碳化硅襯底磨拋加工技術的研究進展與發(fā)展趨勢

碳化硅襯底難加工的材料特性疊加其大尺寸化、超薄化的放大效應，給現(xiàn)有的加工技術帶來了巨大的挑戰(zhàn)，高效率、高質量的碳化硅襯底加工技術成了當下的研究熱點.本文綜述了碳化硅襯底機械磨拋加工技術和化學反應磨拋加工技術的研究進展，對比各類磨拋技術的特點，指出碳化硅襯底磨拋加工技術面臨的挑戰(zhàn)和發(fā)展趨勢，以期為大尺寸碳化硅襯底的高質量、高效率、低成本加工提供新的思路和方法。

碳化硅相較于第一、二代半導體材料具有更優(yōu)良的熱學、電學性能，如寬禁帶、高導熱、高溫度穩(wěn)定 性和低介電常數(shù)等，這些優(yōu)勢使得以碳化硅為代表的寬禁帶半導體材料廣泛應用于高溫、高頻、高功率 以及抗輻射等極端工況.作為高性能微電子和光 電子器件制造的襯底基片，碳化硅襯底加工后的表 面、亞表面質量對器件的使用性能有著極為重要的影響，因此，其加工不僅要保證較高的面型精度和亞 納米級的粗糙度，還要避免表面及亞表面損傷. 碳化硅的主要加工過程分為切割、磨削/研磨以及拋 光，其中磨削/研磨以及拋光這兩道工序是決定碳化 硅襯底最終加工質量優(yōu)劣的關鍵工序 . 由于碳化硅 被視為典型的硬脆性難加工材料，其加工過程面臨 著效率低、成本高以及對環(huán)境不友好等問題.為了獲得滿足要求的碳化硅襯底，研究人員開發(fā)了多種精密磨拋加工技術，根據(jù)材料去除方式的不同可以分為以機械去除為主的機械磨拋技術，以及以化 學反應為主的化學反應磨拋技術 . 機械磨拋技術通 過磨粒的機械作用或疊加特種能量的機械輔助作用來達到快速去除材料并獲得良好表面質量的目的， 化學反應磨拋技術先使襯底表面材料發(fā)生化學反 應，形成較軟的變質層，再利用磨粒劃擦去除以獲得 亞納米級粗糙度的表面質量 . 由于碳化硅晶體生長 技術的限制，難以獲得如硅、藍寶石等超大棒料晶體，故未來的碳化硅襯底將朝著大尺寸、超薄化的方 向發(fā)展，通過對磨拋加工技術的深入研究可以為其 高效率、高質量、低成本加工提供新的思路和方法.?

本文以研究第三代半導體碳化硅襯底磨拋加工 技術為目的，綜述了機械磨拋技術、化學反應磨拋技 術的進展. 根據(jù)去除機理的不同，劃分并總結現(xiàn)有磨 拋技術的特點：傳統(tǒng)機械磨拋擁有較高的材料去除 率，但是其加工質量較差，且損傷嚴重；而化學腐蝕 反應磨拋的加工質量較好，但是較低的材料去除率 是其亟待解決的難題；機械誘導反應磨拋以及特種 能量輔助機械磨拋能夠兼顧加工質量及加工效率， 已經(jīng)成為當下的研究熱點之一.最后根據(jù)高質量、高 效率、低成本、綠色發(fā)展的要求，對未來大尺寸、超薄 化碳化硅襯底的磨拋加工技術進行了展望.?

由于碳化硅具有極高的化學穩(wěn)定性，沿用硅晶 圓的化學機械拋光方法難以獲得較高的加工效率 . ?因此，研究人員首先采用傳統(tǒng)的機械去除方法以期 快速去除前道工序引入的損傷層，并降低表面粗糙度. 為了進一步提高加工效率和獲得較高表面質 量，研究人員引入特種能量輔助機械磨拋加工.?

1.1 傳統(tǒng)機械磨拋技術?

從磨料運動方式來看，傳統(tǒng)機械磨拋技術經(jīng)歷了從游離磨料研磨到固結磨料磨削的發(fā)展過程，碳化硅襯底的磨拋技術也隨之不斷發(fā)展和進步.?

