宽禁带科技论|单晶碳化硅晶片化学机械抛光技术对比研究

近日，广东技术师范大学付有志团队在《人工晶体学报》发表综述论文，系统比较了单晶碳化硅晶片化学机械抛光（CMP）及其复合强化技术的研究进展。SiC硬度高、化学惰性强，实现其原子级光滑、低损伤、高一致性的表面加工仍是技术难点；活性自由基强化氧化、电化学辅助去除、等离子体活化及催化反应均可有效提升SiC抛光性能。

研究背景

单晶碳化硅是由硅原子和碳原子通过强共价键构成的IV-IV族化合物半导体材料，具有宽禁带（3~3.33 eV）、高击穿电场（2.5~5 MV/cm）、高热导率（4.5~4.9 W·cm⁻1·K⁻1）等性能，远超传统硅基材料。SiC独特的金刚石型晶格结构赋予了材料极高的机械强度和耐磨性能，莫氏硬度达到9.6，仅次于金刚石，属于典型的难加工硬脆材料。 同时，SiC常温下几乎不与包括氢氟酸、浓硫酸在内的强酸强碱发生反应，化学稳定性极强。

原子级平坦且少/无亚表面损伤的单晶SiC晶片表面质量直接决定其外延生长与器件制备的性能。传统机械抛光会引入微裂纹与亚表面损伤，纯化学抛光则存在效率极低和均匀性差等问题。 传统CMP是目前应用较为广泛的平坦化技术，但仍存在材料去除率低、工艺稳定性不足、成本较高及工程化应用受限等问题。本文围绕单晶SiC晶片化学机械抛光及其辅助强化技术展开综述，系统梳理传统CMP、Fenton-CMP、光催化辅助CMP、ECMP、PAP、CARE、TCMP及多场耦合抛光技术的研究进展。

图文解读

1.传统CMP的工作原理与工艺优化

图1 典型化学机械抛光装置

传统CMP的基本原理是在氧化剂、pH调节剂和磨粒的协同作用下，使SiC表面发生化学氧化反应，生成硬度较低、易于去除的SiO₂或硅氧化物层，随后由抛光液中磨粒和抛光垫的机械摩擦作用将氧化层去除，并通过“表面氧化-机械去除-再氧化”的循环过程实现晶片表面平坦化。化学氧化与机械去除之间的动态平衡是实现单晶SiC高效低损伤抛光的关键。 当氧化反应速率过快而机械去除不足时，表面易形成疏松或不均匀的氧化层；当机械作用过强而化学氧化不足时，磨粒可能直接作用于SiC基体，引发表面划痕和亚表面损伤。

图2 磨料形貌及其对抛光特性的影响

磨料的硬度、粒径和分散性直接影响机械去除效率与晶片表面损伤程度。纳米金刚石磨料硬度高，能够显著增强机械去除作用并提高材料去除率，但也容易引入划痕和亚表面损伤；胶体SiO₂硬度较低，有利于获得较低表面粗糙度；α-Al₂O₃磨料硬度接近SiC，适合粗抛阶段实现较高材料去除率。磨料选择通常需要在高效去除和低损伤表面之间进行权衡。 采用两步CMP工艺——粗抛采用粗粒度Al₂O₃磨料和硬抛光垫，精抛采用细粒度SiO₂磨料和软抛光垫——可使表面粗糙度Ra由0.105 nm降低至0.066 nm，实现效率与质量的平衡。

表1 不同氧化剂性能差异及优缺点

氧化剂的主要作用是在SiC表面生成硬度较低、易于机械去除的SiO₂或硅氧化物层。H₂O₂因具有较好的环境友好性和较高的氧化活性，在单晶SiC CMP中应用最为广泛，其分解过程中可生成羟基自由基（·OH），进一步促进SiC表面氧化层生成速率。KMnO₄具有较强氧化能力，但反应过程中容易生成MnO₂沉淀并污染晶片表面；NaClO成本较低但腐蚀性较强。氧化剂种类与pH值之间存在明显耦合作用，共同影响SiC表面氧化层形成、磨粒作用方式及界面反应行为。

