糙度和去除（chú）表麵缺陷（xiàn）,對單晶SiC進行精密拋光是必要的。
因此,為（wéi）了滿足高（gāo）性能半導體器件對高精度（dù）、高質量、高產（chǎn）量SiC襯底的（de）要求,國內（nèi）外學者一直致力於對SiC的研究。
1化學機械拋光
化學機械拋光(CMP)技術出現於20世紀（jì）中期,由於能夠同時（shí）對玻璃和金屬進行平坦化,因而引起了人（rén）們的極大關注。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（chéng）中被廣泛使用。化（huà）學機械（xiè）拋光後（hòu）的工件表麵具有超高的（de）麵（miàn）形精度,表麵粗糙度為亞納米級,表麵（miàn）超光（guāng）滑無損傷。CMP技術（shù）已經廣泛應用在（zài）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觸,發生化學反應（yīng）,生成軟質層。工件在壓力作用下與拋光墊相對運（yùn）動,其表麵的軟（ruǎn）質層被拋光液中的磨料劃擦去除。CMP示意圖如圖1所示,圖（tú）中F為壓力。
CMP的微觀去除機理（lǐ）非常（cháng）複（fù）雜,影響（xiǎng）因素很多,拋光過程涉及到化學（xué）、摩擦學、流體力學等（děng）眾多因素,總體來講,CMP的去除機理具（jù）有複雜性,現有的機理研究仍存在局限性（xìng）,大多是在某（mǒu）一方麵（miàn）對拋光過（guò）程進行（háng）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研究和探索從未停（tíng）止,尤其是在去除機理仿真（zhēn）和加（jiā）工工藝研究兩個方麵（miàn）。
1.1 SiC CMP加工機理仿（fǎng）真（zhēn）研究
為了實現（xiàn）芯片（piàn）襯底（dǐ）的高效低損傷加（jiā）工,必須係統研究超精密加工單晶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（dòng）力學模（mó）擬方法,對4H-SiC和（hé）6H-SiC的C麵和Si麵進行（háng）了劃痕實驗,研究表明,與Si麵相比,C麵的非晶（jīng）態變形更（gèng）少,材料的去除更有效,這（zhè）種劃痕現象與SiC晶（jīng）體基麵（miàn）上的位錯有關。圖2為不同試件在不同劃（huá）擦深（shēn）度下（xià）無定型原（yuán）子數和位錯數（shù）量（liàng）。2021年,P.Zhou等人采用分子動力學方法研究（jiū）了多磨粒隨機分布的固結磨（mó）料拋光SiC基片的表麵形貌、亞表麵損傷特征。結果表明,多磨粒在單一粗糙麵中的暴露高度（dù）和磨粒分布決定了SiC襯底的去除（chú）行為;金剛石顆粒在固結磨（mó）料拋光墊中的隨機分布（bù）會使加工質量變（biàn）差。
在CMP中除了存在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（sūn）強采用分子動（dòng）力學方法分別模擬了CMP中金剛石（shí）和SiO2磨粒對SiC表麵原子去除機製。結果表明,SiO2在拋光（guāng）過（guò）程中比金剛石更容易發生化學反應,原因是（shì）其通（tōng）過與SiC表麵（miàn）原子持（chí）續成鍵和斷鍵來實現原子去除。2023年,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。結果表明,在隻發生化學氧化的情況下,SiC表麵吸（xī）附O、H、·OH生成Si—OH2、Si—OH、Si—H2O和Si—H等,Si原子未曾（céng）從SiC表麵（miàn）脫離,如圖（tú）3(a)所示。而在機（jī）械作用下,部分Si和C原（yuán）子以SiO、SiO2、CO、CO2或鏈狀結構脫離基（jī）體,其餘Si和C原子則（zé）以吸（xī）附方式脫離基體,如圖3(b)所示。這些研究有助於從原子層麵上（shàng）解釋CMP中原子氧化去除的動力學過程,為揭示材料去除機理提供了一種有價值的方法。
目前采用分子動力（lì）學手段對材料去除機（jī）理以及表麵損（sǔn）傷機理的研（yán）究逐漸深入,但依然麵（miàn）臨諸多問（wèn）題,比如模型（xíng）設（shè）置、尺寸（cùn）效應（yīng）等,與實際生產加工（gōng）存在差異。
1.2 SiC CMP工藝（yì）研究
近年（nián）來眾（zhòng）多（duō）學者在CMP工藝方麵開展了大量的研究工作,主要集中在拋光液（yè）的配製（zhì）、拋光墊選擇與製備以及拋光工（gōng）藝優化等（děng）方麵。