傳統(tǒng)的游離磨料研磨主要通過研磨盤、工件和磨粒三者之間的相互作用，達到材料去除的目的，但因磨粒分布不均勻、運動軌跡不可控，難以保證碳化硅襯底的形狀精度和表面質量 . 研究人員使用 不同的磨料對碳化硅進行加工，發(fā)現(xiàn)金剛石磨料擁有較好的材料去除率，且Yu等發(fā)現(xiàn)研磨后的碳化 硅的表面形狀精度有了明顯的改善 .Yuan 等研究不同粒徑金剛石的加工效果，他們發(fā)現(xiàn)當金剛石粒徑為0.5 μm時，可以獲得最佳表面粗糙度Ra=48.7 nm的 碳化硅表面，且材料去除率為3.18 μm/h. Pan等使用金剛石砂輪磨削碳化硅襯底，可以得到表面粗糙 度 Ra=12 nm，且晶圓整體厚度變化（Total Thickness ?Variation）<3 μm 的碳化硅襯底 . 固結磨料磨削通 過使用固結磨料磨盤或砂輪的方式，可以有效提高 磨粒利用率. 但是由于磨粒出刃高度不一致，碳化硅 表面會產(chǎn)生嚴重的劃痕和表面、亞表面裂紋，加工后 表面質量難以滿足拋光前的要求 . 研究人員通 過使用超細磨料砂輪，以納米磨削方式對碳化硅進 行加工，可以獲得 Ra=2 nm 左右的表面粗糙度 .Huo 等使用納米磨削加工碳化硅，可以獲得小于 1 μm 的平面度 . 雖然納米磨削可以獲得較低的表面粗糙 度，但是存在超細磨料砂輪制作成本高及制作難度大，且加工后仍然會存在亞微米深的裂紋、損傷層等問題，這些都是其亟待解決的難題. 作為高性能器件的載體，碳化硅襯底要求原子級的表面且無損傷層， 研磨及磨削加工后的表面需要進一步通過拋光進行加工.由于拋光使用的是柔性加工工具，在一定程度 上會破壞襯底平整度，所以對磨削加工后的翹曲度也有著較高的要求 .?研究人員使用納米級的金 剛石磨粒對碳化硅襯底進行機械拋光，可以獲得亞 納米級的表面粗糙度，但是需要花費較長的時間及較高的成本 . 拋光后的表面損傷及粗糙度雖有所改善，但加工后表面仍然會存在劃痕，難以滿足襯底原 子級表面的要求.?

典型機械磨拋技術的材料去除機理如圖 1 所 示，Hx為相同時間內(nèi)不同加工方式的材料去除深度. ?納米磨削使用的磨料一般為 W1-10的金剛石，其材料去除率高，且表面質量較好，但是超細砂輪造價高 導致加工成本較高，并且會殘留亞微米深的損傷層 . 傳統(tǒng)磨削使用的磨料一般為 W50-100 的金剛石，雖然磨料粒度要遠高于納米磨削時使用的磨料，但是由于傳統(tǒng)磨削加工時，工具的轉速過低，加工區(qū)域磨料線速度遠低于納米磨削中的線速度，所以其材料 去除率小于納米磨削，且加工后表面質量較差，損傷層厚達微米級 .機械拋光使用的磨料一般為 W0.1-3 的金剛石磨料，加工后的表面質量較好，但存在劃痕 和較淺的亞表面損傷層 . 研磨使用的磨料一般為 W0.5-20 的金剛石和碳化硅，它的材料去除率及表 面質量介于上述3種加工方法之間.?

1.2 特種能量輔助機械磨拋技術?

傳統(tǒng)的機械磨拋技術可以實現(xiàn)對材料的高效去除，但是加工后較差的表面質量是當前急需優(yōu)化的方向. 為了解決這一難題，國內(nèi)外學者引入特種能量 來輔助機械磨拋加工，如圖 2所示 .超聲振動輔助磨削主要通過對主軸添加超聲振動的方式輔助磨削；激光輔助加工通過激光照射碳化硅表面，達到降低其表面硬度的目的；電火花磨削通過磨粒的間歇性放電實現(xiàn)對材料的去除 . 特種能量輔助機械磨拋技術在保證較高磨拋加工效率的同時，獲得表面質量良好的碳化硅襯底，為超精密拋光加工節(jié)約工序余量.

