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

然而，由于其極高的硬度和化學(xué)穩(wěn)定性，SiC材料的加工，尤其是表面拋光，一直是技術(shù)難題。常見(jiàn)的濕式化學(xué)機(jī)械拋光（CMP）工藝雖然能夠?qū)崿F(xiàn)高精度的拋光效果，但使用的大量化學(xué)品不僅增加了環(huán)境負(fù)擔(dān)，也帶來(lái)了廢水處理和資源浪費(fèi)等問(wèn)題。

碳化硅襯底

在這樣的背景下，一種新興的干式摩擦化學(xué)機(jī)械拋光工藝開(kāi)始受到關(guān)注。該工藝通過(guò)在干燥環(huán)境下實(shí)現(xiàn)化學(xué)和機(jī)械的協(xié)同作用，有望在不使用液體化學(xué)品的情況下完成SiC的高效拋光，從而為綠色環(huán)保的半導(dǎo)體制造提供新的解決方案。接下來(lái)，本文將探討這一新型工藝的原理、優(yōu)勢(shì)以及面臨的挑戰(zhàn)。

一、SiC材料的特性與加工需求

碳化硅是一種原子晶體共價(jià)鍵化合物，基本組成單元為碳位于中心的四面體結(jié)構(gòu)，四個(gè)硅原子圍繞在碳原子周圍，并與相鄰基團(tuán)共享。碳化硅的晶體結(jié)構(gòu)類似于金剛石，根據(jù)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(jié)晶形態(tài)，常見(jiàn)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(dǎo)體器件時(shí)，往往要求襯底材料具有原子級(jí)光滑且無(wú)損傷的表面，否則就會(huì)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(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，耐腐蝕性強(qiáng)，在空氣中加熱到1300℃時(shí)，表面易氧化生成二氧化硅薄層，能防止其進(jìn)一步氧化，使其具有良好的抗氧化性，直到在加熱高于1627℃時(shí)，這層氧化膜才會(huì)被破壞，這些性質(zhì)都為碳化硅的精密加工帶來(lái)了困難。

二、傳統(tǒng)拋光工藝的挑戰(zhàn)

當(dāng)前SiC基片的制造過(guò)程包括切割、粗研磨、精研磨和拋光。在SiC基片的拋光技術(shù)中機(jī)械拋光、電化學(xué)機(jī)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(shè)備較為復(fù)雜。

化學(xué)機(jī)械拋光(CMP)雖然是目前公認(rèn)的可實(shí)現(xiàn)全局納米級(jí)超光滑平坦化的技術(shù)，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(qiáng)酸、強(qiáng)堿、強(qiáng)氧化，甚至有毒的拋光漿液，管理和廢料處理也相當(dāng)麻煩，且會(huì)對(duì)環(huán)境造成較大污染，不符合綠色環(huán)保、可持續(xù)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(pán)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(xué)機(jī)械拋光的原理

相比之下，干式摩擦化學(xué)機(jī)械拋光是一種基于摩擦化學(xué)磨損的新技術(shù)，通過(guò)摩擦產(chǎn)生的熱量、硬質(zhì)拋光盤(pán)的機(jī)械作用和金屬催化，去除材料表面并實(shí)現(xiàn)高效拋光。

摩擦化學(xué)機(jī)械拋光裝置

例如，單晶SiC基片的干式摩擦化學(xué)機(jī)械拋光原理如下圖所示。首先，利用高硬度磨粒在拋光盤(pán)機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)的帶動(dòng)下對(duì)SiC基片表面產(chǎn)生巨大應(yīng)力（切向力和法向力），導(dǎo)致基片表面無(wú)序化，削弱Si-C鍵的結(jié)合強(qiáng)度，降低Si-C鍵與氧化物質(zhì)之間發(fā)生反應(yīng)的活化能，使氧化物質(zhì)和無(wú)序?qū)痈菀装l(fā)生反應(yīng)。其次，在干式狀態(tài)下界面區(qū)間更容易達(dá)到“閃點(diǎn)溫度”，高“閃點(diǎn)溫度”會(huì)進(jìn)一步降低反應(yīng)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(zhì)在劇烈的摩擦下生成大量氧氣，形成的微區(qū)富氧環(huán)境會(huì)和SiC基片表面發(fā)生摩擦化學(xué)反應(yīng)并生成更易去除的氧化層。最后，通過(guò)磨粒的機(jī)械作用將氧化層不斷去除。