1.2.1拋（pāo）光液
在化學作用方麵（miàn）,拋光液起主導作用。其作用是將工件表麵的材料氧化,生成一層質地較軟且與基底（dǐ）結合力較弱的氧（yǎng）化膜,然後通過機械劃擦將氧化膜（mó）去除,以達到拋光（guāng）的（de）目（mù）的（de）。影響拋光液性能（néng）的因（yīn）素有氧化劑、pH值、分散劑、磨（mó）料等（děng）。
2013年,G.S.Pan等人將含（hán）H2O2、氫氧（yǎng）化鉀(KOH)和（hé）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種成分對襯底材料去除率、表麵粗糙度的影響（xiǎng）。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（huà）矽顆粒質量分數為30%時,材料去除率(MRR)增（zēng）大至105nm/h,表麵粗糙度(Ra)為0.067nm。2021年,Q.X.Zhang等人通過（guò）摩（mó）擦磨損的方式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（xiǎng）,如圖（tú）4所示（shì）。實驗（yàn）顯示SiC在不同拋光液中的MRR不（bú）同,其中添加KMnO4的拋光（guāng）液的MRR最（zuì）高,不（bú）含氧化劑的矽溶膠拋光（guāng）液的MRR最低。這表明氧化劑種類（lèi）、pH值是影響CMP的重要因素。
分散劑的作用是使磨粒均勻地懸浮分散在拋光液中（zhōng）,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物分散劑,包括聚乙二醇(PEG)、聚丙（bǐng）烯酸鈉(PAAS)和它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（guǒ）表明,通過使用PAEG作為分散劑來拋光SiC襯底能獲得更好的（de）去除率和更（gèng）低的表麵（miàn）粗糙度。
目前研究中磨料種類是多樣的。常見磨（mó）料包括金剛石、碳化硼(B4C)、SiC、Al2O3、SiO2和二氧化鈰（shì）(CeO2),其（qí）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,混合磨料也（yě）得到了研（yán）究。混合磨料拋光液(MAS)包（bāo）含兩種或更多種類型（xíng）固相磨料,如（rú）ZrO2/SiO2、納米金剛石/SiO2、聚合矽（guī）酸（suān）鎂鐵鋁鋅/SiO2、SiO2/CeO2和（hé）ZrP/Al2O3等（děng）。與單一磨（mó）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（tiān）加（jiā）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（cóng）68.3nm降低到0.55nm。
此外,也研究了不同粒徑（jìng）的同種磨料對機械作用（yòng）的影響。2014年（nián）,X.L.Shi等人詳細分析（xī）了不同磨料粒（lì）徑的（de）矽溶膠對4H-SiC晶圓拋光性能的影響。通（tōng）過理論推導和實驗分析得出,當磨（mó）料粒徑較（jiào）大時會導致不規（guī）則的（de）平台邊緣。反之,如果磨料粒徑較小,材料的去除（chú）將更規則,並（bìng）且平台邊緣將更平坦和光滑,指出磨（mó）料粒（lì）徑是決定CMP效率和（hé）晶（jīng）圓（yuán）表麵最終平坦化質量的重要因素。圖5所示為不同粒徑（jìng）SiO2磨料（liào）拋光後的表麵,其中（zhōng）常規尺寸磨料平均粒徑（jìng）30.8nm,大尺寸磨料平均粒徑79.3nm。
在目前的報道中,對於拋光（guāng）液的（de）研究思路包括改變氧化（huà）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分（fèn）的含量,控製（zhì）機械磨損與化學反應之間的平衡,對（duì）獲得高MRR和無原子平麵（miàn）缺陷的表麵（miàn）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（zì）身性質、所受（shòu）外力均會影響拋光效（xiào）果。