超聲振動輔助磨削（Ultrasonic Vibration Assisted ?Grinding， UVAG）是一種新型的精密加工技術，具有 提高材料去除率、減小磨削力、提高加工精度和表面 顯著優(yōu)勢 完整性等優(yōu)點，特別是在硬脆材料精密加工中具有 .曹建國等研究了碳化硅的超聲振動輔 助磨削，他們認為超聲振動會導致材料去除量增加， 且有利于實現(xiàn)碳化硅襯底的塑性去除 .Li 等通過 超聲振動磨削6H-SiC薄膜，可獲得表面粗糙度低于 23 nm 的表面 . 振幅由超聲電源的輸出功率調(diào)節(jié)，但 加 工 過 程 中 的 實 際 振 動 振 幅 會 受 到 磨 削 力 的 影 響?，因此Chen等提出一種在磨削過程中實時監(jiān) 控實際振動幅度的方法，該方法不受工具旋轉、冷卻 液等外界因素的干擾和影響.?

激光輔助加工（Laser Assisted Machining， LAM） 具有材料損傷小、熱影響區(qū)小等優(yōu)點. 通過激光預處 理，能降低碳化硅的硬度，從而提高材料去除率，由 于加工過程簡單且效果顯著，加工碳化硅等硬脆材 料有很好的應用前景 . Chen等用激光照射碳化硅切割片的表面，降低碳化硅的硬度，使得磨削加工時 的材料去除率得到了明顯的提高 . Luo 等使用激 光輔助加工碳化硅，獲得的表面粗糙度與傳統(tǒng)磨削相比降低了 37%~40%，且亞表面損傷層厚度下降了 22%~50.6%. Kim等通過將CO2激光源與機械拋光 相結合，首次嘗試在漿液環(huán)境中進行激光輔助拋光， 提高了材料去除率 . Abrego等通過激光輔助加工 可以使材料去除率相較于傳統(tǒng)拋光提高 43%. 雖然 激光輔助加工的成本較高，但是可以顯著提高加工 質量及加工效率，同時可以實現(xiàn)混合加工，極大縮短 加工時間并且減少加工步驟，是一種非常有前景的精密加工技術.?

電火花磨削（Electrical discharge grinding， EDG） 是 通過石墨輪對工件的間歇放電實現(xiàn)材料的去 除?. Yan 等先使用金剛石作為工具電極進行碳 化硅的電火花加工，然后使用金剛石去除電火花加 工過程中形成的2~3 μm厚的重鑄層，加工后的表面 粗糙度為 1.85 nm. 電火花加工后，表面會殘留較厚 的再凝固層和熱致微裂紋，為了去除凝固層以及微 裂紋，需要在電火花加工后進行多次長時間的拋光 處理，故拋光的經(jīng)濟、時間成本較高. 因此，如何減 小甚至消除電火花引起的凝固層及微裂紋是電火花 磨削亟待解決的難題.

?1.3 小 結?

傳統(tǒng)機械磨拋技術擁有較高的材料去除率，但 較低的加工質量使得其只適用于充當超精密拋光的 前一道工序，快速去除切割引入的損傷層，控制表面 質量，為超精密拋光減少去除余量. 同時由于襯底翹 曲度會對超精密拋光過程產(chǎn)生負面影響，在襯底翹 曲度較大時，可能會導致襯底表面出現(xiàn)凹凸不平的 區(qū)域，影響最終的加工質量和精度. 所以在快速去除 的同時，還要保證較低的襯底翹曲度. 雖然引入特種 能場的方式可以提高機械磨拋加工的加工質量，但 同樣難以獲得滿足質量要求的碳化硅襯底 . 通過對 特種能場加工機理的深入研究，并借助新型在線檢 測技術對加工過程進行實時監(jiān)控，可以有效提高機 械磨拋技術的加工質量 . 同時，新的自動化、智能化 設備的研發(fā)也有助于特種能場輔助機械磨拋技術向 高質量化的方向發(fā)展.?

