碳化硅由于硬度过硬（莫氏硬度在9-9.5之间）、不易与传统化学抛光剂发生反应等特性，在传统的化学机械抛光（CMP）中抛光效率低、表面材料去除率低、表面粗糙度高，难以满足产业化中高速率、高精度的需求。为了使碳化硅在CMP中可以有效提高抛光质量和抛光速率，研究人员探索了一系列化学机械抛光辅助技术。接下来，小编将为大家介绍碳化硅相关的化学机械抛光辅助技术。

芬顿反应辅助化学机械抛光

芬顿反应辅助化学机械抛光是一种利用芬顿反应来提高化学机械抛光效率的方法。芬顿反应是一种氧化反应，它是通过Fe²⁺的催化，将过氧化氢分解成氧化性极强的羟基自由基，这些羟基自由基具有极高的氧化还原电位，能够无选择性的氧化普通氧化剂难以氧化的物质，包括难以降解的芳香类化合物和杂环类化合物。在CMP抛光中，芬顿反应是通过产生羟基自由基来加速对碳化硅晶圆表面的氧化腐蚀，从而形成一层较软的二氧化硅氧化层，再通过机械作用去除，以实现晶圆表面平坦化的效果。芬顿反应是化学氧化，可以有效改善晶圆的表面质量，减少机械作用对表面的损伤，特别适用于难降解的有机物和半导体晶圆表面加工。但缺点是获得的材料去除率持续性较差，主要原因是随着反应的进行，Fe²⁺和过氧化氢的浓度会逐渐降低，在中性和碱性条件下，Fe³⁺可能并未全部转化成Fe²⁺，部分Fe³⁺会和OH^-发生反应，从而抑制自由基的产生，故抛光过程中化学作用会逐渐减弱，材料去除率逐渐降低。

芬顿反应辅助化学机械抛光原理图（图源：文献1）

等离子辅助抛光法

等离子辅助抛光法是一种利用等离子体技术进行材料表面改性和去除的先进抛光方法。等离子体是一种高能状态下的物质，包含自由电子、离子、自由基和激发态的原子或分子。在抛光过程中，将气体引入高频电源产生的等离子体区域内，气体会生成大量活性自由基团，这些自由基团会与碳化硅发生反应，将高硬度难加工的碳化硅表面氧化并生成硬度较低、易加工的二氧化硅氧化层，实现碳化硅表面的改性，然后通过磨料对碳化硅表面的氧化层进行高效抛光，最终获得光滑无损伤的表面。在等离子辅助抛光中，碳化硅晶片的材料去除率受到活性自由基的氧化能力和软磨料机械去除能力的共同影响，因为活性基团的生成速度有限，使得碳化硅表面的氧化层产生速度较慢；同时软磨料的机械抛光去除能力较差，使得等离子辅助抛光的材料去除率低。此外，实验设备造价高、加工成本高，这些因素限制了等离子辅助抛光技术的发展。

等离子辅助抛光法原理图（图源：文献2）

紫外光催化辅助化学机械抛光

紫外光催化辅助化学机械抛光法是一种结合了紫外光催化作用和传统化学机械抛光技术的新型抛光方法。它是通过紫外光（波长<380nm）照射TiO₂等光催化剂，以激发表面能级跃迁并产生电子-空穴对，空穴反应产生羟基自由基与碳化硅反应生成二氧化硅，在后续的机械作用下进行去除，从而得到原子级超光滑表面。在紫外光催化辅助抛光中，紫外光催化能够显著提高羟基自由基的生成效率，增强氧化能力，有效减少机械作用对表面的损伤，提高材料去除率和表面质量。同时，紫外光具有清洁、无污染的特点，有效减少引入外来杂质的风险，降低后续回收处理成本的可能性。但光催化剂产生的电子和空穴并不稳定，导致O₂与羟基自由基生成速率不稳定，因此碳化硅表面的氧化层的生成速率也不稳定，材料去除率较低。

紫外光催化辅助化学机械抛光原理图（图源：文献1）

电化学机械抛光

电化学机械抛光是一种结合了电化学腐蚀和机械磨削的表面加工技术，常用于金属和其他导电材料的精密抛光，尤其是在半导体制造中，用于平坦化硅晶圆表面。它是在电解质溶液中，将碳化硅通过外加的直流电流接在电源阳极进行腐蚀，使其被氧化，机械磨料在材料表面进行磨削作用，以去除因电化学反应而软化的材料层，从而实现全局平坦化。

电化学机械抛光技术可以均匀有效的去除材料，以实现亚微米、纳米级别的表面平整度，相较纯机械抛光，减少了表面损伤和应力，氧化效率稳定，通过控制外加电流可以控制抛光，相比于其他辅助技术抛光效率更高。

电化学机械抛光原理图（图源：文献1）

除了上述化学机械抛光辅助技术，还有催化剂辅助刻蚀法、电场辅助抛光等辅助技术，在实际的应用中，可以根据具体需求和条件选择合适的辅助技术或组合多种技术，以有效实现抛光效果最大化。但目前我们仍需探索更多的稳定、可控、低廉、工业易推广的碳化硅-CMP复合技术，以满足第三代半导体材料——碳化硅的晶片产业化加工需求。

参考文献：

1、单晶SiC的化学机械抛光及辅助技术的研究进展，上海大学理学院张佩嘉，雷红；

2、面向单晶SiC原子级表面制造的等离子体辅助抛光技术，物理学报[J].吉建伟,山村和也,邓辉.

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