中國粉體網訊 碳化硅（SiC）材料具有尺寸穩定性好、彈性模量大、比剛度大、導熱性能好和耐腐蝕等性能，在現代工業領域應用廣泛。
碳化硅結構圖
在半導體領域，利用其具有禁帶寬度、擊穿場強高和導熱性良好等特性，SiC成為繼第一代半導體硅（Si）和第二代半導體砷化鎵（GaAs）之后的第三代半導體理想材料。
三代半導體材料的性能對比
應用方面對碳化硅晶體的表面質量具有嚴格的要求。經過定向切割、研磨（粗研、精研）、粗拋之后，已經可以得到表面質量較好的碳化硅晶片，但是由于金剛石、碳化硼高硬度磨粒的使用，碳化硅晶片表面不可避免地會出現劃痕、殘余應力層和機械損傷層。因此，為了達到碳化硅的應用要求，需要進一步地提高碳化硅晶片的表面質量，減少劃痕和降低表面粗糙度。
化學機械拋光技術是通過化學作用在工件表面生成一層軟化膜，再通過機械作用去除的一種拋光方法。化學機械拋光技術是集成電路制造中獲得全局平坦化的一種手段，該技術在硅片及IC集成電路的平坦化加工中取得極大的成功，能夠獲得既平坦、又無劃痕和雜質玷污的表面。
1997年Zhou L等首次提出了將化學機械拋光技術應用到碳化硅的拋光加工上，并通過控制溫度、拋光液酸堿性和使用粒徑60nm左右的SiO2拋光顆粒對6H-SiC的Si面進行了拋光，使得碳化硅的表面粗糙度由2nm下降到0.5nm，材料去除率為200nm/h。
就SiC而言，其傳統化學機械拋光可按照磨料存在狀態分為游離磨料拋光和固結磨料拋光。
游離磨料拋光
游離磨料的化學機械拋光是一種傳統的SiC材料拋光加工方式。游離磨料工藝裝置主要由旋轉工作臺、試件裝夾器及拋光液輸送裝置三部分構成。旋轉工作臺上粘貼有拋光墊并自旋轉，外部通過承載器給晶片施加正壓力，使得晶片與拋光墊兩者之間有合適的正壓力，能夠產生相對運動。
游離磨料拋光示意圖
在應用傳統的游離磨料工藝拋光時，一般采用三體摩擦方式使得材料去除，即當磨料處于試件表面與拋光墊表面之間時，2個表面和磨料形成三體。三體摩擦中，磨料是不固定的，磨料在試件與拋光墊表面作移動或滾動。含磨料研磨液在試件與拋光墊之間流動，磨料較均勻地分布在拋光墊上，在壓力作用下，尺寸較大的磨料嵌入拋光墊中，依靠露在外面的尖端劃擦試件表面，通過剪切力來斷開Si-C原子之間的共價鍵，達到材料的微量切除。另外在尺寸較小的磨料的滾軋作用下，微裂紋發生脆性崩裂破碎，試件微裂層材料得以去除。
三體摩擦
但在游離磨料工藝中采用三體摩擦方式，SiC材料表面會產生微裂紋，形成亞表面損傷。此外，工藝參數多、游離磨料的分散不穩定性對拋光效果均有較大的影響。另外，游離磨料會嵌在拋光表面，不易清洗。拋光過程中游離磨料還會導致拋光墊微孔堵塞，使得表面變得光滑，最終導致材料去除率逐漸下降。
固結磨料拋光
基于游離磨料化學機械拋光的缺點和對晶片平坦化要求的不斷提高，20世紀90年代3M公司率先提出固結磨料的化學機械拋光（Fixed Abrasive-Chemical Mechanical Polishing，FA-CMP）技術，固結磨料化學機械拋光技術中不僅磨料的等高性較好，而且參與拋光的磨料增多，從而提高了材料去除率。固結磨料承受壓強變小，切削層厚度降低，將會提高表面精度。
固結磨料拋光示意圖
固結磨粒拋光加工裝置與游離磨粒拋光裝置類似，區別在于拋光墊不同，即固結磨粒拋光使用的是固結磨粒研磨拋光墊，同時使用樹脂結合劑固結磨粒和去離子水及環保的化學試劑作為拋光液。該拋光過程為：來自外部的壓力可以直接加載到磨料上，第一主體(晶片)由夾具夾持，磨料與第二主體(拋光墊)固定結合，限制了磨料的運動，拋光時磨料與第一主體(晶片)之間有相對滑動，進而利用固結磨粒研磨拋光墊表面出露的磨粒尖端對晶片表面實現材料的有效去除。
固結磨料拋光墊結構圖
在應用傳統的固結磨料工藝拋光時，采用二體摩擦方式，通過磨料的切削、耕犁斷開Si-C原子之間的共價鍵，使得材料去除。
二體摩擦
在固結磨料工藝中，由于基于二體摩擦原理，不含磨料的研磨液具有依賴性較小、清潔簡單和綠色環保等諸多優點；但工藝上也存在一些不足，例如：在固結磨料工藝處理過程中，采用突起均布的拋光墊，SiC晶片在拋光墊上形成運動軌跡的密度是不一樣的，造成拋光墊的磨損不均和面形惡化，最后影響到所加工工件的面形；當前研究和應用的仍是以平面為主的固結磨料拋光墊，而SiC的應用場合又有許多為非平面，非平面固結磨料拋光墊模具的制備及固化方法難度則會相對增加。
游離磨粒拋光和固結磨粒拋光，均屬于傳統CMP方式，二者可通過結合化學反應和機械力的去除作用，實現碳化硅晶片表面的材料去除，但在應用方面還存在一些不足。
參考來源：
[1] 徐慧敏等，碳化硅晶片的化學機械拋光技術研究進展
[2] 王磊，碳化硅晶體電化學機械拋光工藝研究
[3] 孫興漢等，碳化硅化學機械拋光中材料去除非均勻性研究進展
[4] 天科合達官網
[5] Zhou L., et al. Chemomechanical Polishing of Silicon Carbide.
（中國粉體網編輯整理/山林）
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