随着碳化硅（SiC）材料在半导体领域的应用越来越广泛，其加工工艺的重要性也日益凸显。作为一种具有优异性能的宽禁带半导体材料，SiC在高功率、高频率和高温环境中的应用前景广阔。

然而，由于其极高的硬度和化学稳定性，SiC材料的加工，尤其是表面抛光，一直是技术难题。常见的湿式化学机械抛光（CMP）工艺虽然能够实现高精度的抛光效果，但使用的大量化学品不仅增加了环境负担，也带来了废水处理和资源浪费等问题。

碳化硅衬底

在这样的背景下，一种新兴的干式摩擦化学机械抛光工艺开始受到关注。该工艺通过在干燥环境下实现化学和机械的协同作用，有望在不使用液体化学品的情况下完成SiC的高效抛光，从而为绿色环保的半导体制造提供新的解决方案。接下来，本文将探讨这一新型工艺的原理、优势以及面临的挑战。

一、SiC材料的特性与加工需求

碳化硅是一种原子晶体共价键化合物，基本组成单元为碳位于中心的四面体结构，四个硅原子围绕在碳原子周围，并与相邻基团共享。碳化硅的晶体结构类似于金刚石，根据四面体的堆积方式，碳化硅可分为立方晶系、六方晶系和棱方晶系。碳化硅有至少70种结晶形态，常见的有α-SiC、β-SiC、3C-SiC、4H-SiC和6H-SiC。

(a)3C-SiC、(b)4H-SiC 和 (c)6H-SiC 多型的碳化硅平面上的 Si 和 C 原子的排列

在制造基于SiC衬底材料的半导体器件时，往往要求衬底材料具有原子级光滑且无损伤的表面，否则就会影响器件性能。但碳化硅硬度比较高，属于硬脆性材料，它的莫氏硬度为9.2，仅次于莫氏硬度为10的金刚石。此外，碳化硅化学性质稳定，耐腐蚀性强，在空气中加热到1300℃时，表面易氧化生成二氧化硅薄层，能防止其进一步氧化，使其具有良好的抗氧化性，直到在加热高于1627℃时，这层氧化膜才会被破坏，这些性质都为碳化硅的精密加工带来了困难。

二、传统抛光工艺的挑战

当前SiC基片的制造过程包括切割、粗研磨、精研磨和抛光。在SiC基片的抛光技术中机械抛光、电化学机械抛光、等离子体辅助抛光、刻蚀抛光、紫外光辅助抛光磁流变抛光等不仅需要高温和大功率，而且所需的设备较为复杂。

化学机械抛光(CMP)虽然是目前公认的可实现全局纳米级超光滑平坦化的技术，但它也有一定的缺陷和局限性。如CMP的MRR较低，且往往使用了大量强酸、强碱、强氧化，甚至有毒的抛光浆液，管理和废料处理也相当麻烦，且会对环境造成较大污染，不符合绿色环保、可持续的制造理念；另外，CMP的耗材成本高昂，抛光浆料、抛光垫和修整盘等占总成本的70%左右，其中抛光浆料的成本占耗材的60%—80%。

CMP原理

三、干式摩擦化学机械抛光的原理

相比之下，干式摩擦化学机械抛光是一种基于摩擦化学磨损的新技术，通过摩擦产生的热量、硬质抛光盘的机械作用和金属催化，去除材料表面并实现高效抛光。

摩擦化学机械抛光装置

例如，单晶SiC基片的干式摩擦化学机械抛光原理如下图所示。首先，利用高硬度磨粒在抛光盘机械转动的带动下对SiC基片表面产生巨大应力（切向力和法向力），导致基片表面无序化，削弱Si-C键的结合强度，降低Si-C键与氧化物质之间发生反应的活化能，使氧化物质和无序层更容易发生反应。其次，在干式状态下界面区间更容易达到“闪点温度”，高“闪点温度”会进一步降低反应所需要的活化能，使SiC基片更容易被氧化。然后，固相氧化物质在剧烈的摩擦下生成大量氧气，形成的微区富氧环境会和SiC基片表面发生摩擦化学反应并生成更易去除的氧化层。最后，通过磨粒的机械作用将氧化层不断去除。

