碳化硅(SiC)材料具有尺寸(cun)穩(wen)定(ding)性(xing)(xing)好(hao)、彈(dan)性(xing)(xing)模量大、比(bi)剛度(du)(du)大、導(dao)熱(re)性(xing)(xing)能好(hao)和(he)(he)耐(nai)腐蝕(shi)等(deng)(deng)性(xing)(xing)能，在(zai)(zai)現代(dai)(dai)(dai)工業領域應用廣泛：在(zai)(zai)半導(dao)體(ti)領域，利(li)用其(qi)(qi)具有禁帶寬度(du)(du)、擊穿場強高和(he)(he)導(dao)熱(re)性(xing)(xing)良(liang)好(hao)等(deng)(deng)特性(xing)(xing)，SiC成(cheng)為(wei)繼第一代(dai)(dai)(dai)半導(dao)體(ti)硅(Si)和(he)(he)第二代(dai)(dai)(dai)半導(dao)體(ti)砷化鎵(GaAs)之(zhi)后的第三代(dai)(dai)(dai)半導(dao)體(ti)理想材料；在(zai)(zai)光(guang)學(xue)(xue)鏡(jing)面領域，利(li)用其(qi)(qi)輕(qing)量化、比(bi)剛度(du)(du)大和(he)(he)熱(re)變形系數(shu)小等(deng)(deng)特點，SiC成(cheng)為(wei)空間反射鏡(jing)光(guang)學(xue)(xue)元(yuan)(yuan)件的優選(xuan)材料；在(zai)(zai)機械密封領域，利(li)用其(qi)(qi)較高的尺寸(cun)穩(wen)定(ding)性(xing)(xing)、耐(nai)腐蝕(shi)性(xing)(xing)能和(he)(he)耐(nai)磨性(xing)(xing)質，SiC材料已(yi)經在(zai)(zai)航空、船舶及特殊車輛等(deng)(deng)多種場合作為(wei)密封元(yuan)(yuan)件進行開(kai)發應用。

       SiC材料的表面加工質量對制件的可靠性和使用壽命至關重要，如：在半導體領域，SiC晶片的輕薄化和表面超光滑的特性不僅減小了體積，還降低了其內阻，改善了芯片散熱性能。在單晶SiC基片的外延工藝應用中要求表面粗糙度Ra<0.3 nm ，并且表面無缺陷、無損傷。光學元件的表面質量是影響光學系統成像分辨率的重要因素，拋光就是為了提高表面質量，盡量降低表面粗糙度和亞表面損傷層深度，而散射越少，成像分辨率越高。光學鏡面要求其光學元件表面超光滑，表面粗糙度均方根(Root Mean Square ，RMS)<1nm。機械密封元件要求密封端面的表面粗糙度Ra<0.4 μm，平面度一般小于0.9 μm。
       由于SiC材料綜合性能優異，隨著其應用和發展逐步廣泛和深入，對其加工精度要求日益增長。SiC表面平坦化質量直接影響制件性能，決定了制件的成品率。SiC材料的彈性模量(420~530 GPa)與其莫氏硬度(約9.2，顯微硬度約28~40 GPa）的比值小于20，屬于典型的脆硬性材料，其平坦化加工時在力的作用下易產生微裂紋，亞表層缺陷多，使得該材料面臨加工效率低、加工困難及加工成本居高不下等問題，制約了其大規模應用和推廣。
目前，廣泛應用的化學機械拋光技術仍為SiC拋光的基礎加工手段，存在加工效率低、加工機理還未有統一的定論等問題。本文重點對傳統化學機械拋光技術中的游離磨料和固結磨料工藝以及化學機械拋光的輔助增效工藝進行了闡述與總結。
       目前SiC材料加工工藝主要有以下幾道工序：定向切割、晶片粗磨、精研磨、機械拋光和化學機械拋光(精拋)。其中化學機械拋光作為最終工序，其工藝方法選擇、工藝路線排布和工藝參數優化直接影響拋光效率和加工成本。在半導體領域中，經過化學機械拋光后SiC單晶片獲得超光滑、無缺陷及無損傷表面是高質量外延層生長的決定因素。
       01傳統化學機械拋光介紹

