碳化硅由于硬度過硬（莫氏硬度在9-9.5之間）、不易與傳統化學拋光劑發生反應等特性，在傳統的化學機械拋光（CMP）中拋光效率低、表面材料去除率低、表面粗糙度高，難以滿足產業化中高速率、高精度的需求。為了使碳化硅在CMP中可以有效提高拋光質量和拋光速率，研究人員探索了一系列化學機械拋光輔助技術。接下來，小編將為大家介紹碳化硅相關的化學機械拋光輔助技術。

芬頓反應輔助化學機械拋光

芬頓反應輔助化學機械拋光是一種利用芬頓反應來提高化學機械拋光效率的方法。芬頓反應是一種氧化反應，它是通過Fe²⁺的催化，將過氧化氫分解成氧化性極強的羥基自由基，這些羥基自由基具有極高的氧化還原電位，能夠無選擇性的氧化普通氧化劑難以氧化的物質，包括難以降解的芳香類化合物和雜環類化合物。在CMP拋光中，芬頓反應是通過產生羥基自由基來加速對碳化硅晶圓表面的氧化腐蝕，從而形成一層較軟的二氧化硅氧化層，再通過機械作用去除，以實現晶圓表面平坦化的效果。芬頓反應是化學氧化，可以有效改善晶圓的表面質量，減少機械作用對表面的損傷，特別適用于難降解的有機物和半導體晶圓表面加工。但缺點是獲得的材料去除率持續性較差，主要原因是隨著反應的進行，Fe²⁺和過氧化氫的濃度會逐漸降低，在中性和堿性條件下，Fe³⁺可能并未全部轉化成Fe²⁺，部分Fe³⁺會和OH^-發生反應，從而抑制自由基的產生，故拋光過程中化學作用會逐漸減弱，材料去除率逐漸降低。

芬頓反應輔助化學機械拋光原理圖（圖源：文獻1）

等離子輔助拋光法

等離子輔助拋光法是一種利用等離子體技術進行材料表面改性和去除的先進拋光方法。等離子體是一種高能狀態下的物質，包含自由電子、離子、自由基和激發態的原子或分子。在拋光過程中，將氣體引入高頻電源產生的等離子體區域內，氣體會生成大量活性自由基團，這些自由基團會與碳化硅發生反應，將高硬度難加工的碳化硅表面氧化并生成硬度較低、易加工的二氧化硅氧化層，實現碳化硅表面的改性，然后通過磨料對碳化硅表面的氧化層進行高效拋光，最終獲得光滑無損傷的表面。在等離子輔助拋光中，碳化硅晶片的材料去除率受到活性自由基的氧化能力和軟磨料機械去除能力的共同影響，因為活性基團的生成速度有限，使得碳化硅表面的氧化層產生速度較慢；同時軟磨料的機械拋光去除能力較差，使得等離子輔助拋光的材料去除率低。此外，實驗設備造價高、加工成本高，這些因素限制了等離子輔助拋光技術的發展。

等離子輔助拋光法原理圖（圖源：文獻2）

紫外光催化輔助化學機械拋光

紫外光催化輔助化學機械拋光法是一種結合了紫外光催化作用和傳統化學機械拋光技術的新型拋光方法。它是通過紫外光（波長<380nm）照射TiO₂等光催化劑，以激發表面能級躍遷并產生電子-空穴對，空穴反應產生羥基自由基與碳化硅反應生成二氧化硅，在后續的機械作用下進行去除，從而得到原子級超光滑表面。在紫外光催化輔助拋光中，紫外光催化能夠顯著提高羥基自由基的生成效率，增強氧化能力，有效減少機械作用對表面的損傷，提高材料去除率和表面質量。同時，紫外光具有清潔、無污染的特點，有效減少引入外來雜質的風險，降低后續回收處理成本的可能性。但光催化劑產生的電子和空穴并不穩定，導致O₂與羥基自由基生成速率不穩定，因此碳化硅表面的氧化層的生成速率也不穩定，材料去除率較低。

紫外光催化輔助化學機械拋光原理圖（圖源：文獻1）

電化學機械拋光

電化學機械拋光是一種結合了電化學腐蝕和機械磨削的表面加工技術，常用于金屬和其他導電材料的精密拋光，尤其是在半導體制造中，用于平坦化硅晶圓表面。它是在電解質溶液中，將碳化硅通過外加的直流電流接在電源陽極進行腐蝕，使其被氧化，機械磨料在材料表面進行磨削作用，以去除因電化學反應而軟化的材料層，從而實現全局平坦化。

電化學機械拋光技術可以均勻有效的去除材料，以實現亞微米、納米級別的表面平整度，相較純機械拋光，減少了表面損傷和應力，氧化效率穩定，通過控制外加電流可以控制拋光，相比于其他輔助技術拋光效率更高。

電化學機械拋光原理圖（圖源：文獻1）

除了上述化學機械拋光輔助技術，還有催化劑輔助刻蝕法、電場輔助拋光等輔助技術，在實際的應用中，可以根據具體需求和條件選擇合適的輔助技術或組合多種技術，以有效實現拋光效果最大化。但目前我們仍需探索更多的穩定、可控、低廉、工業易推廣的碳化硅-CMP復合技術，以滿足第三代半導體材料——碳化硅的晶片產業化加工需求。

參考文獻：

1、單晶SiC的化學機械拋光及輔助技術的研究進展，上海大學理學院張佩嘉，雷紅；

2、面向單晶SiC原子級表面制造的等離子體輔助拋光技術，物理學報[J].吉建偉,山村和也,鄧輝.

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