2017年,D.Lee等人通過有限（xiàn）元（yuán）分析與實驗相（xiàng）結合的（de）方（fāng）法測（cè）算了不同型號聚氨酯拋光墊的彈（dàn）性模量與泊鬆比。該研究為之（zhī）後CMP工藝中應（yīng）力分布研究奠定了基礎。2022年,郝曉麗分別采（cǎi）用聚氨酯（zhǐ）、尼（ní）龍、超（chāo）纖拋光布三（sān）種不同材質的拋光（guāng）墊進行實驗。在（zài）拋（pāo）光盤轉速為60r/min、施加壓力為25kPa、拋光液磨料質量分（fèn）數為5%的條件下,聚（jù）氨酯拋光墊的拋光（guāng）效果（guǒ）最好（hǎo）。
為了進一步提高（gāo）拋光效率和表麵質量,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顆粒浸漬在聚氨酯基體中（zhōng）,形成（chéng）固結（jié）磨（mó）料拋光墊,研（yán）究了固結磨（mó）料拋光墊拋光SiC晶片的表（biǎo）麵特性和材料去除率,並與聚氨（ān）酯拋（pāo）光墊進行了對比。結果表明,用含質量分（fèn）數1%Fe和質量分數3%Al2O3的拋光墊拋光時,材料去除（chú）率提高了73%,並且拋光後的表麵無損傷。該工藝不（bú）僅縮短（duǎn）了拋光時間,而且降低了拋光成（chéng）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（yòng）聚（jù）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於後者,在微觀形貌上,後者拋光後的SiC晶片表麵的劃痕（hén）明顯減少,有效改善了拋光後SiC晶片表麵劃（huá）痕的不均勻性。
作為CMP機械作用中的重要部分,拋光墊的選擇或製備是實驗和生產（chǎn）中的必要（yào）一環,其製（zhì）作材料、鑲嵌磨粒（lì）類型及分布等（děng）均對拋光（guāng）效果有（yǒu）著較大影響。
1.2.3工藝優化
在CMP中,拋光效果是（shì）多個工藝參數（shù）耦合的結果,探究壓力（lì）、轉速、粒徑、拋光（guāng）液體積流（liú）量對（duì）材料去除率和（hé）表麵粗糙度的影響（xiǎng）規律,優（yōu）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（pāo）光（guāng）盤轉速、拋光壓（yā）力和磨料尺寸等CMP工藝（yì）參（cān）數對材料去（qù）除率的影響。研究結果表明,材（cái）料去除率隨著磨料尺寸、轉速（sù）和拋光壓力的變化而顯著變化。在相同條件下,Si麵的MRR大於C麵（miàn）。2021年,龐龍飛（fēi）等人調整拋光液體積流量、轉速、壓力等工藝參數（shù）對SiC晶片進行（háng）對（duì）比實驗,最（zuì）終經過參數優化,得到了Ra為0.099nm的光滑表麵。2022年,章平等人較（jiào）為詳細地研究了工藝參數對拋光的材料去除率以及表麵粗糙度的影響。通（tōng）過調（diào）節拋光（guāng）壓力、轉速、拋光液體積流量,探究（jiū）了工藝參數對SiC加工（gōng）過程（chéng）中氧化膜去除率(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MRR、Ra之間的（de）關係（xì）也可以通過建立模型來（lái）進行預測,為SiC的CMP加工提（tí）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（yòng）反向傳播神（shén）經網絡建立了MRR和Ra的預測（cè）模型,如圖6所示（shì）。結果表明,隨著（zhe）FeSO4質量分（fèn）數、H2O2質量分（fèn）數和pH值（zhí）的升高,MRR呈先升高（gāo）後降低的（de）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、拋光壓力和拋光速度的增（zēng）加,MRR不斷增大。Ra隨磨（mó）料粒徑和磨（mó）料濃度的增加而不斷減小,隨著拋光壓力的增加而增大,隨著（zhe）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（tōng）過工藝優化,對拋光效（xiào）果（guǒ）起到了一定的（de）改善和提高作用。
綜上所述,目前CMP的（de）研究比較全麵,涉及了分子動力學仿真模（mó）擬和各因（yīn）素實驗分析,為（wéi）SiC單晶的超精密拋光生產、應用提供了（le）大量的理論和（hé）實驗依據。但（dàn）是,由於SiC的強化學惰性,在CMP拋光（guāng）過程中工件表麵的化學反應速率有限,材（cái）料去除率遇到瓶頸。