       SiC的傳(chuan)統化學機械拋(pao)(pao)光按照磨(mo)料(liao)存在狀(zhuang)態可分為游離(li)磨(mo)料(liao)拋(pao)(pao)光和固結磨(mo)料(liao)拋(pao)(pao)光。

       一、游離磨料拋光
       游離磨料拋光示意圖如圖1所示。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。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。三體摩擦如圖2所示。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。

圖1 游(you)離磨料拋光(guang)示意圖

圖2 游離磨(mo)料(liao)拋光三體摩擦(ca)示意(yi)

       在游離磨料工藝中，主要采用三體摩擦方式， 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。
       二、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如圖3所示。FA-CMP工藝是把磨料固結在拋光墊中，研磨液不再添加磨料，而是只含有基本化學成分的水溶液或去離子水。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。

圖3 固結磨料拋光示意圖

     ;  在(zai)應用(yong)傳統的(de)固結磨料(liao)(liao)工藝拋光時，采用(yong)二(er)體摩擦(ca)方式，二(er)體摩擦(ca)如圖4所示，通過磨料(liao)(liao)的(de)切削、耕犁斷(duan)開(kai)Si-C原(yuan)子(zi)之間的(de)共價鍵，使得材料(liao)(liao)去除。

圖4 固結(jie)磨料拋(pao)光二體摩(mo)擦示(shi)意圖

       在(zai)(zai)固(gu)結(jie)(jie)磨(mo)(mo)料(liao)工(gong)藝(yi)中，由于基于二體磨(mo)(mo)擦原理(li)，不(bu)含磨(mo)(mo)料(liao)的(de)(de)(de)研磨(mo)(mo)液具有(you)依(yi)賴性較小、清(qing)潔(jie)簡單和(he)綠色環(huan)保等諸(zhu)多優點。但工(gong)藝(yi)上也存在(zai)(zai)一些不(bu)足，例(li)如：在(zai)(zai)固(gu)結(jie)(jie)磨(mo)(mo)料(liao)工(gong)藝(yi)處理(li)過程中，采用(yong)突起均布(bu)的(de)(de)(de)拋(pao)(pao)光(guang)(guang)(guang)墊(dian)，SiC晶片在(zai)(zai)拋(pao)(pao)光(guang)(guang)(guang)墊(dian)上形(xing)成運(yun)動軌跡(ji)的(de)(de)(de)密度(du)是不(bu)一樣的(de)(de)(de)，造成拋(pao)(pao)光(guang)(guang)(guang)墊(dian)的(de)(de)(de)磨(mo)(mo)損不(bu)均和(he)面(mian)形(xing)惡化(hua)，最后影響到所加工(gong)工(gong)件(jian)的(de)(de)(de)面(mian)形(xing)；當前研究和(he)應用(yong)的(de)(de)(de)仍是以平(ping)(ping)面(mian)為(wei)主(zhu)的(de)(de)(de)固(gu)結(jie)(jie)磨(mo)(mo)料(liao)拋(pao)(pao)光(guang)(guang)(guang)墊(dian)，而(er)SiC的(de)(de)(de)應用(yong)場合又有(you)許多為(wei)非(fei)平(ping)(ping)面(mian)，非(fei)平(ping)(ping)面(mian)固(gu)結(jie)(jie)磨(mo)(mo)料(liao)拋(pao)(pao)光(guang)(guang)(guang)墊(dian)模具的(de)(de)(de)制(zhi)備及固(gu)化(hua)方法難(nan)度(du)則會(hui)相對(dui)增加。

       02輔助增效工藝介紹

       SiC晶型結構特點使得SiC材料具有較高硬度與化學穩定性，導致在拋光過程中材料去除率較低，因此探索基于化學機械拋光基本工藝的輔助增效手段，對于實現 SiC材料產業化應用和推廣具有重要的意義。圖5所示為化學機械拋光協同輔助增效工藝示意圖，輔助增效手段主要有等離子輔助、催化劑輔助、紫外光輔助和電場輔助。針對SiC材料固有的高硬度和化學穩定性，利用輔助增效手段先進行表面改性，再進行力學去除。化學機械拋光輔助增效技術材料去除機理本質是通過輔助增效技術手段來控制SiC表面較軟氧化層的形成并從力學上改善SiC氧化層材料的去除方式。

圖5 化學機械拋光協同輔(fu)助(zhu)增效工藝示意圖