與傳統半導體相比，單晶碳化硅作為新型半導體材料，具有禁帶寬度大、擊穿電場高、熱導率高、飽和電子漂移速率高等突出優點，可滿足在高頻高功率電子器件方面的需求，傳統半導體是無法代替的。因此，單晶碳化硅在電子元器件的應用成為未來發展的必然趨勢。

碳化硅晶片

但要發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——無論是劃切還是拋光，難度系數都不是一個等級的。具體難在哪？有什么改進的方法，我們接下來一起看看。

碳化硅加工難的原因

據悉，單晶碳化硅具有超高硬度，其莫氏硬度高達9.5，具有極其穩定的化學性質，在常溫下不與任何已知的強酸或強堿等化學試劑發生反應。之所以能具備如此這些特性，都要緣于SiC晶格共價鍵強度大的特點及極穩定的晶格結構。

如圖所示，SiC的晶格基本結構為1個Si-C四面體，由C原子與Si原子以共價鍵形式結合而成，四面體以1個C原子周圍分布4個Si原子或1個Si原子周圍分布4個C原子2種方式排列，屬于密堆積結構。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。在一個基本結構單元中的Si原子與相鄰基本結構單元相互共用，即在空間上形成相連牢固的骨架結構。若要通過外部加工手段改變這些穩定的基本結構，需要足夠的摩擦剪切力來斷開Si-C原子之間的共價鍵，即要消耗一定的熱能。

Si-C四面體晶格結構

總之，碳化硅性能雖好，但同時也不利于對材料的去除及表面質量的提升。目前國際上部分發達國家已具有成熟的碳化硅單晶襯底的制備技術，其中美國碳化硅單晶襯底技術最為成熟，壟斷了國際上80%的市場，而國內則處于起步狀態，距離國際頂尖水準還有較大差距，因此打破國際技術壟斷，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

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

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、機械拋光和化學機械拋光（精拋）。其中化學機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優化直接影響拋光效率和加工成本。

多線鋸加工過程中的碳化硅晶體

但由于SiC材料的高硬度與化學穩定性，傳統的CMP拋光過程中材料去除率較低。因此，業界開始鉆研與平坦化超精密加工技術配套的輔助增效技術，包括等離子輔助、催化劑輔助、紫外光輔助以及電場輔助等，具體如下：

學機械拋光協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工藝是通過等離子將表面材料氧化為較軟的氧化層，同時仍依靠磨料摩擦磨損去除材料的一種輔助化學機械拋光。

其基本原理為：通過射頻發生器反應氣體（如水蒸氣、O，等）產生含有自由基團（如OH自由基團、O自由基）的等離子體，具有較強氧化能力的自由基團對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材料表面達到原子級光滑面。但由于PAP工藝試驗設備價格和加工的費用較高，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

在工業領域應用中，為了探求SiC晶體材料高效超精密加工工藝，研究者采用試劑進行催化輔助化學機械拋光。其材料去除基本機理主要是在試劑催化作用下，在SiC表層反應生成硬度較軟的氧化層，利用磨料的機械去除作用去除氧化層．以獲得高質量表面。有文獻中采用Fe₃O₄催化劑和H₂O₂氧化劑在以金剛石W0.5為磨料的化學機械拋光技術下進行輔助增效，經過優化，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．有研究者在化學機械拋光工藝中采用紫外光輻射進行輔助催化。紫外光催化反應是強氧化反應之一，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生光催化反應，產生活性自由基(·OH)。

由于OH自由基團的氧化性較強．使其在SiC表層發生氧化反應，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合強度低于SiC晶片的內部結合強度，降低了磨料在拋光過程中的切削力，減小了在晶片表層上留下的劃痕深度，提高了表面加工質量。

4、電場輔助工藝

為提高SiC材料去除率，有研究者提出了電化學機械拋光(ECMP)技術。其基本原理是：通過在傳統化學機械拋光處理時，對拋光液施加直流電場，在電化學氧化下，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行去除，實現高效的超精密加工處理。但要注意，若陽極電流較弱，則加工表面質量較好，但材料去除率變化不大；若陽極電流較強，則材料去除率顯著提高。但陽極電流過強會導致表面精度下降及多孔現象。

總結

總之，化學機械拋光仍是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。但由于相關研究較少，對SiC材料的影響結果依舊缺乏可預見性。因此若能深入研究相關輔助工藝對化學機械拋光技術的影響，以定量與定性研究手段進一步揭示化學機械拋光輔助增效技術的加工機理，對于實現SiC材料產業化應用和推廣必將具有重要的意義。

資料來源：

徐慧敏,王建彬,李慶安,等. 碳化硅晶片的化學機械拋光技術研究進展[J]. 現代制造工程,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,2023,44(2):51-54. DOI:10.14176/j.issn.1001-3474.2023.02.014.

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