为第三代半导体材料，由于具备卓越的热导率、高硬度和宽禁带特性，被广泛应用于制造高效能的功率电子器件中，使其成为现代科技发展的关键材料之一。比如说碳化硅MOSFET（金属氧化物半导体场效应晶体管）由单晶SiC制成，具有更高的击穿电压和更低的导通电阻，因此可以在高频、高温环境下稳定工作，备受电动汽车领域青睐。

碳化硅单晶

SiC晶锭通过晶片加工工艺制备衬底晶圆的过程中，抛光工序是一个至关重要的步骤，主要原因如下：

①抛光能够显著提升单晶表面的光滑度和洁净度，还能减少表面缺陷，从而提高晶片的整体性能和使用寿命；

②抛光过程还可以去除表面的微小划痕和损伤，防止在后续加工步骤中出现裂纹或其他问题，从而减少废品率和生产成本。

因此，抛光不仅是提升SiC晶圆的重要步骤，也是确保其在电子和光电子领域中广泛应用的基础。

单晶SiC抛光的主要方式

查阅资料可知，当SiC作为衬底材料时，要实现大规模应用，则外延层要求衬底达到表面粗糙度的均方根(root mean square，RMS)值小于1 nm的纳米级光滑表面和晶格完整的无损伤表面。由于单晶SiC化学性质稳定，与强酸或强碱在常温条件下很难发生反应，且SiC是高硬脆性材料，其抛光加工难度较大。

目前，化学机械抛光(CMP)已经成为为数不多的能实现全局平坦化的技术，即CMP通过化学和机械的双重作用，去除材料的表面粗糙峰及缺陷，得到光滑表面。那么CMP抛光液中都包含了什么成分，以及这些成分各自都发挥了什么作用呢？

SiC的化学机械抛光原理图

单晶SiC抛光液的基本成分

抛光液通常由磨料、氧化剂和其他功能添加剂等组成，在CMP过程中这些成分相互作用并与SiC晶圆反应，抛光液的种类和含量不同抛光效果也不同。

CMP抛光液

01磨料

抛光液中，对磨料的要求是十分苛刻的，如果磨料太软，则材料移除速率太低，而如果磨料过硬，则会对材料表面造成损伤。因此选择硬度合适的磨料非常关键。在CMP中，常用的作为磨料的主要有：氧化硅(SiO2)、氧化铝(Al2O3)、氧化铈(CeO2)和氧化锰(MnO2)。

曾有研究员币比较SiC、Al2O3和SiO2三种磨料对被抛光材料的材料移除率的影响，发现移除率排序和硬度正相关，即SiC＞Al2O3＞SiO2。但由于单一的高硬度无机磨料直接冲击抛光工件的表面会使其严重损伤，工件表面产生凹坑使表面粗糙度增大，因此混合磨料和复合磨料逐渐被用于CMP过程中。

磨料硬度对表面粗糙度的影响：(a)SiO2(b)Al2O3

另外，磨料的粒径也会对抛光效果造成影响。2014年，Shi等研究了SiO2粒径大小对4H-SiC的Si面抛光影响，指出磨料尺寸是决定CMP效率和晶圆平坦化质量的重要因素——大粒径SiO2磨料可以得到较高的平坦化效率，但半坦化质量较低；而小粒径SiO2磨料可以得到较好的平坦化质量，但半坦化效率较低。

02氧化剂

单晶SiC化学硬度大（莫氏硬度为9.2)，仅通过机械作用难以去除，又因其化学惰性，为强化CMP过程中的化学氧化作用，所以常使用H2O2、KMnO4等氧化剂将SiC氧化成硬度更低的物质去除。

但是，H2O2的氧化能力较弱，得到的材料去除率较低，因此在碳化硅的抛光中更常使用KMnO₄强氧化剂。可KMnO₄腐蚀性强，环境污染较大，需要进一步研究更绿色环保的氧化体系。

03其他功能性添加剂

其他功能性添加剂主要包括表面活性剂、分散剂、pH调节剂等，这些添加剂的加入有利于提高抛光效率。

①表面活性剂：表面活性剂具有分散、湿润等特点，可以提高磨料分散性能，增加晶圆表面的湿润度。由于SiC表面活化能较高，可加入表面活性剂使其降低，增强化学反应。

②分散剂：在CMP循环过程中，由于局部粒子或盐浓度的波动从而导致磨料颗粒的聚集可能会改变抛光液的性能。因此加入分散剂可以有效提高磨粒在抛光液中的分散性，使磨粒均匀分布。

磨料分散稳定性对表面粗糙度的影响：(a)分散(b)硬聚集(c)软聚集

③pH调节剂：抛光液的pH值对抛光效果有很大影响，pH调节剂电离出的离子可以和晶圆表面的氧化层发生化学反应。抛光SiC一般采用碱性pH调节剂，在碱性条件下抛光液稳定且分散均匀。

④缓蚀剂：缓蚀剂可以防止基材腐蚀，保护被抛光的碳化硅单晶表面，可为无机缓蚀剂或有机缓蚀剂。

⑤粘度调节剂：可以调整抛光液的粘度，确保抛光过程中的适宜流动性，一般可选自甘油、聚乙二醇、明胶、骨胶中的一种或多种。

总结

总之，各成分在抛光过程中各司其职，均发挥着重要作用。然而，CMP抛光液的配方设计并非一成不变，必须根据实际生产需求灵活调整各成分的配比。

此外，为了进一步增加SiC表面的材料去除率和抛光质量，业界也开始尝试探索了一系列辅助技术，如芬顿反应辅助化学机械抛光、紫外光催化辅助化学机械抛光、电化学机械抛光等。这些新兴技术不仅提高了抛光效率，还有效地降低了表面缺陷和损伤层，为实现更高质量的抛光效果提供了更多可能性。随着技术的不断进步，我们期待未来的抛光技术能变得更加高效，推动单晶SiC在各个高科技领域的广泛应用。

参考文献：

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来源： 粉体圈

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