2增效化學機械拋光
目前化學機械拋（pāo）光的材料去除率以及加工後的表麵粗糙度,已經很難通過（guò）改變工藝取得大的（de）突破（pò）。在CMP拋光的基礎上施加（jiā）增效輔助,成為（wéi）了（le）近些年大（dà）幅（fú）度提高材料去除率和降低表麵（miàn）粗（cū）糙度的最優選擇。
2.1光催化化學機械拋光
光催化化學機（jī）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（hé）電子,吸附在（zài）光催化劑顆（kē）粒表麵的H2O和OH-可通過光生電子和空穴氧化成羥（qiǎng）基自由基,然後將單晶SiC表麵氧化成SiO2,化學反應式為
可以看出（chū）通過機械劃擦能夠輕易（yì）去除SiO2層,實現工件的（de）平坦化加工。
2021年,W.T.Wang等人研究了pH值、TiO2用（yòng）量對CMP的影響,最終優化拋光工（gōng）藝。結（jié）果表明,當pH值為6、TiO2質量分數為0.015%時（shí）,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（yòng）由Al2O3和ZrO2磨料組成的MAS,在UV照射下獲得了694nm/h的材料去除率和0.489nm的表（biǎo）麵粗糙度。實（shí）驗研究結果表明,UV-TiO2的引入可（kě）以提高拋光效率,但其作用機（jī）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（xué）模（mó）擬和實驗的方法,研（yán）究了PCMP羥基自由基水溶液中化學與（yǔ）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（fǎn）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（cǐ）外（wài）,X射線光電子能譜(XPS)和納（nà）米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、表麵硬度,表明該工藝（yì）活化並去除SiC材料,產生光滑且無損傷的表麵,Ra為0.269nm。
2023年,H.Lee從摩擦學角度對CMP、MASCMP和PCMP進（jìn）行了比較研究。實驗結果表明,PCMP具有更高的摩擦力和MRR,這可能是由TiO2顆粒光催化氧化導致（zhì）的。
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。紫外光和光催化劑的引入,可以極大地提高（gāo）拋光中的（de）氧化反（fǎn）應（yīng）速（sù）率,從而改（gǎi）善拋光效果。此（cǐ）外,PCMP是一種高效、清潔的SiC襯（chèn）底拋光方法,且不釋放對環境和人體健康有害的化學物（wù）質。
2.2超聲振動輔助化學機械拋光
超聲振動輔助（zhù）化學機械拋光(UVACMP)是一種經濟有效地提高SiC單晶（jīng）拋光性能的技術。通過超聲波發生器將電信號（hào）轉換成超聲振動,超聲振動作用在拋光區,使拋光液中磨料更（gèng）加分散,並且使磨料獲得一定動能,加大了拋光中的機械作用,同時振動過程（chéng）中產生的熱促進了拋光中的化學（xué）作用,超聲（shēng）振動輔助化學機械拋光示意圖如圖8所（suǒ）示。
2018年,翟文傑等人利用分子動力學方法建立SiC原子模型（xíng）,分析了刻劃（huá）過（guò）程超（chāo）聲振動（dòng）對SiC晶體結（jié）構、溫度、法向力和切向力（lì）的影響規律,同時也分析了振動頻率對拋（pāo）光質量及材料去（qù）除率的影響。結果（guǒ）表明:超聲振動的引入將大幅降低磨粒所受（shòu）平均切向力和法（fǎ）向力,從而有利於刻劃（huá）加工的進行及其表麵質量的提高;但當（dāng）振動頻率超（chāo）過一（yī）定值後,超聲振動對材料去除率和表麵（miàn）質量的影（yǐng）響不大。通過（guò）分子動力學（xué）仿真,研（yán）究（jiū）了超聲輔助劃擦的微觀去除（chú）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,進行了有、無超聲振動輔助的對比實驗。結（jié）果表明,超聲CMP能有效地降低工件的表麵（miàn）粗糙（cāo）度的峰穀值(PV),超聲振動（dòng）輔助可以促進（jìn）化學反（fǎn）應,提高拋光效率,改善表麵質量,最終MRR為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超聲振（zhèn）動、Fenton氧化和（hé）機械衝擊複合機理對（duì）SiC進行高效拋光的超聲（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率和（hé）質量,與機械拋光(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氧化與超聲振動機械去除（chú）的協同促進作用所致。
