碳化硅（SiC）作为第三代半导体的核心代表，凭借其宽禁带、高击穿场强、高导热系数等优异特性，正在重塑新能源汽车、5G通信、轨道交通等领域的功率器件格局。然而，其高达9.2～9.3的莫氏硬度以及极强的化学惰性，使得其晶圆加工成为决定器件性能与良率的关键瓶颈，是一块名副其实的“硬骨头”。

传统的晶圆精抛工序广泛采用的胶体二氧化硅（SiO₂）磨料，虽能获得极低的表面粗糙度，但其硬度远低于碳化硅，材料去除速率极低；而金刚石磨料又太 “刚”，容易划出深划痕，造成亚表面损伤；因此，硬度适配、物化性质稳定的氧化铝（Al₂O₃） 成为SiC精抛磨料的核心候选。尤其是百纳米级（100～150 nm）氧化铝，因其在机械去除能力与表面缺陷控制之间取得了理想的平衡，正在成为高端碳化硅CMP精抛液中的主力选手。

为什么是百纳米级氧化铝？

磨料的粒径选择本质上取决于去除效率与表面质量之间的平衡，微米级磨料（>1 μm）虽能提供较高的机械去除率，但容易在晶圆表面造成深划伤、凹坑等致命缺陷，无法满足原子级平坦度的要求。更细的磨料则容易团聚，且切削力不足，抛光效率大幅下降，难以突破碳化硅的高硬度壁垒。而百纳米左右的氧化铝磨料具有足够动量实现有效的机械研磨，同时若形貌控制得当，可在抛光垫的约束下实现“滚动研磨”，将划伤风险降至可控范围。如今，这一粒径范围已逐渐成为当前高端碳化硅精抛液的主流技术路线。

来源：丹东百特

当然，除了粒径，SiC 精抛对磨料还有如下要求需要满足：

（1）粒径分布：对于百纳米氧化铝，单分散性的重要性不亚于粒径绝对值。即便平均粒径控制在百纳米级别，但若粒径分布宽，不仅会降低抛光均匀性，其中的大颗粒还会在抛光过程中形成深划伤，直接导致芯片报废。

（2）形貌：不规则形状（如片状、针状、多棱角状）的氧化铝颗粒在抛光过程中极易切入晶圆表面产生划痕。而球形或类球形的颗粒则能在抛光垫与晶圆之间以滚动方式参与材料去除，将剪切力有效分散，显著降低缺陷密度。

（3）晶型：氧化铝存在多种晶型（γ、δ、θ、α等），其中α-Al₂O₃是热力学最稳定的相，也是硬度最高（莫氏硬度9）、化学惰性最强的晶型。在CMP过程中，α相氧化铝能提供持续稳定的机械切削力，且不与常规抛光液中的酸碱介质发生不可控反应。

（4）超高纯度：金属杂质必须控制在极低水平，否则会污染晶圆，影响器件性能。

如何制备？

针对上述难点，目前主流且适用于SiC晶圆CMP精抛的百纳米α-Al₂O₃制备方法主要包括以下几类：

1、固相法

固相法反应一般分为两种类型，一种是采取高能球磨等机械方式，使较粗的氧化铝原材料受到猛烈的撞击而不断的进行搅拌和研磨，从而达到彻底粉碎，该技术操作简单，但由于收到工艺本身的很大限制，往往很难得到颗粒细小、纯度高的α-Al₂O₃粉体。

另一种是将铝盐原料利用高能球磨等方式研磨粉碎并活化，促使固相反应的发生，而生成纳米氧化铝。比如，硫酸铝铵热解法就是在特定温度条件下，使硫酸铝铵不断热分解，可以获得200-300nm的球形Al₂O₃粉末。

硫酸铝铵热解方程式

2、液相法

液相法是目前工业化生产和实验室制备纳米氧化铝的主要发展方向，是在铝盐溶液中发生一系列的化学变化，直接生成纳米氧化铝产物或者对应的前驱体，在后续过程中得到目标产物，主要包括溶胶凝胶法、沉淀法、醇铝法等：

（1）溶胶凝胶法：该方法是制备高纯度、粒径可控、球形度良好的百纳米α-Al₂O₃的主流技术，通常是以铝醇盐（如异丙醇铝）或无机铝盐为前驱体，在液相中水解形成溶胶，经老化、凝胶化获得三维网络结构的湿凝胶；再经干燥后得到无定形或过渡相前驱体，最后在高温下进行煅烧，可制备出平均粒径小于100nm且粒径分布窄的的高纯超细α-Al₂O₃粉体，但存在原料价格高，生产周期长，成本高等挑战，同时需要精准控制体系反应物浓度和pH值。

（2）沉淀法：因具有工艺简单、成本较低而广泛用于工业化生产。通常是通过铝盐与碱（如硝酸铝+碳酸铵体系）的中和反应生成氢氧化铝沉淀，经洗涤、干燥、煅烧即可得到纳米氧化铝。但由于传统沉淀过程难以实现均相成核，导致粒径范围宽，且其沉淀产物多为无定形或勃姆石相，煅烧过程中易发生硬团聚。

（3）醇铝法：以高纯金属铝与异丙醇、异辛醇等有机醇为主要原料，在催化剂作用下先合成醇铝中间体，再经水解、陈化、干燥、煅烧等工序，最终得到高纯度纳米氧化铝。该方法可实现5N级（99.999%）超高纯度，并能对产物粒径、晶相结构与分散性进行精准调控，高度匹配半导体晶圆抛光对磨料的严苛要求。但受限于工艺路线复杂，反应温度、pH 值、蒸馏参数等关键条件需严格精确控制，生产操作难度较大；同时高纯铝、高纯有机醇等原料成本偏高，导致整体生产成本较高。

（来源：扬州中天利）

3、气相法

气相法制备百纳米级高纯氧化铝磨粒，主要采用化学气相沉积（CVD） 路线。典型工艺以氯化铝与水蒸气为反应前驱体，在高温反应腔体内发生气相反应，通过精确调控气体配比、反应温度、体系压力等关键参数，可直接合成纳米级氧化铝颗粒。该法制得的产品具有比表面积大、结晶度高、纯度优异（可达 99.6% 以上） 等特点，适合对粉体洁净度要求较高的场景。但受限于反应机理与设备构型，该路线普遍存在单批产率偏低、纳米粉体捕集与回收难度较大等问题，一定程度上制约了其规模化应用

小结

在 SiC 晶圆精抛制程中，百纳米级 α-Al₂O₃有效解决了传统二氧化硅抛光效率低、金刚石易致表面损伤的痛点，已成为第三代半导体超精密加工的关键磨料。目前，以醇铝法、溶胶 - 凝胶法为主的液相路线，因在粒径调控、窄分布、高 α 相转化率及超高纯度上优势突出，成为高端 SiC 精抛用氧化铝的主流制备工艺。未来随着 SiC 器件向更大尺寸发展，百纳米级氧化铝仍需通过工艺优化、精准合成与高效分散，攻克晶粒长大、颗粒团聚及杂质控制等关键问题，实现高性能、低成本、稳定化的规模化生产，为第三代半导体产业高质量发展提供材料保障。

粉体圈Corange