2. Fenton反应与光催化辅助CMP

图3 电Fenton反应化学机械抛光机理及结果

Fenton-CMP是在传统CMP基础上引入Fenton高级氧化反应的强化抛光技术。其核心机理是Fe2⁺催化H₂O₂分解生成具有强氧化性的羟基自由基（·OH），·OH可与SiC表面发生氧化反应，促进Si—C键断裂并生成较易被机械作用去除的硅氧化物层。Fenton-CMP通过·OH强化SiC表面氧化，通常可获得更高的材料去除率。 研究表明，在酸性Fenton体系中材料去除率可达到传统CMP的约4.5倍。电Fenton辅助CMP通过施加外加电场促进Fe3⁺还原为Fe2⁺，维持Fe2⁺/Fe3⁺循环并持续生成·OH。然而，·OH寿命短、稳定性差，使抛光过程对pH值、Fe2⁺浓度和H₂O₂浓度等参数较为敏感。

图4 光催化辅助化学机械抛光（PCMP）原理及结果

PCMP利用UV光照射抛光液或抛光垫中的TiO₂光催化剂，使其产生光生电子和空穴。光生空穴可与H₂O或OH⁻反应生成强氧化性的羟基自由基（·OH），进而促进SiC表面氧化生成SiO₂。将TiO₂固定于抛光垫中制备光催化复合抛光垫，在UV光照射下可持续产生·OH，使材料去除率提高约25%，抛光后表面粗糙度Ra低于0.06 nm。在UV+TiO₂+Fenton复合体系中，材料去除率可达387.2 nm/h，较传统Fenton体系提升44.1%。 不同晶面对光催化氧化的响应存在差异，PCMP工艺需要根据Si面和C面的反应特性分别优化光照时间、催化剂浓度和机械参数。

3. 电化学机械抛光与等离子体辅助抛光

图5 典型电化学机械抛光装置

ECMP是以SiC晶片作为阳极，通过外加电压促进SiC表面发生电化学氧化并形成SiO₂或硅氧化物层，再由软磨料和抛光垫机械去除氧化层。ECMP可通过电压、电流密度和电解质组成调控表面氧化速率，有助于实现化学氧化与机械去除之间的动态平衡。 基于CeO₂浆料的ECMP能够优先去除电化学氧化形成的SiO₂层，材料去除率可达3.62 μm/h，明显高于传统CMP。三步无浆料ECMP工艺通过粗抛、中抛和精抛的分段控制，总耗时不足2 h，明显短于传统CMP工艺，同时减少了抛光液消耗。

图6 等离子体辅助抛光（PAP）装置示意图

PAP是在大气压等离子体作用下，对SiC表面进行活化和氧化处理，使表面生成较软的SiO₂或Si—O—C氧化层，随后利用CeO₂等软磨料选择性去除氧化层。等离子体氧化能够有效削弱Si—C键强度并降低表面机械去除难度，在抑制划痕和亚表面损伤方面具有明显优势。 经等离子体辐照后，SiC表面硬度由(37.4±0.5) GPa显著降低至(4.5±0.8) GPa。PAP可获得原子级台阶-平台结构，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，加工效率相对较低。

4. 催化剂辅助蚀刻与摩擦化学机械抛光

图7 典型CARE抛光技术机理及中间过程

CARE主要依靠催化剂诱导的表面化学溶解实现材料去除。加工过程中，Pt等贵金属催化剂可激活HF溶液中的反应活性物种，使SiC表面凸起区域优先发生化学溶解。由于CARE不依赖磨粒机械作用，能够有效避免划痕和亚表面损伤。 该技术可获得Ra约0.1 nm的超光滑表面，材料去除率达到0.1~0.2 μm/h。HF体系具有较高的蚀刻效率，但其强腐蚀性和毒性限制了安全性与工程应用；纯水体系提高了工艺安全性，但材料去除率较HF体系降低约一个数量级。