由于高質量的碳化硅襯底需要原子級的表面及 較高的面型精度，傳統(tǒng)的機械磨拋技術難以獲得滿 足要求的碳化硅襯底 . 化學反應磨拋技術通過化學 腐蝕或者機械誘導的方式先使襯底表面材料變質鈍 化，再利用磨粒劃擦實現(xiàn)材料去除，可以獲得亞納米 級的表面粗糙度且減小甚至消除襯底的表面及亞表面損傷 . 根據(jù)化學反應產(chǎn)生的方式分為以化學腐蝕為主的反應磨拋技術以及以機械誘導為主的反應磨拋技術 . 以化學腐蝕為主的反應磨拋技術可以獲得 質量較高的表面，但是其材料去除率較低；而以機械 誘導為主的反應磨拋技術可以在保證表面質量的同 時，擁有較高的材料去除率.?

2.1 以化學腐蝕為主的反應磨拋技術?

以化學腐蝕為主的反應磨拋技術的核心是通過 化學試劑或特種能場對碳化硅的表面進行氧化腐 蝕，從而形成較軟的變質層，再通過磨粒劃擦將變質 層去除. 這類反應磨拋技術以拋光加工為主，其中又細分為化學機械拋光?、電化學機械拋光、等 離子體輔助拋光?、紫外光輔助化學拋光等不 同類型的拋光方法.?

2.1.1 化學機械拋光技術?

目前業(yè)內(nèi)最主流的化學腐蝕反應拋光技術是化 學 機 械 拋 光 技 術（Chemical Mechanical Polishing， CMP），化學機械拋光技術是一種在加工過程中利用 化學試劑腐蝕和磨粒機械去除復合的方法對襯底材 料進行超精密加工的反應拋光技術，能夠獲得超光 滑甚至無損傷的襯底表面 . 為了提高化學機械拋光 高化學作用兩個方面進行了研究，如圖 的材料去除率，研究者們分別從提高機械作用和提 3所示，通過 使用較硬的磨料可以有效提高機械作用；改變拋光 液的 pH 值或者加入氧化劑、催化劑可以提高化學 作用.

1）提高機械作用.Su等?使用AI2O3磨料對碳化 硅進行拋光，能夠得到 0.36 μm/h 的材料去除率，是 使用SiO2磨料的2倍以上.Heydemann等使用金剛 石磨粒對碳化硅進行化學機械拋光，發(fā)現(xiàn)材料去除 率是只使用 SiO2磨料的 10 倍；當向 SiO2研磨液中同時加入金剛石磨料和 NaClO 氧化劑后，其材料去除 率提高了15倍，拋光后的表面粗糙度降低了6.28 nm. ?Lee 等使用含有 SiO2和金剛石磨粒的拋光液對碳 化硅進行化學機械拋光，獲得表面粗糙度為 0.27 nm 的碳化硅，且材料去除率約為1.8 μm/h.?

2）提高化學作用. Zhou等研究了pH值對CMP 中化學腐蝕速率的影響，他們發(fā)現(xiàn)較高的pH值可以 適當加快化學腐蝕速率進而提高材料去除率，在 55 ℃且pH值為11的情況下，能夠獲得0.2 μm/h的最 大材料去除率 . Aida 等研究酸堿性研磨液對拋光 碳化硅的影響，發(fā)現(xiàn)堿性適合拋光Si面，酸性適合拋 光C面. Nitta等發(fā)現(xiàn)添加胺之后的過氧化氫拋光液 的材料去除率提高了1.7倍，比只使用磨粒的拋光液 提高了8倍左右. 由于化學腐蝕速率對化學機械拋光 的材料去除率有重要影響，所以研究者們采取了一系 列方法來提高化學腐蝕的速率，如引入芬頓反應及催化劑輔助刻蝕技術. Kubota 等證實了芬頓反 應提高化學機械拋光中的化學反應速率的可行性 . ?Lu等在碳化硅的CMP加工中引入芬頓反應，加工 后獲得表面粗糙度Ra為0.187 nm的原子級光滑表面， 材料去除率為0.154 μm/h.?Hara等提出了催化劑輔助刻蝕技術（Catalyst Referred Etching， CARE）并且對 碳化硅進行了加工，其原理是碳化硅被強氧化劑氧化 為 SiO2，接著 SiO2與 HF 發(fā)生反應生成氟硅酸而被去 除，從而達到超精密加工目的，加工后的表面平坦無 劃痕，且表面粗糙度只有 0.076 nm，材料去除率為 0.1~0.2 μm/h. Pan 等研究了不同催化劑的加工效 果，結果表明當催化劑為氫氧化鉀時，加工后的表面 粗糙度為0.174 nm，材料去除率為0.105 μm/h.?

