中国粉体网讯 碳化硅（SiC）材料具有尺寸稳定性好、弹性模量大、比刚度大、导热性能好和耐腐蚀等性能，在现代工业领域应用广泛。
碳化硅结构图
在半导体领域，利用其具有禁带宽度、击穿场强高和导热性良好等特性，SiC成为继第一代半导体硅（Si）和第二代半导体砷化镓（GaAs）之后的第三代半导体理想材料。
三代半导体材料的性能对比
应用方面对碳化硅晶体的表面质量具有严格的要求。经过定向切割、研磨（粗研、精研）、粗抛之后，已经可以得到表面质量较好的碳化硅晶片，但是由于金刚石、碳化硼高硬度磨粒的使用，碳化硅晶片表面不可避免地会出现划痕、残余应力层和机械损伤层。因此，为了达到碳化硅的应用要求，需要进一步地提高碳化硅晶片的表面质量，减少划痕和降低表面粗糙度。
化学机械抛光技术是通过化学作用在工件表面生成一层软化膜，再通过机械作用去除的一种抛光方法。化学机械抛光技术是集成电路制造中获得全局平坦化的一种手段，该技术在硅片及IC集成电路的平坦化加工中取得极大的成功，能够获得既平坦、又无划痕和杂质玷污的表面。
1997年Zhou L等首次提出了将化学机械抛光技术应用到碳化硅的抛光加工上，并通过控制温度、抛光液酸碱性和使用粒径60nm左右的SiO2抛光颗粒对6H-SiC的Si面进行了抛光，使得碳化硅的表面粗糙度由2nm下降到0.5nm，材料去除率为200nm/h。
就SiC而言，其传统化学机械抛光可按照磨料存在状态分为游离磨料抛光和固结磨料抛光。
游离磨料抛光
游离磨料的化学机械抛光是一种传统的SiC材料抛光加工方式。游离磨料工艺装置主要由旋转工作台、试件装夹器及抛光液输送装置三部分构成。旋转工作台上粘贴有抛光垫并自旋转，外部通过承载器给晶片施加正压力，使得晶片与抛光垫两者之间有合适的正压力，能够产生相对运动。
游离磨料抛光示意图
在应用传统的游离磨料工艺抛光时，一般采用三体摩擦方式使得材料去除，即当磨料处于试件表面与抛光垫表面之间时，2个表面和磨料形成三体。三体摩擦中，磨料是不固定的，磨料在试件与抛光垫表面作移动或滚动。含磨料研磨液在试件与抛光垫之间流动，磨料较均匀地分布在抛光垫上，在压力作用下，尺寸较大的磨料嵌入抛光垫中，依靠露在外面的尖端划擦试件表面，通过剪切力来断开Si-C原子之间的共价键，达到材料的微量切除。另外在尺寸较小的磨料的滚轧作用下，微裂纹发生脆性崩裂破碎，试件微裂层材料得以去除。
三体摩擦
但在游离磨料工艺中采用三体摩擦方式，SiC材料表面会产生微裂纹，形成亚表面损伤。此外，工艺参数多、游离磨料的分散不稳定性对抛光效果均有较大的影响。另外，游离磨料会嵌在抛光表面，不易清洗。抛光过程中游离磨料还会导致抛光垫微孔堵塞，使得表面变得光滑，最终导致材料去除率逐渐下降。
固结磨料抛光
基于游离磨料化学机械抛光的缺点和对晶片平坦化要求的不断提高，20世纪90年代3M公司率先提出固结磨料的化学机械抛光（Fixed Abrasive-Chemical Mechanical Polishing，FA-CMP）技术，固结磨料化学机械抛光技术中不仅磨料的等高性较好，而且参与抛光的磨料增多，从而提高了材料去除率。固结磨料承受压强变小，切削层厚度降低，将会提高表面精度。
固结磨料抛光示意图
固结磨粒抛光加工装置与游离磨粒抛光装置类似，区别在于抛光垫不同，即固结磨粒抛光使用的是固结磨粒研磨抛光垫，同时使用树脂结合剂固结磨粒和去离子水及环保的化学试剂作为抛光液。该抛光过程为：来自外部的压力可以直接加载到磨料上，第一主体(晶片)由夹具夹持，磨料与第二主体(抛光垫)固定结合，限制了磨料的运动，抛光时磨料与第一主体(晶片)之间有相对滑动，进而利用固结磨粒研磨抛光垫表面出露的磨粒尖端对晶片表面实现材料的有效去除。
固结磨料抛光垫结构图
在应用传统的固结磨料工艺抛光时，采用二体摩擦方式，通过磨料的切削、耕犁断开Si-C原子之间的共价键，使得材料去除。
二体摩擦
在固结磨料工艺中，由于基于二体摩擦原理，不含磨料的研磨液具有依赖性较小、清洁简单和绿色环保等诸多优点；但工艺上也存在一些不足，例如：在固结磨料工艺处理过程中，采用突起均布的抛光垫，SiC晶片在抛光垫上形成运动轨迹的密度是不一样的，造成抛光垫的磨损不均和面形恶化，最后影响到所加工工件的面形；当前研究和应用的仍是以平面为主的固结磨料抛光垫，而SiC的应用场合又有许多为非平面，非平面固结磨料抛光垫模具的制备及固化方法难度则会相对增加。
游离磨粒抛光和固结磨粒抛光，均属于传统CMP方式，二者可通过结合化学反应和机械力的去除作用，实现碳化硅晶片表面的材料去除，但在应用方面还存在一些不足。
参考来源：
[1] 徐慧敏等，碳化硅晶片的化学机械抛光技术研究进展
[2] 王磊，碳化硅晶体电化学机械抛光工艺研究
[3] 孙兴汉等，碳化硅化学机械抛光中材料去除非均匀性研究进展
[4] 天科合达官网
[5] Zhou L., et al. Chemomechanical Polishing of Silicon Carbide.
（中国粉体网编辑整理/山林）
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