單晶 SiC 基片的干式摩擦化學(xué)機(jī)械拋光原理

相比傳統(tǒng)的拋光方法，干式摩擦化學(xué)拋光具有去除率高、表面平整、殘余應(yīng)力低、成本低和化學(xué)污染少的優(yōu)點(diǎn)。通過(guò)利用固相氧化劑等新技術(shù)，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(xué)品的情況下實(shí)現(xiàn)有效拋光，就需要改進(jìn)傳統(tǒng)拋光配方，主要包括氧化劑、磨料、催化劑、固體潤(rùn)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(xué)機(jī)械拋光過(guò)程中的化學(xué)作用，磨料主要提供機(jī)械作用，這兩者對(duì)拋光后的表面質(zhì)量和材料去除率有著直接影響，其他成分大多只是對(duì)這兩者的提升和優(yōu)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(chǔ)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(xué)作用的核心，應(yīng)該具有強(qiáng)氧化性、固體粉末、無(wú)毒、環(huán)保、方便回收和廢料處理、方便存放運(yùn)輸、經(jīng)濟(jì)成本低和便于購(gòu)買等特點(diǎn)。經(jīng)查閱文獻(xiàn)發(fā)現(xiàn)，可以使用的固體氧化劑有過(guò)碳酸鈉、高錳酸鉀、氫氧化鈉、高鐵酸鈉、過(guò)硼酸鈉、次氯酸鈉、碘化鉀和氯酸鉀。

（2）磨料

磨料決定著機(jī)械作用，磨料的種類、粒徑大小及其含量對(duì)拋光速率和工件表面質(zhì)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(diǎn)是拋光后工件亞表面損傷嚴(yán)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(jià)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(duì)效率較低。同一種磨料會(huì)有不同的晶體結(jié)構(gòu)，不同的晶體結(jié)構(gòu)會(huì)給磨料帶來(lái)不同的性質(zhì)，比如有些磨料容易團(tuán)聚而有些磨料分散性較好等。

稀土拋光粉

（3）固體潤(rùn)滑劑

潤(rùn)滑劑可以減小磨料的機(jī)械作用，在拋光過(guò)程中可以適量加入固體潤(rùn)滑劑來(lái)調(diào)節(jié)機(jī)械作用。目前常用的固體潤(rùn)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(duì)化學(xué)作用有明顯提高、固體粉末、無(wú)毒、環(huán)保、方便回收和廢料處理、方便存放運(yùn)輸、經(jīng)濟(jì)成本低和便于購(gòu)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(gè)成分均勻分散不團(tuán)聚，尤其是防止磨料的團(tuán)聚。

五、干式摩擦CMP的優(yōu)勢(shì)與挑戰(zhàn)

干式摩擦化學(xué)機(jī)械拋光（CMP）作為一種基于傳統(tǒng)CMP發(fā)展的新型拋光工藝，在加工效率和效果上與傳統(tǒng)CMP相當(dāng)甚至更優(yōu)，且拋光成本顯著降低，廢料可回收利用，符合綠色可持續(xù)發(fā)展的要求。然而，該技術(shù)在材料去除機(jī)理上仍存在未解難題，如化學(xué)和機(jī)械作用的交互機(jī)制、催化劑選擇對(duì)材料去除率的影響、拋光粉的團(tuán)聚現(xiàn)象、接觸面溫度對(duì)拋光效果的影響等。深入研究這些問(wèn)題，有望進(jìn)一步提升干式摩擦CMP的效率和經(jīng)濟(jì)性。

資料來(lái)源：

薛明普,肖文,李宗唐,等.單晶SiC基片干式摩擦化學(xué)機(jī)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(xué)機(jī)械拋光粉研制[D].河南科技學(xué)院,2023.DOI:10.27704/d.cnki.ghnkj.2023.000031.

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