寬禁帶科技論|單晶碳化硅晶片化學機械拋光技術對比研究

近日，廣東技術師范大學付有志團隊在《人工晶體學報》發表綜述論文，系統比較了單晶碳化硅晶片化學機械拋光（CMP）及其復合強化技術的研究進展。SiC硬度高、化學惰性強，實現其原子級光滑、低損傷、高一致性的表面加工仍是技術難點；活性自由基強化氧化、電化學輔助去除、等離子體活化及催化反應均可有效提升SiC拋光性能。

單晶碳化硅是由硅原子和碳原子通過強共價鍵構成的IV-IV族化合物半導體材料，具有寬禁帶（3~3.33 eV）、高擊穿電場（2.5~5 MV/cm）、高熱導率（4.5~4.9 W·cm?1·K?1）等性能，遠超傳統硅基材料。SiC獨特的金剛石型晶格結構賦予了材料極高的機械強度和耐磨性能，莫氏硬度達到9.6，僅次于金剛石，屬于典型的難加工硬脆材料。 同時，SiC常溫下幾乎不與包括氫氟酸、濃硫酸在內的強酸強堿發生反應，化學穩定性極強。

原子級平坦且少/無亞表面損傷的單晶SiC晶片表面質量直接決定其外延生長與器件制備的性能。傳統機械拋光會引入微裂紋與亞表面損傷，純化學拋光則存在效率極低和均勻性差等問題。 傳統CMP是目前應用較為廣泛的平坦化技術，但仍存在材料去除率低、工藝穩定性不足、成本較高及工程化應用受限等問題。本文圍繞單晶SiC晶片化學機械拋光及其輔助強化技術展開綜述，系統梳理傳統CMP、Fenton-CMP、光催化輔助CMP、ECMP、PAP、CARE、TCMP及多場耦合拋光技術的研究進展。

傳統CMP的基本原理是在氧化劑、pH調節劑和磨粒的協同作用下，使SiC表面發生化學氧化反應，生成硬度較低、易于去除的SiO?或硅氧化物層，隨后由拋光液中磨粒和拋光墊的機械摩擦作用將氧化層去除，并通過“表面氧化-機械去除-再氧化”的循環過程實現晶片表面平坦化。化學氧化與機械去除之間的動態平衡是實現單晶SiC高效低損傷拋光的關鍵。 當氧化反應速率過快而機械去除不足時，表面易形成疏松或不均勻的氧化層；當機械作用過強而化學氧化不足時，磨粒可能直接作用于SiC基體，引發表面劃痕和亞表面損傷。

磨料的硬度、粒徑和分散性直接影響機械去除效率與晶片表面損傷程度。納米金剛石磨料硬度高，能夠顯著增強機械去除作用并提高材料去除率，但也容易引入劃痕和亞表面損傷；膠體SiO?硬度較低，有利于獲得較低表面粗糙度；α-Al?O?磨料硬度接近SiC，適合粗拋階段實現較高材料去除率。磨料選擇通常需要在高效去除和低損傷表面之間進行權衡。 采用兩步CMP工藝——粗拋采用粗粒度Al?O?磨料和硬拋光墊，精拋采用細粒度SiO?磨料和軟拋光墊——可使表面粗糙度Ra由0.105 nm降低至0.066 nm，實現效率與質量的平衡。

表1 不同氧化劑性能差異及優缺點

氧化劑的主要作用是在SiC表面生成硬度較低、易于機械去除的SiO?或硅氧化物層。H?O?因具有較好的環境友好性和較高的氧化活性，在單晶SiC CMP中應用最為廣泛，其分解過程中可生成羥基自由基（·OH），進一步促進SiC表面氧化層生成速率。KMnO?具有較強氧化能力，但反應過程中容易生成MnO?沉淀并污染晶片表面；NaClO成本較低但腐蝕性較強。氧化劑種類與pH值之間存在明顯耦合作用，共同影響SiC表面氧化層形成、磨粒作用方式及界面反應行為。

Fenton-CMP是在傳統CMP基礎上引入Fenton高級氧化反應的強化拋光技術。其核心機理是Fe2?催化H?O?分解生成具有強氧化性的羥基自由基（·OH），·OH可與SiC表面發生氧化反應，促進Si—C鍵斷裂并生成較易被機械作用去除的硅氧化物層。Fenton-CMP通過·OH強化SiC表面氧化，通常可獲得更高的材料去除率。 研究表明，在酸性Fenton體系中材料去除率可達到傳統CMP的約4.5倍。電Fenton輔助CMP通過施加外加電場促進Fe3?還原為Fe2?，維持Fe2?/Fe3?循環并持續生成·OH。然而，·OH壽命短、穩定性差，使拋光過程對pH值、Fe2?濃度和H?O?濃度等參數較為敏感。

PCMP利用UV光照射拋光液或拋光墊中的TiO?光催化劑，使其產生光生電子和空穴。光生空穴可與H?O或OH?反應生成強氧化性的羥基自由基（·OH），進而促進SiC表面氧化生成SiO?。將TiO?固定于拋光墊中制備光催化復合拋光墊，在UV光照射下可持續產生·OH，使材料去除率提高約25%，拋光后表面粗糙度Ra低于0.06 nm。在UV+TiO?+Fenton復合體系中，材料去除率可達387.2 nm/h，較傳統Fenton體系提升44.1%。 不同晶面對光催化氧化的響應存在差異，PCMP工藝需要根據Si面和C面的反應特性分別優化光照時間、催化劑濃度和機械參數。

