與傳統(tǒng)半導(dǎo)體相比，單晶碳化硅作為新型半導(dǎo)體材料，具有禁帶寬度大、擊穿電場(chǎng)高、熱導(dǎo)率高、飽和電子漂移速率高等突出優(yōu)點(diǎn)，可滿足在高頻高功率電子器件方面的需求，傳統(tǒng)半導(dǎo)體是無(wú)法代替的。因此，單晶碳化硅在電子元器件的應(yīng)用成為未來(lái)發(fā)展的必然趨勢(shì)。

碳化硅晶片

但要發(fā)揮出碳化硅的高性能，前提就是制備出符合要求的碳化硅晶片。但不巧的是，碳化硅與硅相比，是一種很難處理的材料——無(wú)論是劃切還是拋光，難度系數(shù)都不是一個(gè)等級(jí)的。具體難在哪？有什么改進(jìn)的方法，我們接下來(lái)一起看看。

碳化硅加工難的原因

據(jù)悉，單晶碳化硅具有超高硬度，其莫氏硬度高達(dá)9.5，具有極其穩(wěn)定的化學(xué)性質(zhì)，在常溫下不與任何已知的強(qiáng)酸或強(qiáng)堿等化學(xué)試劑發(fā)生反應(yīng)。之所以能具備如此這些特性，都要緣于SiC晶格共價(jià)鍵強(qiáng)度大的特點(diǎn)及極穩(wěn)定的晶格結(jié)構(gòu)。

如圖所示，SiC的晶格基本結(jié)構(gòu)為1個(gè)Si-C四面體，由C原子與Si原子以共價(jià)鍵形式結(jié)合而成，四面體以1個(gè)C原子周圍分布4個(gè)Si原子或1個(gè)Si原子周圍分布4個(gè)C原子2種方式排列，屬于密堆積結(jié)構(gòu)。Si原子和C原子的距離b=0.189 nm，Si原子和Si原子的距離口=0.308 nm。在一個(gè)基本結(jié)構(gòu)單元中的Si原子與相鄰基本結(jié)構(gòu)單元相互共用，即在空間上形成相連牢固的骨架結(jié)構(gòu)。若要通過(guò)外部加工手段改變這些穩(wěn)定的基本結(jié)構(gòu)，需要足夠的摩擦剪切力來(lái)斷開Si-C原子之間的共價(jià)鍵，即要消耗一定的熱能。

Si-C四面體晶格結(jié)構(gòu)

總之，碳化硅性能雖好，但同時(shí)也不利于對(duì)材料的去除及表面質(zhì)量的提升。目前國(guó)際上部分發(fā)達(dá)國(guó)家已具有成熟的碳化硅單晶襯底的制備技術(shù)，其中美國(guó)碳化硅單晶襯底技術(shù)最為成熟，壟斷了國(guó)際上80%的市場(chǎng)，而國(guó)內(nèi)則處于起步狀態(tài)，距離國(guó)際頂尖水準(zhǔn)還有較大差距，因此打破國(guó)際技術(shù)壟斷，制備超光滑的碳化硅襯底晶片，具有十分重要的意義

碳化硅的輔助加工技術(shù)

盡管加工難度大，但為了讓單晶碳化硅在電子元器件的應(yīng)用成為未來(lái)的發(fā)展方向，讓碳化硅器件得到大規(guī)模應(yīng)用和推廣，就必須要想方法解決碳化硅加工難的問(wèn)題。

目前SiC材料加工工藝主要有以下幾道工序：定向切割、晶片粗磨、精研磨、機(jī)械拋光和化學(xué)機(jī)械拋光（精拋）。其中化學(xué)機(jī)械拋光作為最終工序，其工藝方法選擇、工藝路線排布和工藝參數(shù)優(yōu)化直接影響拋光效率和加工成本。

多線鋸加工過(guò)程中的碳化硅晶體

但由于SiC材料的高硬度與化學(xué)穩(wěn)定性，傳統(tǒng)的CMP拋光過(guò)程中材料去除率較低。因此，業(yè)界開始鉆研與平坦化超精密加工技術(shù)配套的輔助增效技術(shù)，包括等離子輔助、催化劑輔助、紫外光輔助以及電場(chǎng)輔助等，具體如下：

學(xué)機(jī)械拋光協(xié)同輔助增效工藝示意圖

1、等離子輔助工藝

YAMAMURA Kazuy等首次提出等離子輔助拋光(PAP)工藝，PAP工藝是通過(guò)等離子將表面材料氧化為較軟的氧化層，同時(shí)仍依靠磨料摩擦磨損去除材料的一種輔助化學(xué)機(jī)械拋光。