有學者對超聲振幅和頻率的變化進行了研究,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（suǒ）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（pāo）光SiC領域也取得了（le）不錯的效果,可以同（tóng）時增強（qiáng）化學（xué）反應（yīng）和機械（xiè）作用,有助於提升材料去除率,但加工（gōng）表麵質量改（gǎi）善幅度（dù）不（bú）大,有待優化研究。
2.3電化學機械拋光
電化學（xué）機械拋光(ECMP)示意圖如圖9所示。ECMP是一種（zhǒng）利用電解液作（zuò）為拋光液,將工件的電化學腐蝕與機械拋光（guāng）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（yǎng）化產生（shēng）氧化層,然後用軟磨料機械去除氧化層,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（yè）作為陽極氧化的電解液和拋光介質去除氧化層。由（yóu）於陽極氧化（huà）的結果,表麵硬度從（cóng）34.5GPa下降到1.9 GPa。結果表明,ECMP材料（liào）的（de）去除率為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,獲得了光滑的表麵,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（pāo）光效果,但是對於拋光中氧化機理的研究不夠（gòu）深入。
2020年（nián）,X.C.Yin為了闡明SiC表（biǎo）麵（miàn）陽極氧化機理,進行陽極氧化和機械拋光實驗。X射線衍射結果（guǒ）表明（míng）,由於表麵氧化作用,改性表麵的主要（yào）元素為Si和（hé）O,說明改性後的SiC表麵形成了SiO2氧化（huà）層。並且,他提出一種基（jī）於內外雙向擴散（sàn）理論的陽（yáng）極（jí）氧化過程（chéng）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、表麵損傷、摻雜濃度和應變對SiC氧化速（sù）率的影（yǐng）響規律,這些因素對SiC的陽極氧化有（yǒu）促進作用。加工損傷和摻雜（zá）對SiC陽極氧化（huà）的促進作（zuò）用主要是由SiC表麵的加工殘餘（yú）應變和摻雜應變（biàn）引起的（de）。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（chǔ）上,2022年,X.Z.Yang等人通過模擬質量分數（shù）1%NaCl水溶液中SiC的陽極氧化體係（xì）,研究了SiC表（biǎo）麵陽極氧化過程中的電荷利用（yòng）效率（lǜ）,並闡明其機（jī）理。當電流密度小於20 mA·cm-2時,SiC陽（yáng）極氧化過程中的電（diàn）荷利用（yòng）效率保持（chí）恒定,當電流（liú）密度大於30mA·cm-2時,電荷利用（yòng）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率,電流密度、工件原始表麵和（hé）亞（yà）表麵質量是影響加（jiā）工（gōng）效果的重要因素（sù）。
2.4等離子體輔助拋光
等離子體輔助拋（pāo）光(PAP)是（shì）一種將大氣等離（lí）子體照（zhào）射與軟磨料拋光（guāng）相結合的精密（mì）拋光技術。PAP技術由K.Yamamura於2010年提出,圖11為PAP示意（yì）圖(圖中DPM為露（lù）點儀,MFC為質量流（liú）量控製器、UPW為（wéi）超純（chún）水（shuǐ）),該裝置由獨立安裝的等離子體產（chǎn）生和機械去除部分組成。大氣等離子體輻照可在單晶SiC表麵形成氧化層,通（tōng）過機械裝（zhuāng）置去除氧化（huà）層後,獲得無內應力、無SSD的原子級光滑表麵。
