碳化硅(SiC)材料具有尺寸穩(wěn)定性好、彈性模量大、比剛度大、導熱性能好和耐腐蝕等性能，廣泛應用于半導體、光學鏡面、機械密封等現(xiàn)代工業(yè)領(lǐng)域，許多領(lǐng)域往往對其表面加工質(zhì)量有較高的要求，SiC的表面平坦化質(zhì)量直接影響制件性能，決定了制件的成品率。隨著SiC的應用和發(fā)展逐步廣泛和深入，其加工精度要求日益增長。但SiC屬于典型的脆硬性材料，其平坦化加工時在力的作用下易產(chǎn)生微裂紋，亞表層缺陷多，使得該材料面臨加工效率低、加工困難及加工成本居高不下等問題，制約了其大規(guī)模應用和推廣。

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(shù)優(yōu)化直接影響拋光效率和加工成本。傳統(tǒng)化學機械拋光按照磨料存在狀態(tài)可分為游離磨料拋光和固結(jié)磨料拋光。

關(guān)于化學機械拋光的原理及游離磨料、固結(jié)磨料的介紹可以看以下文章：

1. 化學機械拋光技術(shù)（CMP）中有哪些核心材料？

2. 超薄電子玻璃適合用哪些材料拋光？

SiC化學機械拋光輔助增效方法

SiC 晶型結(jié)構(gòu)特點使得SiC材料具有較高硬度與化學穩(wěn)定性，導致在拋光過程中材料去除率較低，因此探索基于化學機械拋光基本工藝的輔助增效手段，對于實現(xiàn)SiC材料產(chǎn)業(yè)化應用和推廣具有重要的意義。

化學機械拋光輔助增效技術(shù)材料去除機理本質(zhì)是通過輔助增效技術(shù)手段來控制SiC表面較軟氧化層的形成并從力學上改善SiC氧化層材料的去除方式。目前拋光中的輔助增效手段主要有等離子輔助、催化劑輔助、紫外光輔助和電場輔助。

化學機械拋光協(xié)同輔助增效工藝示意圖

1.等離子輔助工藝

等離子輔助拋光(Plasma Assisted Polishing，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(fā)生器(RF)使反應氣體（如水蒸氣、O₂等）產(chǎn)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。

不過在PAP工藝過程中，SiC晶片表面處理是在電離出等離子體產(chǎn)生的活性自由基氧化軟化晶片表層基礎(chǔ)上用軟磨料進行機械去除，故材料去除率(Material Removal Rate,MRR)不僅受活性自由基及氧化層生成速率較慢的影響，還受磨料軟質(zhì)性的影響，導致SiC晶片的MRR較低；另外，由于PAP工藝試驗設(shè)備價格和加工的費用較高，局限了PAP工藝加工SiC晶片的推廣。

二、催化劑輔助工藝

催化劑輔助工藝的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(zhì)量表面。

例如采用Fe₃O₄催化劑和H₂O₂氧化劑在以金剛石為磨料的化學機械拋光技術(shù)下進行輔助，可獲得較理想粗糙度的表面。

三、紫外光輔助工藝

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(fā)生光催化反應，產(chǎn)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(fā)生氧化反應，生成一層較軟的SiO₂氧化層，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(jié)合強度低于SiC晶片的內(nèi)部結(jié)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(zhì)量。

四、電場輔助工藝

電化學機械拋光(Electrochemical Mechanical Polis-hing,ECMP)技術(shù)的基本原理是通過在傳統(tǒng)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(xiàn)高效的超精密加工處理。

電化學機械拋光裝置示意圖

采用這種方法時，若陽極電流較弱，則加工表面質(zhì)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(xiàn)象。由此可見，對化學機械拋光施加外電場進行電化學機械拋光時，試件表層的氧化速率和材料去除率相協(xié)調(diào)的問題，是高效獲得光滑表面的關(guān)鍵點。

總結(jié)

由于化學和機械的共同作用，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，由于SiC材料本身具有可加工性差、脆性強及硬度高等不利于加工的特點，現(xiàn)階段SiC材料的化學機械拋光技術(shù)仍存在一些問題。新型的化學機械拋光輔助增效技術(shù)已經(jīng)進入了嘗試和摸索階段，但不同的化學機械拋光輔助增效

技術(shù)對SiC材料的影響不同，結(jié)果缺乏可預見性，各類化學機械拋光輔助增效技術(shù)的研究在廣度上和深度上還不夠，未來仍需從拋光原理、材料表面磨削的精確檢測及優(yōu)化做更深入的探索。

參考來源：

1. 碳化硅晶片的化學機械拋光技術(shù)研究進展，徐慧敏、王建彬、李慶安、潘飛（現(xiàn)代制造工程）；

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

3. 單晶碳化硅晶片高效超精密拋光工藝，何艷、苑澤偉、段振云、張幼軍（哈爾濱工業(yè)大學學報）。

粉體圈 小吉

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