单晶 SiC 基片的干式摩擦化学机械抛光原理

相比传统的抛光方法，干式摩擦化学抛光具有去除率高、表面平整、残余应力低、成本低和化学污染少的优点。通过利用固相氧化剂等新技术，该方法为碳化硅等材料的抛光提供了新思路。

四、抛光粉配方选择

为了在不使用液体化学品的情况下实现有效抛光，就需要改进传统抛光配方，主要包括氧化剂、磨料、催化剂、固体润滑剂、分散剂和表面活性剂。这些抛光粉成分的选取决定着配方的抛光效果。

其中，氧化剂主要提供化学机械抛光过程中的化学作用，磨料主要提供机械作用，这两者对抛光后的表面质量和材料去除率有着直接影响，其他成分大多只是对这两者的提升和优化。所以，选择并探索适合组成抛光粉配方的氧化剂，在确定氧化剂的基础上再确定与之组合效果最佳的磨料和其他成分，是配方成分选择的主要研究思路。

（1）氧化剂

氧化剂是化学作用的核心，应该具有强氧化性、固体粉末、无毒、环保、方便回收和废料处理、方便存放运输、经济成本低和便于购买等特点。经查阅文献发现，可以使用的固体氧化剂有过碳酸钠、高锰酸钾、氢氧化钠、高铁酸钠、过硼酸钠、次氯酸钠、碘化钾和氯酸钾。

（2）磨料

磨料决定着机械作用，磨料的种类、粒径大小及其含量对抛光速率和工件表面质量有很大影响。目前，抛光 6H-SiC 单晶基片所使用的磨料有金刚石、碳化硅、氧化铝、二氧化硅、氧化铈等。

其中，金刚石的硬度比 6H-SiC 单晶基片大，抛光速率最高，但缺点是抛光后工件亚表面损伤严重，不能满足 6H-SiC 单晶基片的使用要求。相比之下，金刚石和氧化铈价格较高；金刚石抛光效率最高，碳化硅、氧化铝和二氧化硅抛光相对效率较低。同一种磨料会有不同的晶体结构，不同的晶体结构会给磨料带来不同的性质，比如有些磨料容易团聚而有些磨料分散性较好等。

稀土抛光粉

（3）固体润滑剂

润滑剂可以减小磨料的机械作用，在抛光过程中可以适量加入固体润滑剂来调节机械作用。目前常用的固体润滑剂有石墨，二硫化钼，滑石粉，氮化硼等。

（4）催化剂

催化剂的选择，要求其对化学作用有明显提高、固体粉末、无毒、环保、方便回收和废料处理、方便存放运输、经济成本低和便于购买。

（5）分散剂或表面活性剂

分散剂和表面活性剂的作用是使抛光粉的各个成分均匀分散不团聚，尤其是防止磨料的团聚。

五、干式摩擦CMP的优势与挑战

干式摩擦化学机械抛光（CMP）作为一种基于传统CMP发展的新型抛光工艺，在加工效率和效果上与传统CMP相当甚至更优，且抛光成本显著降低，废料可回收利用，符合绿色可持续发展的要求。然而，该技术在材料去除机理上仍存在未解难题，如化学和机械作用的交互机制、催化剂选择对材料去除率的影响、抛光粉的团聚现象、接触面温度对抛光效果的影响等。深入研究这些问题，有望进一步提升干式摩擦CMP的效率和经济性。

资料来源：

薛明普,肖文,李宗唐,等.单晶SiC基片干式摩擦化学机械抛光初探[J].金刚石与磨料磨具程,2024,44(01):101-108.DOI:10.13394/j.cnki.jgszz.2023.0052.

李宗唐.6H-SiC单晶基片干法化学机械抛光粉研制[D].河南科技学院,2023.DOI:10.27704/d.cnki.ghnkj.2023.000031.

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