從碳化硅的化學機械拋光研究中可以看出，通 過提高加工中的機械作用以及化學作用都可以提高 加工效率，也取得一定效果. 化學機械拋光中最主要 的優(yōu)化方向是平衡化學反應的速率以及機械去除的 速率. 當化學反應的速率高于機械去除的速率時，就 無法及時去除化學反應生成的軟質 SiO2層，加工后 碳化硅表面會殘留一定厚度且成分為 SiO2的損傷 層；當機械去除的速率高于化學反應的速率時，碳化 硅表面還來不及形成軟質 SiO2層就與磨料接觸，導 致材料去除率過低. 因此，平衡化學反應速率和機械 去除速率能夠同時獲得較高的表面質量以及材料去除率.?

2.1.2 特種能場輔助化學機械拋光技術?

化學機械拋光技術能夠獲得較高的表面質量， 但是較低的材料去除率以及對環(huán)境的不友好是其亟 待解決的難題 . 通過添加特種能場的方式能夠替代 化學試劑對碳化硅表面進行氧化腐蝕，同時降低化 學試劑對環(huán)境的影響. 如圖4所示，電化學機械拋光 技術通過陽極氧化的方式提高化學腐蝕速率；等離 子體輔助拋光技術通過等離子體對碳化硅表面進行 氧化改性；紫外光輔助化學機械拋光技術通過紫外 光及催化劑對碳化硅表面進行氧化腐蝕.

有研究者提出在化學機械拋光中引入電場，即 電 化 學 機 械 拋 光 技 術（Electrochemical Mechanical ?Polishing， ECMP）. 該方法是利用陽極氧化的方式提 高化學腐蝕速率，能夠有效地提高加工效率，并獲得 光滑表面 . Li等研究了電流密度對電化學機械拋 光的影響，他們發(fā)現(xiàn)當電流密度超過 20 mA/cm² 時， 陽極氧化和機械去除能夠更好地適配，從而提高加 工效率 . Yang 等提出無拋光液的電化學機械拋 光，獲得了無劃痕的碳化硅表面，且表面粗糙度下降 至 1.352 nm. Chen 等對陽極氧化的條件進行了進 一步的探究，他們發(fā)現(xiàn)當 pH=7 時，溶液會有更好的 氧化效果. Murata等提出一種使用聚氨酯-氧化鈰 核殼顆粒的無拋光墊的電化學機械加工方法，雖然 拋光后表面的劃痕沒有完全消除，但是材料去除率 可達 3~4 μm/h. Yang等?提出了一種三步無拋光液 的電化學機械拋光工藝，可以獲得表面粗糙度為 0.11 nm 的 碳 化 硅 表 面 且 材 料 去 除 率 可 以 達 到11 μm/h. 電化學機械拋光是一種很有潛力的加工方 式，利用綠色電能代替了化學試劑，減少了對環(huán)境的 污染，同時加工效率也有明顯的改善. 由于目前電化 學機械拋光都聚焦在小尺寸的碳化硅加工上，隨著 裝備及自動化技術的發(fā)展，未來碳化硅的電化學機 械拋光將朝著大尺寸、全局平坦化、自動化的方向發(fā)展.

Yamamura 等提出了一種利用常壓等離子體 輻照加工材料的新方法，即等離子體輔助拋光技術 （Plasma Assisted Polishing， PAP），其原理是使用等 離子體對碳化硅襯底進行輻照，通過羥基自由基來 氧化碳化硅襯底表面，形成軟質 SiO2，再通過軟磨料 機械去除 SiO2變質層，等離子體輻射的表面氧化改 性和機械去除相互交替進行，從而達到材料去除的 目的. Yamamura等使用氦氣等離子體對碳化硅進 行輻照，通過納米壓痕試驗表明，輻照后碳化硅硬度 從 37.4 GPa降低至 4.5 GPa，然后再使用 CeO2軟磨料 拋光，獲得表面粗糙度為0.1 nm的超光滑、無劃痕的 原子級表面 . Deng等使用氦氣與水蒸氣的等離子 體輻照碳化硅襯底，實驗證明當氦氣中水蒸氣濃度 在 0.022% 時，等離子體氧化速率為最高，且當拋光 速率大于氧化速率時，能夠獲得階梯寬度均勻的原 子表面階梯結構. 目前，從等離子體輔助拋光技術的 發(fā)展來看，高效率、高精度、低能耗、智能化已成為該 技術的發(fā)展趨勢. 另外，開發(fā)更先進的在線檢測技術 也將成為研究熱點，以實現(xiàn)對加工量的準確控制，達 到精確去除的目的.?

