与传统半导体相比，单晶碳化硅作为新型半导体材料，具有禁带宽度大、击穿电场高、热导率高、饱和电子漂移速率高等突出优点，可满足在高频高功率电子器件方面的需求，传统半导体是无法代替的。因此，单晶碳化硅在电子元器件的应用成为未来发展的必然趋势。

碳化硅晶片

但要发挥出碳化硅的高性能，前提就是制备出符合要求的碳化硅晶片。但不巧的是，碳化硅与硅相比，是一种很难处理的材料——无论是划切还是抛光，难度系数都不是一个等级的。具体难在哪？有什么改进的方法，我们接下来一起看看。

碳化硅加工难的原因

据悉，单晶碳化硅具有超高硬度，其莫氏硬度高达9.5，具有极其稳定的化学性质，在常温下不与任何已知的强酸或强碱等化学试剂发生反应。之所以能具备如此这些特性，都要缘于SiC晶格共价键强度大的特点及极稳定的晶格结构。

如图所示，SiC的晶格基本结构为1个Si-C四面体，由C原子与Si原子以共价键形式结合而成，四面体以1个C原子周围分布4个Si原子或1个Si原子周围分布4个C原子2种方式排列，属于密堆积结构。Si原子和C原子的距离b=0.189 nm，Si原子和Si原子的距离口=0.308 nm。在一个基本结构单元中的Si原子与相邻基本结构单元相互共用，即在空间上形成相连牢固的骨架结构。若要通过外部加工手段改变这些稳定的基本结构，需要足够的摩擦剪切力来断开Si-C原子之间的共价键，即要消耗一定的热能。

Si-C四面体晶格结构

总之，碳化硅性能虽好，但同时也不利于对材料的去除及表面质量的提升。目前国际上部分发达国家已具有成熟的碳化硅单晶衬底的制备技术，其中美国碳化硅单晶衬底技术最为成熟，垄断了国际上80%的市场，而国内则处于起步状态，距离国际顶尖水准还有较大差距，因此打破国际技术垄断，制备超光滑的碳化硅衬底晶片，具有十分重要的意义

碳化硅的辅助加工技术

尽管加工难度大，但为了让单晶碳化硅在电子元器件的应用成为未来的发展方向，让碳化硅器件得到大规模应用和推广，就必须要想方法解决碳化硅加工难的问题。

目前SiC材料加工工艺主要有以下几道工序：定向切割、晶片粗磨、精研磨、机械抛光和化学机械抛光（精抛）。其中化学机械抛光作为最终工序，其工艺方法选择、工艺路线排布和工艺参数优化直接影响抛光效率和加工成本。

多线锯加工过程中的碳化硅晶体

但由于SiC材料的高硬度与化学稳定性，传统的CMP抛光过程中材料去除率较低。因此，业界开始钻研与平坦化超精密加工技术配套的辅助增效技术，包括等离子辅助、催化剂辅助、紫外光辅助以及电场辅助等，具体如下：

学机械抛光协同辅助增效工艺示意图

1、等离子辅助工艺

YAMAMURA Kazuy等首次提出等离子辅助抛光(PAP)工艺，PAP工艺是通过等离子将表面材料氧化为较软的氧化层，同时仍依靠磨料摩擦磨损去除材料的一种辅助化学机械抛光。

其基本原理为：通过射频发生器反应气体（如水蒸气、O，等）产生含有自由基团（如OH自由基团、O自由基）的等离子体，具有较强氧化能力的自由基团对SiC材料表面氧化改性。获得一层较软的氧化层，然后利用软磨料（如CeO₂、Al₂O₃等）抛光去除该氧化层，使SiC材料表面达到原子级光滑面。但由于PAP工艺试验设备价格和加工的费用较高，因此也局限了PAP工艺加工SiC晶片的推广。

2、催化剂辅助工艺

在工业领域应用中，为了探求SiC晶体材料高效超精密加工工艺，研究者采用试剂进行催化辅助化学机械抛光。其材料去除基本机理主要是在试剂催化作用下，在SiC表层反应生成硬度较软的氧化层，利用磨料的机械去除作用去除氧化层．以获得高质量表面。有文献中采用Fe₃O₄催化剂和H₂O₂氧化剂在以金刚石W0.5为磨料的化学机械抛光技术下进行辅助增效，经过优化，在抛光速率为12.0 mg/h条件下获得表面粗糙度Ra=2.0～2.5 nm的表面。

3、紫外光辅助工艺

为了改善SiC表面平坦化加工工艺．有研究者在化学机械抛光工艺中采用紫外光辐射进行辅助催化。紫外光催化反应是强氧化反应之一，其基本原理是利用光催化剂在紫外光的作用下和电子捕捉剂发生光催化反应，产生活性自由基(·OH)。

由于OH自由基团的氧化性较强．使其在SiC表层发生氧化反应，生成一层较软的SiO₂氧化层（莫式硬度为7），而被软化的SiO₂氧化层更容易被磨料抛光去除；另一方面，氧化层与晶片表面之间结合强度低于SiC晶片的内部结合强度，降低了磨料在抛光过程中的切削力，减小了在晶片表层上留下的划痕深度，提高了表面加工质量。

4、电场辅助工艺

为提高SiC材料去除率，有研究者提出了电化学机械抛光(ECMP)技术。其基本原理是：通过在传统化学机械抛光处理时，对抛光液施加直流电场，在电化学氧化下，使得SiC抛光表面形成氧化层，氧化层的硬度显著降低。利用磨料将软化后的氧化层进行去除，实现高效的超精密加工处理。但要注意，若阳极电流较弱，则加工表面质量较好，但材料去除率变化不大；若阳极电流较强，则材料去除率显著提高。但阳极电流过强会导致表面精度下降及多孔现象。

总结

总之，化学机械抛光仍是SiC材料最有潜力的平坦化超精密加工方法，但为了更高效地获得高质量SiC晶片，以上提及的辅助工艺都是具有潜力的选择。但由于相关研究较少，对SiC材料的影响结果依旧缺乏可预见性。因此若能深入研究相关辅助工艺对化学机械抛光技术的影响，以定量与定性研究手段进一步揭示化学机械抛光辅助增效技术的加工机理，对于实现SiC材料产业化应用和推广必将具有重要的意义。

资料来源：

徐慧敏,王建彬,李庆安,等. 碳化硅晶片的化学机械抛光技术研究进展[J]. 现代制造工程,2022(6):153-161,116. DOI:10.16731/j.cnki.1671-3133.2022.06.022.

甘琨,刘彦利,史健玮,等. 碳化硅晶片的超精密抛光工艺[J]. 电子工艺技术,2023,44(2):51-54. DOI:10.14176/j.issn.1001-3474.2023.02.014.

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