碳化硅(SiC)作為第三代半導體材料，由于具備卓越的熱導率、高硬度和寬禁帶特性，被廣泛應用于制造高效能的功率電子器件中，使其成為現代科技發展的關鍵材料之一。比如說碳化硅MOSFET（金屬氧化物半導體場效應晶體管）由單晶SiC制成，具有更高的擊穿電壓和更低的導通電阻，因此可以在高頻、高溫環境下穩定工作，備受電動汽車領域青睞。

碳化硅單晶

SiC晶錠通過晶片加工工藝制備襯底晶圓的過程中，拋光工序是一個至關重要的步驟，主要原因如下：

①拋光能夠顯著提升單晶表面的光滑度和潔凈度，還能減少表面缺陷，從而提高晶片的整體性能和使用壽命；

②拋光過程還可以去除表面的微小劃痕和損傷，防止在后續加工步驟中出現裂紋或其他問題，從而減少廢品率和生產成本。

因此，拋光不僅是提升SiC晶圓的重要步驟，也是確保其在電子和光電子領域中廣泛應用的基礎。

單晶SiC拋光的主要方式

查閱資料可知，當SiC作為襯底材料時，要實現大規模應用，則外延層要求襯底達到表面粗糙度的均方根(root mean square，RMS)值小于1 nm的納米級光滑表面和晶格完整的無損傷表面。由于單晶SiC化學性質穩定，與強酸或強堿在常溫條件下很難發生反應，且SiC是高硬脆性材料，其拋光加工難度較大。

目前，化學機械拋光(CMP)已經成為為數不多的能實現全局平坦化的技術，即CMP通過化學和機械的雙重作用，去除材料的表面粗糙峰及缺陷，得到光滑表面。那么CMP拋光液中都包含了什么成分，以及這些成分各自都發揮了什么作用呢？

SiC的化學機械拋光原理圖

單晶SiC拋光液的基本成分

拋光液通常由磨料、氧化劑和其他功能添加劑等組成，在CMP過程中這些成分相互作用并與SiC晶圓反應，拋光液的種類和含量不同拋光效果也不同。

CMP拋光液

1、磨料

拋光液中，對磨料的要求是十分苛刻的，如果磨料太軟，則材料移除速率太低，而如果磨料過硬，則會對材料表面造成損傷。因此選擇硬度合適的磨料非常關鍵。在CMP中，常用的作為磨料的主要有：氧化硅(SiO₂)、氧化鋁(Al₂O₃)、氧化鈰(CeO₂)和氧化錳(MnO₂)。

曾有研究員幣比較SiC、Al₂O₃和SiO₂三種磨料對被拋光材料的材料移除率的影響，發現移除率排序和硬度正相關，即SiC＞Al₂O₃＞SiO₂。但由于單一的高硬度無機磨料直接沖擊拋光工件的表面會使其嚴重損傷，工件表面產生凹坑使表面粗糙度增大，因此混合磨料和復合磨料逐漸被用于CMP過程中。

磨料硬度對表面粗糙度的影響：(a)SiO₂ (b)Al₂O₃

另外，磨料的粒徑也會對拋光效果造成影響。2014年，Shi等研究了SiO₂粒徑大小對4H-SiC的Si面拋光影響，指出磨料尺寸是決定CMP效率和晶圓平坦化質量的重要因素——大粒徑SiO₂磨料可以得到較高的平坦化效率，但半坦化質量較低；而小粒徑SiO₂磨料可以得到較好的平坦化質量，但半坦化效率較低。

2、氧化劑

單晶SiC化學硬度大（莫氏硬度為9.2)，僅通過機械作用難以去除，又因其化學惰性，為強化CMP過程中的化學氧化作用，所以常使用H₂O₂、KMnO₄等氧化劑將SiC氧化成硬度更低的物質去除。

但是，H₂O₂的氧化能力較弱，得到的材料去除率較低，因此在碳化硅的拋光中更常使用KMnO?強氧化劑。可KMnO?腐蝕性強，環境污染較大，需要進一步研究更綠色環保的氧化體系。

3、其他功能性添加劑

其他功能性添加劑主要包括表面活性劑、分散劑、pH調節劑等，這些添加劑的加入有利于提高拋光效率。

①表面活性劑：表面活性劑具有分散、濕潤等特點，可以提高磨料分散性能，增加晶圓表面的濕潤度。由于SiC表面活化能較高，可加入表面活性劑使其降低，增強化學反應。

②分散劑：在CMP循環過程中，由于局部粒子或鹽濃度的波動從而導致磨料顆粒的聚集可能會改變拋光液的性能。因此加入分散劑可以有效提高磨粒在拋光液中的分散性，使磨粒均勻分布。

磨料分散穩定性對表面粗糙度的影響：(a)分散(b)硬聚集(c)軟聚集

③pH調節劑：拋光液的pH值對拋光效果有很大影響，pH調節劑電離出的離子可以和晶圓表面的氧化層發生化學反應。拋光SiC一般采用堿性pH調節劑，在堿性條件下拋光液穩定且分散均勻。

④緩蝕劑：緩蝕劑可以防止基材腐蝕，保護被拋光的碳化硅單晶表面，可為無機緩蝕劑或有機緩蝕劑。

⑤粘度調節劑：可以調整拋光液的粘度，確保拋光過程中的適宜流動性，一般可選自甘油、聚乙二醇、明膠、骨膠中的一種或多種。

總結

總之，各成分在拋光過程中各司其職，均發揮著重要作用。然而，CMP拋光液的配方設計并非一成不變，必須根據實際生產需求靈活調整各成分的配比。

此外，為了進一步增加SiC表面的材料去除率和拋光質量，業界也開始嘗試探索了一系列輔助技術，如芬頓反應輔助化學機械拋光、紫外光催化輔助化學機械拋光、電化學機械拋光等。這些新興技術不僅提高了拋光效率，還有效地降低了表面缺陷和損傷層，為實現更高質量的拋光效果提供了更多可能性。隨著技術的不斷進步，我們期待未來的拋光技術能變得更加高效，推動單晶SiC在各個高科技領域的廣泛應用。

參考文獻：

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