研究者們將紫外光催化反應運用到碳化硅的化 學機械拋光的過程中，形成了紫外光輔助化學機械 拋光技術（Ultraviolet Assisted CMP， UV-CMP）. 通過 紫外光照射光催化劑產(chǎn)生光催化反應，生成羥基自 由基，羥基自由基將碳化硅表面氧化成軟質SiO2，再 通過磨粒劃擦去除 SiO2變質層 . 紫外光催化反應和 磨粒劃擦去除相互交替進行，能獲得超平坦、超光 滑、無損傷的原子級表面 . Ishikawa等探究紫外光 輔助拋光的可行性，發(fā)現(xiàn)在室溫下 TiO2的光催化作 用使得碳化硅表面生成二氧化硅 .Tanaka 等人研究在紫外光下使用不同催化劑對碳化硅的拋光影 響，結果表明，當催化劑為TiO2時，能夠獲得無損傷、 超光滑的原子級表面，且材料去除率為 0.313 μm/h. ?Yan等研究影響紫外光催化反應速率和拋光效果 各個因素，發(fā)現(xiàn)H2O2濃度對反應速率的影響最大，光 照強度的影響最小，在最佳參數(shù)下進行光催化輔助 化學機械拋光，最佳的表面粗糙度為 0.423 nm，材料 去除率為 0.107 μm/h. 尋找新的催化效率更高的光 催化劑將是提高 UV-CMP 材料去除率的重要手段， 未來將進一步研究光催化劑以及反應物的最佳摩爾 比，以及增強光催化活性的新方法，進而提高磨拋加 工的效率.?

2.2 以機械誘導為主的反應磨拋技術?

以化學腐蝕為主的反應磨拋技術可以獲得理想 的碳化硅襯底，但是較低的效率以及對環(huán)境的不友 好都是其亟須解決的問題 . 因此研究人員提出在加 工過程中通過機械力劃擦誘導化學反應，達到兼顧 效率以及表面質量的目的.?

2.2.1 磨粒劃擦誘導碳化硅水反應的反應磨拋技術

Lu等提出了一種用于超精密加工的綠色、高 效、半固結的磨料工具——SG 拋光墊，在僅使用蒸 餾水作為冷卻液的情況下利用該工具可以獲得超光 滑、無劃痕、幾乎無表面損傷的碳化硅襯底表面 . 這 一技術被稱作溶膠凝膠拋光技術，這是一種新型的 綠色高效拋光技術，該技術借助軟質基體所擁有的 柔性特點，實現(xiàn)了磨粒的“容沒”效應. “容沒”效應是 指在拋光加工過程中磨粒接觸到加工表面時，由于 軟質基體的存在，較為突出的磨粒可以產(chǎn)生回彈，進 而保證表層磨粒能夠近似在同一水平面內(nèi)對工件進 行加工，從而獲得均勻的材料去除，以達到更好的拋 光效果，是一種非常有潛力的綠色高效拋光技術 . ?Luo 等使用金剛石和氧化鋁磨料的半固結和固結 拋光墊進行了對比試驗，發(fā)現(xiàn)固結磨料拋光工具的 材料去除尺度不均勻，從幾納米到幾百納米不等，很 難保持表面的完整性；而使用半固結拋光墊卻能夠 獲得具有亞納米級的光滑無劃痕表面，同時在加工 后的表面上發(fā)現(xiàn)了納米級厚度的非晶型SiO2.?