2012年,H.Deng等人（rén）提出了（le）一種（zhǒng）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子體對SiC表麵（miàn）的力學和化學性能進行了改性。X射線光電子能譜測試結果表明,等離（lí）子體（tǐ）輻照後表（biǎo）麵得到有效氧化,主（zhǔ）要產物為SiO2。白光幹涉（shè）儀掃描圖像顯示,PAP處理後的表麵劃痕消失,Ra、均方根（gēn）粗糙度也從4.41nm、0.621nm分別下降到1.889nm、0.280nm。利用（yòng）透射電子顯（xiǎn）微鏡對PAP處理後的表麵進行了觀察,結果表明幾乎沒（méi）有引入結晶缺陷。2014年,H.Deng等（děng）人對等離子體氧化和磨料拋光進行了優化,發（fā）現當氦氣中水（shuǐ）蒸（zhēng）汽質量分（fèn）數較低時,等離子體氧化速率大（dà）大提高。2013年,H.Deng等人[60]將水蒸汽等離子體輻照（zhào）和CeO2磨料拋光（guāng）相結合,獲得了一個（gè）均方根粗糙度（dù）約0.2nm原子級平麵的（de）4H-SiC表麵,其具有有序的（de）台階/平台（tái）結構。水蒸汽等離子體氧化碳化矽（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,而不會引起（qǐ）晶體亞表麵損傷。
2016年,H.Deng等人將等離子體（tǐ）化學氣化加工(PCVM)和等離子體輔助拋光相結合,采用（yòng）非（fēi）接觸式幹法刻（kè）蝕PCVM去除SSD層,以及采用等離子體改性和軟磨料拋光相結合的PAP對SSD層（céng）進行無損傷拋光。PCVM處理5 min後,雖然表麵粗糙度略有提高,但研（yán）磨形成的劃痕和SSD層（céng）被完全去除。經（jīng）PAP處理後,獲得了均方（fāng）根粗（cū）糙度為0.6nm的無劃痕表麵。
PAP技（jì）術可以（yǐ）獲得原子級光滑表麵,且無亞表（biǎo）麵損傷,但是（shì）材料去（qù）除率低,設備昂貴,從而限製了該技（jì）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（cí）流變彈性體(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,提高工件的材料去除率,降低（dī）表麵粗糙度,實現對工件的超精密（mì）加工（gōng）。磁流變輔助拋（pāo）光示（shì）意圖如圖12所示。
2022年,D.Hu等人製備了聚氨（ān）酯基磁（cí）流變彈性體拋光墊,將其用於單晶SiC的磁控力學性能、磁拋光效果的研（yán）究。采用MRE拋光墊對（duì）原始表麵粗糙度為80nm的單晶SiC進行（háng）90min的拋光實驗。結果（guǒ）表明:隨著磁場強度的增加（jiā）,MRE拋光墊的剪切模（mó）量增大,拋光過程的材料去（qù）除率增大（dà）,表麵粗糙度減小。2022年,鄧子默[63]通過單因素實（shí）驗分（fèn）析了工作間隙、通電電流和拋光時間對單晶（jīng）SiC磁（cí）流變拋光效果的影響（xiǎng）。獲得了（le）亞納米級表麵粗糙度,指出（chū）Ra隨電流的增大而減（jiǎn）小,隨工作間隙的增大而增大。
為了提（tí）升磁流（liú）變（biàn）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（biàn）複合拋光(CMRF)方法。為了（le）研究CMRF的材料去（qù）除特性,對羰基鐵（tiě）粉與磨料進行了（le）受力分析,並基於工件表麵磁（cí）流變效應計算了拋光（guāng）墊的拋光力。在此（cǐ）基礎上,根據Preston方程,建立（lì）了材料去（qù）除模型。通過對單晶SiC晶片進行CMRF測試,發現（xiàn）測試結（jié）果與理論（lùn）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反應的固相催化劑（jì）,對單晶SiC進行化學機械拋光。結果表明,在MRE中使用Fe3O4/CIP作為固相催化劑,對拋光SiC進行非均相Fenton反應（yīng）,可大幅度提高MRE拋光墊的（de）材料去除能力,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（qù）除率和表麵質量。此（cǐ）外,在特製拋光墊中加入Fenton反應催化劑,也是一（yī）種行之有效的方法。
2.6表麵預處（chù）理輔助拋光