图8 摩擦化学机械抛光（TCMP）原理及结果

TCMP是在磨粒与SiC表面接触摩擦过程中，利用局部摩擦热、接触应力及界面活化作用促进SiC表面发生氧化反应，生成较易去除的SiO₂或硅氧化物层，并通过后续摩擦剪切实现材料去除。TCMP通常在无液态抛光液或仅使用少量冷却剂条件下进行，能够降低抛光液消耗和废液污染，具有较好的绿色加工特性。 Na₂CO₃·1.5H₂O₂体系具有较高的摩擦化学反应活性，抛光后SiC表面氧原子含量明显高于其他氧化剂体系。催化磨料簇强化摩擦化学抛光方法可使材料去除率达到42.928 nm/min。

5. 技术对比与辅助强化策略

表2 不同抛光技术核心参数比较

不同CMP技术在材料去除机理、材料去除率、表面质量、亚表面损伤、工艺复杂度及工程应用潜力等方面存在明显差异。传统CMP工艺成熟，工业适用性较好；Fenton-CMP和PCMP可通过活性自由基强化表面氧化，提高材料去除效率；ECMP在高效去除方面具有明显优势；PAP和CARE能够获得原子级平坦表面，在超高表面质量加工方面表现突出；TCMP在绿色低污染加工方面具有潜力。实际工艺选择不能仅依据单一指标，应结合加工阶段、器件需求和成本约束进行综合权衡。

表3 辅助强化策略与主流技术的适配性

超声振动、抛光液优化及工艺参数协同调控等辅助强化策略可显著影响单晶SiC晶片的材料去除率和表面质量。超声空化可促进·OH等活性自由基生成并增强界面传质效率，适合与Fenton-CMP、ECMP和PCMP等技术结合。核壳结构磨料（PS-CeO₂）兼具聚合物内核的弹性和CeO₂外壳的化学机械去除能力，可在保持氧化层去除能力的同时降低硬接触损伤。辅助强化技术通过改善“化学氧化-机械去除-界面传质”之间的匹配关系来提高整体抛光性能。

结论与展望

（1）传统CMP依赖“表面氧化-机械去除-再氧化”循环实现平坦化，但受限于SiC高化学惰性，材料去除率较低，需通过高级氧化、电化学辅助或等离子体活化等手段强化表面反应。

（2）Fenton-CMP和PCMP通过·OH等活性自由基强化SiC表面氧化，可显著提升材料去除率，但对pH值、催化剂浓度和外场参数较为敏感。

（3）ECMP通过外加电场调控阳极氧化速率，可实现高效率去除；PAP和CARE可获得原子级平坦、无明显亚表面损伤的高质量表面，但加工效率较低。

（4）TCMP利用摩擦诱导界面氧化反应实现材料去除，具有绿色低污染加工潜力，但界面摩擦热与氧化反应难以精确控制。

单一CMP技术已难以同时满足大尺寸SiC晶片高效率、高质量和低成本加工需求。未来应建立统一的SiC晶片CMP评价体系；发展高效、绿色、稳定的新型抛光液与催化体系；加强光场、电场、声场、等离子体场等多场耦合CMP机理研究；结合机器学习和在线监测实现抛光参数的智能调控；开展大尺寸SiC晶片批量加工与工程化验证。多场耦合、绿色加工、智能调控及原子级机理研究将成为未来单晶SiC超精密抛光技术的重要发展方向。

原文链接：

付有志, 王曜铃, 杨鸿志, 肖以正, 陈飞昕, 顾则松, 周莉. 单晶碳化硅晶片化学机械抛光技术对比研究[J]. 人工晶体学报,

DOI: 10.16553/j.cnki.issn1000-985x.2026.0073.

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