中國粉體網(wǎng)訊 碳化硅（SiC）材料具有尺寸穩(wěn)定性好、彈性模量大、比剛度大、導(dǎo)熱性能好和耐腐蝕等性能，在現(xiàn)代工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。
碳化硅結(jié)構(gòu)圖
在半導(dǎo)體領(lǐng)域，利用其具有禁帶寬度、擊穿場強(qiáng)高和導(dǎo)熱性良好等特性，SiC成為繼第一代半導(dǎo)體硅（Si）和第二代半導(dǎo)體砷化鎵（GaAs）之后的第三代半導(dǎo)體理想材料。
三代半導(dǎo)體材料的性能對比
應(yīng)用方面對碳化硅晶體的表面質(zhì)量具有嚴(yán)格的要求。經(jīng)過定向切割、研磨（粗研、精研）、粗拋之后，已經(jīng)可以得到表面質(zhì)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(xiàn)劃痕、殘余應(yīng)力層和機(jī)械損傷層。因此，為了達(dá)到碳化硅的應(yīng)用要求，需要進(jìn)一步地提高碳化硅晶片的表面質(zhì)量，減少劃痕和降低表面粗糙度。
化學(xué)機(jī)械拋光技術(shù)是通過化學(xué)作用在工件表面生成一層軟化膜，再通過機(jī)械作用去除的一種拋光方法。化學(xué)機(jī)械拋光技術(shù)是集成電路制造中獲得全局平坦化的一種手段，該技術(shù)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(zhì)玷污的表面。
1997年Zhou L等首次提出了將化學(xué)機(jī)械拋光技術(shù)應(yīng)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(jìn)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(tǒng)化學(xué)機(jī)械拋光可按照磨料存在狀態(tài)分為游離磨料拋光和固結(jié)磨料拋光。
游離磨料拋光
游離磨料的化學(xué)機(jī)械拋光是一種傳統(tǒng)的SiC材料拋光加工方式。游離磨料工藝裝置主要由旋轉(zhuǎn)工作臺、試件裝夾器及拋光液輸送裝置三部分構(gòu)成。旋轉(zhuǎn)工作臺上粘貼有拋光墊并自旋轉(zhuǎn)，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(chǎn)生相對運動。
游離磨料拋光示意圖
在應(yīng)用傳統(tǒng)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(dāng)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(dá)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(fā)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(chǎn)生微裂紋，形成亞表面損傷。此外，工藝參數(shù)多、游離磨料的分散不穩(wěn)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(dǎo)致拋光墊微孔堵塞，使得表面變得光滑，最終導(dǎo)致材料去除率逐漸下降。
固結(jié)磨料拋光
基于游離磨料化學(xué)機(jī)械拋光的缺點和對晶片平坦化要求的不斷提高，20世紀(jì)90年代3M公司率先提出固結(jié)磨料的化學(xué)機(jī)械拋光（Fixed Abrasive-Chemical Mechanical Polishing，F(xiàn)A-CMP）技術(shù)，固結(jié)磨料化學(xué)機(jī)械拋光技術(shù)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(jié)磨料承受壓強(qiáng)變小，切削層厚度降低，將會提高表面精度。
固結(jié)磨料拋光示意圖
固結(jié)磨粒拋光加工裝置與游離磨粒拋光裝置類似，區(qū)別在于拋光墊不同，即固結(jié)磨粒拋光使用的是固結(jié)磨粒研磨拋光墊，同時使用樹脂結(jié)合劑固結(jié)磨粒和去離子水及環(huán)保的化學(xué)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(jié)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(jìn)而利用固結(jié)磨粒研磨拋光墊表面出露的磨粒尖端對晶片表面實現(xiàn)材料的有效去除。
固結(jié)磨料拋光墊結(jié)構(gòu)圖
在應(yīng)用傳統(tǒng)的固結(jié)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(jié)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(huán)保等諸多優(yōu)點；但工藝上也存在一些不足，例如：在固結(jié)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(dāng)前研究和應(yīng)用的仍是以平面為主的固結(jié)磨料拋光墊，而SiC的應(yīng)用場合又有許多為非平面，非平面固結(jié)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(jié)磨粒拋光，均屬于傳統(tǒng)CMP方式，二者可通過結(jié)合化學(xué)反應(yīng)和機(jī)械力的去除作用，實現(xiàn)碳化硅晶片表面的材料去除，但在應(yīng)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(xué)機(jī)械拋光技術(shù)研究進(jìn)展
[2] 王磊，碳化硅晶體電化學(xué)機(jī)械拋光工藝研究
[3] 孫興漢等，碳化硅化學(xué)機(jī)械拋光中材料去除非均勻性研究進(jìn)展
[4] 天科合達(dá)官網(wǎng)
[5] Zhou L., et al. Chemomechanical Polishing of Silicon Carbide.
（中國粉體網(wǎng)編輯整理/山林）
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