其基本原理為：通過(guò)射頻發(fā)生器反應(yīng)氣體（如水蒸氣、O，等）產(chǎn)生含有自由基團(tuán)（如OH自由基團(tuán)、O自由基）的等離子體，具有較強(qiáng)氧化能力的自由基團(tuán)對(duì)SiC材料表面氧化改性。獲得一層較軟的氧化層，然后利用軟磨料（如CeO₂、Al₂O₃等）拋光去除該氧化層，使SiC材料表面達(dá)到原子級(jí)光滑面。但由于PAP工藝試驗(yàn)設(shè)備價(jià)格和加工的費(fèi)用較高，因此也局限了PAP工藝加工SiC晶片的推廣。

2、催化劑輔助工藝

在工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用中，為了探求SiC晶體材料高效超精密加工工藝，研究者采用試劑進(jìn)行催化輔助化學(xué)機(jī)械拋光。其材料去除基本機(jī)理主要是在試劑催化作用下，在SiC表層反應(yīng)生成硬度較軟的氧化層，利用磨料的機(jī)械去除作用去除氧化層．以獲得高質(zhì)量表面。有文獻(xiàn)中采用Fe₃O₄催化劑和H₂O₂氧化劑在以金剛石W0.5為磨料的化學(xué)機(jī)械拋光技術(shù)下進(jìn)行輔助增效，經(jīng)過(guò)優(yōu)化，在拋光速率為12.0 mg/h條件下獲得表面粗糙度Ra=2.0～2.5 nm的表面。

3、紫外光輔助工藝

為了改善SiC表面平坦化加工工藝．有研究者在化學(xué)機(jī)械拋光工藝中采用紫外光輻射進(jìn)行輔助催化。紫外光催化反應(yīng)是強(qiáng)氧化反應(yīng)之一，其基本原理是利用光催化劑在紫外光的作用下和電子捕捉劑發(fā)生光催化反應(yīng)，產(chǎn)生活性自由基(·OH)。

由于OH自由基團(tuán)的氧化性較強(qiáng)．使其在SiC表層發(fā)生氧化反應(yīng)，生成一層較軟的SiO₂氧化層（莫式硬度為7），而被軟化的SiO₂氧化層更容易被磨料拋光去除；另一方面，氧化層與晶片表面之間結(jié)合強(qiáng)度低于SiC晶片的內(nèi)部結(jié)合強(qiáng)度，降低了磨料在拋光過(guò)程中的切削力，減小了在晶片表層上留下的劃痕深度，提高了表面加工質(zhì)量。

4、電場(chǎng)輔助工藝

為提高SiC材料去除率，有研究者提出了電化學(xué)機(jī)械拋光(ECMP)技術(shù)。其基本原理是：通過(guò)在傳統(tǒng)化學(xué)機(jī)械拋光處理時(shí)，對(duì)拋光液施加直流電場(chǎng)，在電化學(xué)氧化下，使得SiC拋光表面形成氧化層，氧化層的硬度顯著降低。利用磨料將軟化后的氧化層進(jìn)行去除，實(shí)現(xiàn)高效的超精密加工處理。但要注意，若陽(yáng)極電流較弱，則加工表面質(zhì)量較好，但材料去除率變化不大；若陽(yáng)極電流較強(qiáng)，則材料去除率顯著提高。但陽(yáng)極電流過(guò)強(qiáng)會(huì)導(dǎo)致表面精度下降及多孔現(xiàn)象。

總結(jié)

總之，化學(xué)機(jī)械拋光仍是SiC材料最有潛力的平坦化超精密加工方法，但為了更高效地獲得高質(zhì)量SiC晶片，以上提及的輔助工藝都是具有潛力的選擇。但由于相關(guān)研究較少，對(duì)SiC材料的影響結(jié)果依舊缺乏可預(yù)見性。因此若能深入研究相關(guān)輔助工藝對(duì)化學(xué)機(jī)械拋光技術(shù)的影響，以定量與定性研究手段進(jìn)一步揭示化學(xué)機(jī)械拋光輔助增效技術(shù)的加工機(jī)理，對(duì)于實(shí)現(xiàn)SiC材料產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用和推廣必將具有重要的意義。

資料來(lái)源：

徐慧敏,王建彬,李慶安,等. 碳化硅晶片的化學(xué)機(jī)械拋光技術(shù)研究進(jìn)展[J]. 現(xiàn)代制造工程,2022(6):153-161,116. DOI:10.16731/j.cnki.1671-3133.2022.06.022.

甘琨,劉彥利,史健瑋,等. 碳化硅晶片的超精密拋光工藝[J]. 電子工藝技術(shù),2023,44(2):51-54. DOI:10.14176/j.issn.1001-3474.2023.02.014.

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