表麵預處理輔助是指（zhǐ）在CMP之前（qián）,對（duì）工件表麵施加其他能量形式進行預處理,以達到降（jiàng）低表麵初始硬度,易於拋光的目（mù）的。表麵預處理的方（fāng）式多樣,如激光預處理、熱氧化預處理等。
2019年（nián）,B.B.Meng等（děng）人采用分子動力學方法,在（zài）納米尺度上研究了（le）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/納米結構對材料去除過程有顯著影響（xiǎng）,SiC表麵結構有效地提高了（le）去除率,減小了（le）亞（yà）表麵（miàn）損傷深度。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不同,當預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狀剝（bāo）落,表麵改性有效地降低（dī）了磨粒磨損程度。
2021年,B.Gao等人提（tí）出了一種皮秒激光輔（fǔ）助CMP方法,首先用皮秒激（jī）光對SiC的Si麵進行預處理,然後進行拋光。結（jié）果表（biǎo）明:皮秒激光預處理(PLP)產生（shēng）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（yú）材料去除。與非激光預處理樣品相比,激光預（yù）處理後樣（yàng）品的材料去除率在拋光時前（qián）45 min顯（xiǎn）著提高,而表麵粗糙度顯著降（jiàng）低,如圖13所示。2021年,G.P.Chen等人采用納秒激光調製技術對SiCSi麵（miàn）進行預（yù）處理。結果表明,該技術可使表麵氧含量增加,且氧化物成分一致,用Al2O3拋光液拋光後,Ra低至0.081nm。
除了（le）高能激光對表麵預處理的方式外（wài）,采用熱氧（yǎng）化手段進行表麵預處理也取得了較好效（xiào）果。2018年,H.Deng等人（rén）采用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（wú）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（yè）高效拋光。對於未預處理的常規CeO2拋光液拋光,拋光16h後（hòu）仍存在劃痕（hén）,而對熱氧化表麵進行拋光,拋光3h即可獲得無劃痕且（qiě）SiC原子排序良好的表麵。將表（biǎo）麵預處理和軟磨料拋光相結合的方法能夠實現4H-SiC的C麵原（yuán）子尺度無損傷加工。盡管（guǎn）表麵預處理可以應（yīng）用於多種材料,但是目前很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
3.1主要精密拋光技術比較
綜上（shàng）所述,CMP不管是在實驗原（yuán）理上,還是在實驗設置上,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（yǐ）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（xiào）率已到了瓶頸。
目前增效（xiào）化學（xué）機械拋光得到了越來越多的（de）關注,比如光（guāng）催化輔助、超聲振動輔助、電化學輔助、等離子體輔助（zhù）、磁流變輔助、激光預處理、預熱處理等增效方式。光催化輔助增效方式需要增加一套紫外光設備,拋光液中需添加光（guāng）催化劑,得到的表麵（miàn）質量和拋光效率相對於CMP有了較大的提高。超聲振動輔助增效（xiào）方式在其他加工領域已被廣泛應用（yòng）,而用於輔（fǔ）助CMP時,需（xū）要（yào）在CMP設備的基礎上添加一套（tào）超聲設（shè）備,目的是加快化學反應（yīng）並提高機械去除（chú）能力（lì）。電化學增效方式需要增加一套電化（huà）學係統,並（bìng）且工件表麵容易留下電（diàn）流腐蝕痕跡,導致表麵質量下降。等離子體輔（fǔ）助增效方（fāng）式需要複雜的等離子體（tǐ）產生和照射裝置,操作性差,但可得到階梯型微觀形貌,所（suǒ）得表麵（miàn）粗糙（cāo）度極低,目前研究較少。磁流變輔助增效方式在（zài）很多領域（yù）得到應用,需要製作特定拋光墊,可（kě）以得到較為理想的拋光效果。對（duì）材（cái）料進行表麵（miàn）預處理,能夠降低（dī）表麵硬度,可以實現快（kuài）速去除的目（mù）的,但是對於控製預處理的厚度以及避免外來（lái）能量對材料晶體結構（gòu）產生的影響,仍是（shì）目前的難題和挑戰（zhàn）。
