在半導體行業向第三代半導體材料升級的浪潮中，碳化硅晶圓因具備高熱導率、高擊穿電壓等優異性能，在高溫、高壓、高頻等極端工況下展現出顯著優勢，有望重塑新能源汽車、光伏、儲能等萬億級市場。但這種材料的"硬骨頭"特性——莫氏硬度高達9.5（僅次于金剛石）、斷裂韌性低至3 MPa·m?·?——使得對其表面加工的研磨拋光技術面臨巨大挑戰，不僅加工效率、去除速率低，還易產生微裂紋，表面劃痕、亞表面損傷缺陷增多等問題。本文將聚焦從碳化硅晶圓的粗磨、精磨到粗拋、精拋中使用的研磨拋光材料與技術，看看它們是如何啃下碳化硅晶圓這塊“硬骨頭”的。

研磨工藝

碳化硅晶圓的研磨分為粗磨與精磨兩個階段，其核心目標是去除切割后的損傷層，修正晶圓厚度和平行度。這一環節中，磨料和研磨盤的選擇至關重要。

（1）粗磨階段：鑄鐵盤搭配單晶金剛石研磨液

粗磨主要要求能夠快速去除碳化硅晶圓在切割過程中產生的表面損傷層和刀痕，降低總厚度偏差（TTV）、彎曲度（BOW）、翹曲度（WARP）。目前，在粗磨工藝及材料的選擇上，目前比較主流的解決方案是鑄鐵盤研磨搭配5-30μm粒徑單晶金剛石研磨液。利用單晶金剛石高硬度（莫氏硬度10）通過機械磨削直接“啃削”碳化硅表面。而搭配鑄鐵盤剛性支撐，可實現達到快速去除材料的目的，有效修復晶圓面型，加工后表面粗糙度Ra≈50 nm。

該種方式的優勢在于鑄鐵盤的成本較低，是一種具有高性價比的加工方式，不過由于碳化硅硬度較大，鑄鐵盤通常磨損較快，需要頻繁更換，導致產品面型不穩定。

（2）精磨階段：聚氨酯發泡Pad搭配多晶金剛石研磨液

精磨階段主要是去除粗研留下的損傷層，以及保證研磨后晶片的面型精度，為下一步的拋光做準備。在這個階段中，通常可選用聚氨酯發泡Pad搭配多晶金剛石研磨液來進行。利用多晶金剛石良好的韌性和聚氨酯發泡Pad的強適應性，在研磨拋光過程中能夠保持高磨削力的同時不易產生劃傷，最終將表面粗糙度降至Ra2-3 nm。

（2）金剛石砂輪結合高穩定性超精密減薄設備

金剛石砂輪是以金屬、陶瓷或樹脂作為結合劑，通過特殊工藝將微納米級金剛石磨料固結成中央通孔圓盤形的精密磨具。利用其與超精密減薄設備配合使用時，憑借高自動化、高磨削效率、長壽命、低破片率和精準面型控制等優勢，在大尺寸碳化硅晶圓的單面粗磨或精磨有著明顯的優勢。

目前，日本在該領域的技術較為領先，可利用30000#精拋砂輪將晶圓表面粗糙度降至Ra＜2nm，為后續化學機械拋光（CMP）直接提供合格表面，但國內相關設備和砂輪仍處于研發階段，尚未實現進口替代。

金剛石砂輪的研磨原理

拋光工藝

為保障導電性、耐壓性和可靠性，半導體晶圓對于表面粗糙度的要求及其嚴格。研磨雖能消除晶圓切割后的宏觀損傷，但表面仍存在2-5μm的微觀亞表面缺陷 ，因此需通過拋光進一步徹底去除。CMP（化學機械拋光）技術作為唯一可實現全局平坦化的拋光技術，可通過化學腐蝕與機械磨削的協同作用，使碳化硅晶圓達到原子級超高平整度。

化學機械拋光原理

CMP過程中，拋光液在 起著舉足輕重的作用，不同磨料、不同化學成分的拋光液，以及拋光墊等耗材對碳化硅平坦化效果都有重要影響。

· 超細金剛石拋光液：金剛石是目前已知存在硬度最大的天然材料，能夠快速拋光碳化硅材料，但由于產品表面粗糙度大，后續需精拋；

· 氧化鋁拋光液：氧化鋁的莫氏硬度為9，雖然在硬度上稍遜于碳化硅（莫氏硬度為9.3），但在高錳酸鉀作為氧化劑的拋光液協同作用下，仍能對碳化硅有著很好的去除作用，一般搭配硬度較大的無紡布拋光墊，常用于粗拋。

· 二氧化硅拋光液：二氧化硅的硬度較小，用其配置的拋光液去除速率較小，但能為碳化硅襯底帶來極高的表面光潔度和平整度，常搭配雙氧水或KMnO₄作為催化劑和氧化劑在堿性條件下使用，使SiC表面與氫氧基進行化學反應，生成SiO₂改質層，最后在磨粒機械作用下去除，適用于SiC晶圓的精拋。

·二氧化鈰拋光液：同樣常用于SiC精拋，一般由二氧化鈰磨料、高錳酸鹽及其他添加劑構成。高錳酸鹽負責氧化SiC，使其轉化為更容易去除的SiO₂，而CeO₂會與二氧化硅形成 Si_x - O - Ce_x 鍵，加速二氧化硅的去除。

二氧化鈰拋光液拋光SiC元原理（來源：網絡）

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