為了研究非晶 SiO2的產(chǎn)生原因，羅求發(fā)對碳化硅的磨粒拋光去除機理進行了研究，發(fā)現(xiàn)在磨粒 與襯底表面的機械摩擦作用下，碳化硅表面生成了 非晶 SiO2. 通過進一步研究發(fā)現(xiàn)，該現(xiàn)象本質為磨粒 劃 擦 誘 導 了 碳 化 硅 與 水 發(fā) 生 了 化 學 反 應 . Cheng 等對碳化硅與水的摩擦化學反應機理進行了深入 研究. 發(fā)現(xiàn)在納米尺度中，碳化硅襯底表面在金剛石 壓頭的反復機械作用下被誘導成非晶化的碳化硅， 然后非晶化的碳化硅再和水反應生成 SiO2；控制碳 化硅與水反應的主要因素是載荷和接觸狀態(tài)，其次是速度和溫度 . 這一研究闡述了碳化硅與水反應的 條件，對其進行合理的利用，可以使碳化硅襯底的加 工效率和表面質量得到顯著的提升.?

在碳化硅襯底的減薄加工過程中有效地應用碳 化硅與水的反應可以合理避免裂紋的產(chǎn)生，進而提 高碳化硅襯底的表面質量. 同時，利用半固結磨料磨 削的方式可以有效地解決加工效率和加工質量不能 兼顧的問題 .如圖 5所示，在碳化硅襯底的減薄加工 中通過控制磨粒的“容沒”效應使得突出高度分別為 H1~H4的磨粒保持在同一高度H5上，進而通過磨粒劃 擦誘導碳化硅表面生成非晶碳化硅，然后非晶碳化 硅與水發(fā)生反應生成軟質 SiO2，再通過磨粒劃擦去 除 SiO2變質層，可以有效提高加工后碳化硅襯底的 表面質量.

2.2.2 金屬摩擦誘導反應磨削技術?

由于碳化硅具有超高的硬度，它經(jīng)常被當作磨 料來加工金屬等材料 . 但是在加工黑色金屬時碳化 硅卻有著異常的表現(xiàn)，它在加工過程中的磨損非常 大，這也直接導致了它不適用于加工黑色金屬，針對 這 一 問 題 ，研 究 人 員 對 其 磨 損 原 理 進 行 了 研 究 . ?Komanduri 等對碳化硅在鈷基高溫合金上進行了 高速、低進給速度下的模擬磨削磨損試驗，發(fā)現(xiàn)碳化 硅在高溫下分解，Si 和 C 原子擴散到金屬中形成金 屬硅化物和不穩(wěn)定的金屬碳化物，在冷卻過程中逐 漸分解 . Duwell 等報道碳化硅與鐵反應生成鐵硅化物. 前人的研究表明，純金屬可以與碳化硅在一定 條件下發(fā)生化學反應，因此將純金屬摩擦化學原理 應用于單晶碳化硅的加工在理論上是可行的.?

基于此，Wu等研究了純金屬（鐵和鎳）對單晶 碳化硅的高速摩擦去除行為，研究表明碳化硅襯底 的C面獲得了近乎無損傷的表面、亞表面，而碳化硅 襯底的Si面存在裂紋、位錯、層錯和晶格畸變等晶體 缺陷. 用鐵摩擦碳化硅襯底的C面，其材料去除率可 達330 μm/h. 用純鎳摩擦碳化硅襯底的Si面，可獲得 534 μm/h 的材料去除率 . 硅化物以及氧化物的形成 表明，碳化硅的 C 面和 Si 面去除均以金屬摩擦誘導 化學作用為主 . 在反應變質層的不斷生成及去除的 循環(huán)過程中，實現(xiàn)碳化硅的高速去除，純金屬摩擦誘 導碳化硅反應的材料去除機理如圖6所示.?

用金屬摩擦誘導反應磨削碳化硅的方法少有人 研究，這是一種在碳化硅襯底磨拋和碳化硅芯片減 薄加工中具有巨大潛力的高效加工方法 . 由于目前 金屬摩擦誘導反應磨削還聚焦在小尺寸的碳化硅加 工上，未來將朝著大尺寸、全局平坦化的方向發(fā)展， 同時提高金屬的自銳性以及對加工過程的溫度控制 也是保證加工表面質量的關鍵因素.?

2.3 小 結?

