隨著碳化硅（SiC）材料在半導體領域的應用越來越廣泛，其加工工藝的重要性也日益凸顯。作為一種具有優異性能的寬禁帶半導體材料，SiC在高功率、高頻率和高溫環境中的應用前景廣闊。

然而，由于其極高的硬度和化學穩定性，SiC材料的加工，尤其是表面拋光，一直是技術難題。常見的濕式化學機械拋光（CMP）工藝雖然能夠實現高精度的拋光效果，但使用的大量化學品不僅增加了環境負擔，也帶來了廢水處理和資源浪費等問題。

碳化硅襯底

在這樣的背景下，一種新興的干式摩擦化學機械拋光工藝開始受到關注。該工藝通過在干燥環境下實現化學和機械的協同作用，有望在不使用液體化學品的情況下完成SiC的高效拋光，從而為綠色環保的半導體制造提供新的解決方案。接下來，本文將探討這一新型工藝的原理、優勢以及面臨的挑戰。

一、SiC材料的特性與加工需求

碳化硅是一種原子晶體共價鍵化合物，基本組成單元為碳位于中心的四面體結構，四個硅原子圍繞在碳原子周圍，并與相鄰基團共享。碳化硅的晶體結構類似于金剛石，根據四面體的堆積方式，碳化硅可分為立方晶系、六方晶系和棱方晶系。碳化硅有至少70種結晶形態，常見的有α-SiC、β-SiC、3C-SiC、4H-SiC和6H-SiC。

(a)3C-SiC、(b)4H-SiC 和 (c)6H-SiC 多型的碳化硅平面上的 Si 和 C 原子的排列

在制造基于SiC襯底材料的半導體器件時，往往要求襯底材料具有原子級光滑且無損傷的表面，否則就會影響器件性能。但碳化硅硬度比較高，屬于硬脆性材料，它的莫氏硬度為9.2，僅次于莫氏硬度為10的金剛石。此外，碳化硅化學性質穩定，耐腐蝕性強，在空氣中加熱到1300℃時，表面易氧化生成二氧化硅薄層，能防止其進一步氧化，使其具有良好的抗氧化性，直到在加熱高于1627℃時，這層氧化膜才會被破壞，這些性質都為碳化硅的精密加工帶來了困難。

二、傳統拋光工藝的挑戰

當前SiC基片的制造過程包括切割、粗研磨、精研磨和拋光。在SiC基片的拋光技術中機械拋光、電化學機械拋光、等離子體輔助拋光、刻蝕拋光、紫外光輔助拋光磁流變拋光等不僅需要高溫和大功率，而且所需的設備較為復雜。

化學機械拋光(CMP)雖然是目前公認的可實現全局納米級超光滑平坦化的技術，但它也有一定的缺陷和局限性。如CMP的MRR較低，且往往使用了大量強酸、強堿、強氧化，甚至有毒的拋光漿液，管理和廢料處理也相當麻煩，且會對環境造成較大污染，不符合綠色環保、可持續的制造理念；另外，CMP的耗材成本高昂，拋光漿料、拋光墊和修整盤等占總成本的70%左右，其中拋光漿料的成本占耗材的60%—80%。

CMP原理

三、干式摩擦化學機械拋光的原理

相比之下，干式摩擦化學機械拋光是一種基于摩擦化學磨損的新技術，通過摩擦產生的熱量、硬質拋光盤的機械作用和金屬催化，去除材料表面并實現高效拋光。

摩擦化學機械拋光裝置

例如，單晶SiC基片的干式摩擦化學機械拋光原理如下圖所示。首先，利用高硬度磨粒在拋光盤機械轉動的帶動下對SiC基片表面產生巨大應力（切向力和法向力），導致基片表面無序化，削弱Si-C鍵的結合強度，降低Si-C鍵與氧化物質之間發生反應的活化能，使氧化物質和無序層更容易發生反應。其次，在干式狀態下界面區間更容易達到“閃點溫度”，高“閃點溫度”會進一步降低反應所需要的活化能，使SiC基片更容易被氧化。然后，固相氧化物質在劇烈的摩擦下生成大量氧氣，形成的微區富氧環境會和SiC基片表面發生摩擦化學反應并生成更易去除的氧化層。最后，通過磨粒的機械作用將氧化層不斷去除。

