中国粉体网讯 碳化硅作为第三代半导体的代表性材料，兼具宽禁带、高击穿场强、高热导率和优异的高温稳定性，是新能源汽车、光伏储能、智能电网、人工智能（AI）算力基础设施和先进封装热管理的重要基础材料。
来源：吉致电子
晶片制备是晶圆制造的基础和前提，晶片的质量对于晶圆制造的良率以及半导体器件的性能至关重要。晶片抛光是SiC晶片制备的最终材料去除过程，其主要目的是去除切割、研磨等工序残余的表面和亚表面损伤，从而获得低粗糙度、无损伤的晶片表面。为了使SiC晶片表面达到超光滑、无缺陷、无损伤的加工要求，超精密抛光被广泛用作SiC的精加工工艺，改善SiC晶片的表面粗糙度和平整度，进一步提高SiC晶片的表面质量。
目前，单晶SiC的超精密抛光加工方法主要有机械研磨、磁流变抛光、化学机械抛光、电化学机械抛光、光催化化学机械抛光和等离子体辅助抛光等。
机械研磨
机械研磨是最传统的加工单晶碳化硅的方法，通过工件与磨料之间的相对滑动实现被加工件表面材料的脱落。根据磨料的存在形式不同可分为游离磨料研磨和固着磨料磨削。通常，游离磨料研磨先采用粒径为4~8µm的金刚石微粉对碳化硅晶片进行粗研磨，然后再用0~0.5µm的金刚石微粉进行精研磨。固着磨料磨削一般采用粒度不同的金属结合剂的金刚石砂轮进行磨削，获得平整的单晶碳化硅表面。
机械研磨原理图
机械研磨技术的去除机理是机械破碎去除，由于碳化硅材料的高硬度和稳定的化学特性，材料去除率较低，表面效果不是很好，工件表面损伤较大。
磁流变抛光
磁流变抛光原理图
磁流变抛光利用磁流变抛光液在磁场中的流变效应，生成质地较硬且具有弹性的宾汉体介质，与磨粒相互配合，对碳化硅表面的接触点形成剪切力，实现接触点材料的去除，磁流变抛光属于一种柔性加工方式，表面去除量容易控制，加工的表面精度比较高，且不会对材料表面造成损伤，缺点是摩擦去除面积较小，适合用于曲面的加工。
化学机械抛光（CMP）
化学机械抛光技术是结合了化学反应与机械作用的表面处理技术，由于其加工成本较低、具备相对成熟的研究背景，所以在半导体加工行业中有广泛应用，同样也是SiC抛光的主要技术手段。抛光液中的氧化剂与SiC表面发生氧化反应，导致其表面形成Si-C-O软性氧化层；氧化层的硬度明显低于SiC的硬度，从而确保了其可通过抛光液中磨粒产生的机械作用而去除。然而，工件初始尺寸与形状的差异，会影响整个衬底的平坦度与翘曲程度。
化学机械抛光原理图
化学机械抛光能使待加工表面粗糙度较小，损伤较少，是目前应用较多的一种获得平坦的原子级表面的加工方法。但是在化学机械抛光碳化硅的过程中，影响因素较多，抛光过程中压力、转速、pH值均能够影响氧化层的形成和去除，存在材料去除率较小、设备腐蚀严重、抛光液后续处理、环境污染等问题。
电化学机械抛光（ECMP）
电化学机械抛光原理图
电化学机械抛光是在传统CMP基础上引入电化学阳极氧化作用的复合抛光技术。其基本原理是以SiC晶片作为阳极，通过外加电压促进SiC表面发生电化学氧化并形成SiO2或硅氧化物层，再由软磨料和抛光垫机械去除氧化层，实现“电化学氧化-机械去除”的循环过程。与传统CMP主要依赖化学氧化剂不同，电化学机械抛光可通过电压、电流密度和电解质组成调控表面氧化速率，有助于实现化学氧化与机械去除之间的动态平衡。由于电化学机械抛光可采用中性或弱腐蚀性电解质，因此在环境友好性和过程可控性方面具有一定优势。
光催化化学机械抛光
光催化辅助化学机械抛光
光催化辅助化学机械抛光方法是利用纳米TiO2的光催化作用产生强氧化性羟基自由基·OH氧化SiC表面，然后用磨料去除生成氧化层。在光催化辅助化学机械抛光过程中，加入紫外光，利用纳米TiO2生成的羟基自由基·OH的强氧化性能够有效地促进抛光速率，但是受紫外光和催化剂TiO2的影响，羟基自由基·OH生成效率有限，SiC表面氧化层生成慢，因此材料去除率依旧不高。
等离子体辅助抛光（PAP）
等离子体辅助抛光原理图
碳化硅PAP是一种在传统CMP过程中引入等离子体辅助作用的技术。PAP的材料去除机理主要涉及等离子体化学反应和机械磨削作用，即通过化学反应实现晶片表面的无损伤加工，同时结合机械磨削作用对材料进行去除，提高晶片表面材料的去除率。PAP技术结合了离子体化学反应和机械磨削作用两者的优势，不会对晶片亚表面造成损伤。
碳化硅PAP的原理为：首先，对碳化硅表面改性，即进行等离子体辐照；其次，具有强氧化性等离子体中的自由基与碳化硅表面的原子发生化学反应，生成较软的改性层；最后，使用软磨料对改性层进行抛光，去除该改性层。如此交替进行的过程，使晶片的表面逐渐变平整，最终产生无损伤的晶片平坦表面。
在PAP碳化硅中，材料去除率不仅受活性自由基及氧化层生成速率较低的影响，还受磨料硬度的影响，因此在PAP碳化硅中要解决以上因素的影响。另外，PAP设备价格昂贵，加工费用较高，限制了PAP碳化硅晶片的推广。
参考来源：
唐爱玲.振动辅助光催化抛光碳化硅机理研究
王雪.电助光催化辅助抛光碳化硅晶片工艺研究
王泽晓.碳化硅超声辅助化学机械抛光流场特性及工艺试验研究
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
（中国粉体网编辑整理/初末）
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