高效率地獲得光滑表麵是半導體（tǐ）產業的一個關鍵問題,因（yīn）此材料（liào）去（qù）除率和表（biǎo）麵（miàn）粗糙度被認為是評價單晶SiC拋光工藝兩個（gè）最重要指標。不同拋光方法之間的對比如表（biǎo）1所示。
單個方向增（zēng）效可以獲得單個方麵的提高,比如光催化輔助（zhù）可以提升化學氧化作用,但（dàn）如果機械作用無法（fǎ）與之同步（bù）,得到的加（jiā）工效（xiào）果則有限（xiàn）。
因此多個技術方向複合（hé）增效以達到化學氧化作用和機械去除作用同時提升的方法,引起了研究者的注意。比如,2019年,Y.He等人開發了一種用於4H-SiC晶圓Si麵的（de）電增強光催化（huà）拋（pāo）光方法,如圖14所示。電流可以有效地防止半（bàn）導體顆粒表麵產生的電子與空穴的複（fù）合（hé）,從而提（tí）高拋（pāo）光（guāng）效率。以P25為光催化劑、H2O2為（wéi）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（nèi）,Ra約為0.053 nm。2019年,翟文傑等人對SiC進行了超聲（shēng）-電化學機械研拋實驗。實驗（yàn）結果表明,在試（shì）件與拋光盤之間（jiān）的電壓為（wéi）+10V時,材料去除率比無電壓時提高了55.1%;當對試件施加超（chāo）聲-電場作（zuò）用後,材料去除率比無超聲時提高了91.7%。
2021年,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（jìn）行了研究。結果表明（míng）: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C麵的材料去除（chú）率均增加（jiā）超過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（huà）學機械拋光進行了研究,利用（yòng）電場參（cān）數控製CMP中·OH的生成速（sù）率和總濃（nóng）度,實現（xiàn）·OH的持（chí）續、穩定、可控生成,加（jiā）速SiC的氧化腐蝕作用,從而（ér）達到與磨粒去除的協同效應,最終MRR為2358nm/h、Ra為0.372nm。
可以看出,利用（yòng）複合能場輔（fǔ）助CMP方法,可以取得較好的效果,但是（shì）目前研究還不深（shēn）入,多能場耦合下材料（liào）去除機理（lǐ）及工藝參數設（shè）置還需深入研究。
4結語
隨著SiC器件應用範（fàn）圍的不斷擴大,對SiC襯底的加工效率及表麵（miàn）質量也（yě）提出了更高的要求。因此可用於SiC超精密拋光的（de）CMP工藝受到了廣（guǎng）泛關注。在當（dāng）前的研究中,對CMP中拋（pāo）光液、拋（pāo）光墊、工藝參數等因素進行了多方麵的（de）選（xuǎn）擇優化;並基於能場輔助提升化學和機（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（yào）問（wèn）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（biǎo）麵氧化層（céng）的反應速率是（shì）影響加工效率的關鍵（jiàn）因素;②SiC表麵氧化層的形成和去除（chú）是揭示材料去除過程的基礎,弄清氧化層的反（fǎn）應機製和劃擦作用有助於指導生（shēng）產實踐;③增（zēng）效CMP複合拋光方法的核心是增強SiC的化學作用,以（yǐ）提升材料去除率,取得的效果（guǒ）顯著,但新增加的能場(聲、光、電等)會使材料的去除過程變得複雜,不確定性增加;④多（duō）能場增效CMP拋（pāo）光技（jì）術能夠實現效（xiào）率和精度的提升,具有廣闊的應用前景,然（rán）而,多能場激勵下的拋光去除機（jī）理、各參數與加工效果之間（jiān）的映射關係尚不（bú）清晰,需要深入研究。隨著加工方（fāng）法（fǎ）的（de）不斷成熟,高頻、高功率的SiC器（qì）件及電路在未來將會發揮（huī）更大的作用。
來源：微納電子技術（shù）
作（zuò）者：田壯智1,2,班新星1,2,3*,韓少星3,段天旭1,2,鄭少冬1,2,朱建輝3
(1.河（hé）南工業大學機電工程學院,鄭州450001;
2.河南省超硬磨料磨削裝備重（chóng）點實驗室,鄭州450001;
3.鄭州磨料磨具磨削研究所有限公（gōng）司,鄭州450001）
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