單晶 SiC 基片的干式摩擦化學機械拋光原理

相比傳統的拋光方法，干式摩擦化學拋光具有去除率高、表面平整、殘余應力低、成本低和化學污染少的優點。通過利用固相氧化劑等新技術，該方法為碳化硅等材料的拋光提供了新思路。

四、拋光粉配方選擇

為了在不使用液體化學品的情況下實現有效拋光，就需要改進傳統拋光配方，主要包括氧化劑、磨料、催化劑、固體潤滑劑、分散劑和表面活性劑。這些拋光粉成分的選取決定著配方的拋光效果。

其中，氧化劑主要提供化學機械拋光過程中的化學作用，磨料主要提供機械作用，這兩者對拋光后的表面質量和材料去除率有著直接影響，其他成分大多只是對這兩者的提升和優化。所以，選擇并探索適合組成拋光粉配方的氧化劑，在確定氧化劑的基礎上再確定與之組合效果最佳的磨料和其他成分，是配方成分選擇的主要研究思路。

（1）氧化劑

氧化劑是化學作用的核心，應該具有強氧化性、固體粉末、無毒、環保、方便回收和廢料處理、方便存放運輸、經濟成本低和便于購買等特點。經查閱文獻發現，可以使用的固體氧化劑有過碳酸鈉、高錳酸鉀、氫氧化鈉、高鐵酸鈉、過硼酸鈉、次氯酸鈉、碘化鉀和氯酸鉀。

（2）磨料

磨料決定著機械作用，磨料的種類、粒徑大小及其含量對拋光速率和工件表面質量有很大影響。目前，拋光 6H-SiC 單晶基片所使用的磨料有金剛石、碳化硅、氧化鋁、二氧化硅、氧化鈰等。

其中，金剛石的硬度比 6H-SiC 單晶基片大，拋光速率最高，但缺點是拋光后工件亞表面損傷嚴重，不能滿足 6H-SiC 單晶基片的使用要求。相比之下，金剛石和氧化鈰價格較高；金剛石拋光效率最高，碳化硅、氧化鋁和二氧化硅拋光相對效率較低。同一種磨料會有不同的晶體結構，不同的晶體結構會給磨料帶來不同的性質，比如有些磨料容易團聚而有些磨料分散性較好等。

稀土拋光粉

（3）固體潤滑劑

潤滑劑可以減小磨料的機械作用，在拋光過程中可以適量加入固體潤滑劑來調節機械作用。目前常用的固體潤滑劑有石墨，二硫化鉬，滑石粉，氮化硼等。

（4）催化劑

催化劑的選擇，要求其對化學作用有明顯提高、固體粉末、無毒、環保、方便回收和廢料處理、方便存放運輸、經濟成本低和便于購買。

（5）分散劑或表面活性劑

分散劑和表面活性劑的作用是使拋光粉的各個成分均勻分散不團聚，尤其是防止磨料的團聚。

五、干式摩擦CMP的優勢與挑戰

干式摩擦化學機械拋光（CMP）作為一種基于傳統CMP發展的新型拋光工藝，在加工效率和效果上與傳統CMP相當甚至更優，且拋光成本顯著降低，廢料可回收利用，符合綠色可持續發展的要求。然而，該技術在材料去除機理上仍存在未解難題，如化學和機械作用的交互機制、催化劑選擇對材料去除率的影響、拋光粉的團聚現象、接觸面溫度對拋光效果的影響等。深入研究這些問題，有望進一步提升干式摩擦CMP的效率和經濟性。

資料來源：

薛明普,肖文,李宗唐,等.單晶SiC基片干式摩擦化學機械拋光初探[J].金剛石與磨料磨具程,2024,44(01):101-108.DOI:10.13394/j.cnki.jgszz.2023.0052.

李宗唐.6H-SiC單晶基片干法化學機械拋光粉研制[D].河南科技學院,2023.DOI:10.27704/d.cnki.ghnkj.2023.000031.

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