由于碳化硅晶體難以長成長條狀的晶棒，所以 碳化硅晶體主要朝著大尺寸的晶錠方向突破，大尺 寸、超薄化的碳化硅襯底磨拋加工將是未來的研究 熱點，如圖 7所示，如何兼顧大尺寸碳化硅襯底的加 工效率和加工質量將成為關鍵. 目前，主要是通過單 面磨削和化學機械拋光的方式實現(xiàn)大尺寸碳化硅襯 底的磨拋加工，但是較低的良品率以及加工效率是 其亟待解決的難題 . 通過對現(xiàn)有碳化硅襯底磨拋技 術的總結及分析，未來碳化硅襯底磨拋加工技術的 發(fā)展將集中在工藝參數(shù)的優(yōu)化、新磨料及拋光液的 研究、加工設備的自動化和智能化發(fā)展、環(huán)保加工方 法的開發(fā)、多尺度磨拋加工以及跨學科研究等方面.?

1）大尺寸襯底磨拋加工工藝優(yōu)化：通過試驗以及仿真等手段，探討大尺寸碳化硅襯底磨拋加工過 程中各個參數(shù)對加工結果的影響，并對其中的關鍵 參數(shù)進行控制以及優(yōu)化，以期找到最合適的加工參 數(shù)，實現(xiàn)高效率、高質量、低成本加工.

2）研究新型磨料及拋光液：磨料及拋光液是影 響碳化硅襯底加工效率以及加工質量的關鍵因素 . ?未來，研究人員將致力于研究和尋找新型的磨料以 及拋光液，以期實現(xiàn)磨料、拋光液與碳化硅的快速反 應，提高加工效率，并降低表面粗糙度.

3）研發(fā)智能化及自動化加工設備：借助現(xiàn)代計算機技術和人工智能技術，開發(fā)智能化和自動化的 加工設備，通過實時數(shù)據(jù)監(jiān)測和分析，實現(xiàn)磨拋加工 過程中參數(shù)的實時控制和優(yōu)化，提高加工效率和加 工質量.?

4）開發(fā)新的加工方法：碳化硅襯底的磨拋加工 過程中會產(chǎn)生大量對環(huán)境不友好的廢料、廢水，探索 新的磨拋加工技術，如等離子刻蝕拋光技術、激光磨 拋技術等，可以有效減少對環(huán)境的影響，同時滿足不 同場景的應用需求.?

5）多尺度磨拋技術：目前碳化硅襯底需經(jīng)過粗 磨、精磨、拋光等一系列加工步驟后才能得到理想的 表面質量，煩瑣的加工步驟嚴重影響了加工效率以 及加工質量. 針對不同尺度的表面缺陷，科研人員將 研究多尺度磨拋技術，通過整合多種不同磨拋技術， 以實現(xiàn)從粗糙到光潔的磨拋一體化加工過程，減少 加工步驟的同時，獲得高質量的碳化硅襯底.?

6）跨學科研究：碳化硅襯底的磨拋加工技術涉 及多個學科領域，如材料科學、化學、力學等. 加強各 學科之間的交流，促進學科交叉融合，推動碳化硅襯 底磨拋技術的創(chuàng)新發(fā)展.?

本文闡述了碳化硅襯底磨拋技術的研究進展與 發(fā)展趨勢 . 碳化硅襯底磨拋技術的發(fā)展受到高性能 器件質量需求的牽引，同時也帶動了碳化硅器件性 能的提升 . 由于機械磨拋技術主要依靠硬質磨粒劃擦去除，所以難以獲得滿足表面質量的碳化硅襯底， 因此如何提高機械磨拋技術的加工質量將成為未來 的研究熱點之一 . 化學腐蝕和機械誘導反應是化學 反應磨拋技術的核心，為了降低碳化硅磨拋加工過 程中的時間、經(jīng)濟成本，對化學腐蝕和機械誘導反應 的速率提出了更高的要求，同時化學反應速率和機 械去除速率的平衡是表面質量的重要影響因素 . 在 未來的研究中，需要優(yōu)化大尺寸襯底磨拋加工中的 工藝參數(shù)和磨拋工具；開發(fā)新型超精密磨拋技術；研 發(fā)自動化、智能化的加工設備；實現(xiàn)碳化硅襯底加工 的磨拋一體化.