ECMP是以SiC晶片作為陽極，通過外加電壓促進SiC表面發生電化學氧化并形成SiO?或硅氧化物層，再由軟磨料和拋光墊機械去除氧化層。ECMP可通過電壓、電流密度和電解質組成調控表面氧化速率，有助于實現化學氧化與機械去除之間的動態平衡。 基于CeO?漿料的ECMP能夠優先去除電化學氧化形成的SiO?層，材料去除率可達3.62 μm/h，明顯高于傳統CMP。三步無漿料ECMP工藝通過粗拋、中拋和精拋的分段控制，總耗時不足2 h，明顯短于傳統CMP工藝，同時減少了拋光液消耗。

圖6 等離子體輔助拋光（PAP）裝置示意圖

PAP是在大氣壓等離子體作用下，對SiC表面進行活化和氧化處理，使表面生成較軟的SiO?或Si—O—C氧化層，隨后利用CeO?等軟磨料選擇性去除氧化層。等離子體氧化能夠有效削弱Si—C鍵強度并降低表面機械去除難度，在抑制劃痕和亞表面損傷方面具有明顯優勢。 經等離子體輻照后，SiC表面硬度由(37.4±0.5) GPa顯著降低至(4.5±0.8) GPa。PAP可獲得原子級臺階-平臺結構，RMS粗糙度可降低至0.14 nm，但材料去除率通常低于0.2 μm/h，加工效率相對較低。

CARE主要依靠催化劑誘導的表面化學溶解實現材料去除。加工過程中，Pt等貴金屬催化劑可激活HF溶液中的反應活性物種，使SiC表面凸起區域優先發生化學溶解。由于CARE不依賴磨粒機械作用，能夠有效避免劃痕和亞表面損傷。 該技術可獲得Ra約0.1 nm的超光滑表面，材料去除率達到0.1~0.2 μm/h。HF體系具有較高的蝕刻效率，但其強腐蝕性和毒性限制了安全性與工程應用；純水體系提高了工藝安全性，但材料去除率較HF體系降低約一個數量級。

TCMP是在磨粒與SiC表面接觸摩擦過程中，利用局部摩擦熱、接觸應力及界面活化作用促進SiC表面發生氧化反應，生成較易去除的SiO?或硅氧化物層，并通過后續摩擦剪切實現材料去除。TCMP通常在無液態拋光液或僅使用少量冷卻劑條件下進行，能夠降低拋光液消耗和廢液污染，具有較好的綠色加工特性。 Na?CO?·1.5H?O?體系具有較高的摩擦化學反應活性，拋光后SiC表面氧原子含量明顯高于其他氧化劑體系。催化磨料簇強化摩擦化學拋光方法可使材料去除率達到42.928 nm/min。

表2 不同拋光技術核心參數比較

不同CMP技術在材料去除機理、材料去除率、表面質量、亞表面損傷、工藝復雜度及工程應用潛力等方面存在明顯差異。傳統CMP工藝成熟，工業適用性較好；Fenton-CMP和PCMP可通過活性自由基強化表面氧化，提高材料去除效率；ECMP在高效去除方面具有明顯優勢；PAP和CARE能夠獲得原子級平坦表面，在超高表面質量加工方面表現突出；TCMP在綠色低污染加工方面具有潛力。實際工藝選擇不能僅依據單一指標，應結合加工階段、器件需求和成本約束進行綜合權衡。

表3 輔助強化策略與主流技術的適配性

超聲振動、拋光液優化及工藝參數協同調控等輔助強化策略可顯著影響單晶SiC晶片的材料去除率和表面質量。超聲空化可促進·OH等活性自由基生成并增強界面傳質效率，適合與Fenton-CMP、ECMP和PCMP等技術結合。核殼結構磨料（PS-CeO?）兼具聚合物內核的彈性和CeO?外殼的化學機械去除能力，可在保持氧化層去除能力的同時降低硬接觸損傷。輔助強化技術通過改善“化學氧化-機械去除-界面傳質”之間的匹配關系來提高整體拋光性能。

（1）傳統CMP依賴“表面氧化-機械去除-再氧化”循環實現平坦化，但受限于SiC高化學惰性，材料去除率較低，需通過高級氧化、電化學輔助或等離子體活化等手段強化表面反應。

（2）Fenton-CMP和PCMP通過·OH等活性自由基強化SiC表面氧化，可顯著提升材料去除率，但對pH值、催化劑濃度和外場參數較為敏感。

（3）ECMP通過外加電場調控陽極氧化速率，可實現高效率去除；PAP和CARE可獲得原子級平坦、無明顯亞表面損傷的高質量表面，但加工效率較低。

（4）TCMP利用摩擦誘導界面氧化反應實現材料去除，具有綠色低污染加工潛力，但界面摩擦熱與氧化反應難以精確控制。

單一CMP技術已難以同時滿足大尺寸SiC晶片高效率、高質量和低成本加工需求。未來應建立統一的SiC晶片CMP評價體系；發展高效、綠色、穩定的新型拋光液與催化體系；加強光場、電場、聲場、等離子體場等多場耦合CMP機理研究；結合機器學習和在線監測實現拋光參數的智能調控；開展大尺寸SiC晶片批量加工與工程化驗證。多場耦合、綠色加工、智能調控及原子級機理研究將成為未來單晶SiC超精密拋光技術的重要發展方向。