中國(guó)粉體網(wǎng)訊 SiC作為襯底材料，單晶SiC的表面粗糙度直接影響其在電子器元件中工作的效果與性能。為確保單晶SiC在半導(dǎo)體、襯底材料中的應(yīng)用的穩(wěn)定性，其表面粗糙度往往要達(dá)到納米級(jí)或以下（工業(yè)要求Ra<0.3nm）。
眾所周知，SiC很硬且脆，同時(shí)其具有較高的化學(xué)穩(wěn)定性，這些性能使得SiC單晶加工困難。因此，解決SiC單晶加工問(wèn)題，才能使其應(yīng)用不受限制。
SiC晶圓超精拋光
SiC加工工序主要分為：定向切割、晶片粗磨、精磨、機(jī)械拋光與超精拋光，其中超精拋光技術(shù)作為最后一步，直接決定了SiC晶圓的表面粗糙度及使用性能。在半導(dǎo)體領(lǐng)域通過(guò)超精拋光后達(dá)到的超光滑、無(wú)缺陷的表面是高質(zhì)量應(yīng)用的前提，目前使SiC晶圓達(dá)到超光滑表面常用的方式主要有五種。
磁流變拋光（MRF）：納米金剛石磁流變拋光過(guò)程的原理是塑性剪性去除，材料以剪性刮擦的形式去除。即在磨粒法向受力斷裂時(shí)，在材料表面或亞表面形成損傷，并且使得材料表面凸起橫向斷裂，從而達(dá)到拋光效果的一種方法。
等離子體輔助拋光（PAP）：是一種借助等離子體進(jìn)行表面改性，結(jié)合軟磨粒拋光技術(shù)實(shí)現(xiàn)SiC表面材料高效去除的拋光方法。兩者結(jié)合極大地提高了SiC的加工效率，并且不會(huì)產(chǎn)生亞表面損傷。
電化學(xué)機(jī)械復(fù)合拋光（ECMP）：近年來(lái)，國(guó)內(nèi)學(xué)者發(fā)現(xiàn)，通過(guò)電化學(xué)機(jī)械復(fù)合拋光可以進(jìn)一步提高CMP的拋光效率。當(dāng)進(jìn)行電化學(xué)拋光時(shí)，作為陽(yáng)極的SiC晶圓表面發(fā)生強(qiáng)烈的氧化反應(yīng)，從而降低表面硬度，改善表面質(zhì)量，同時(shí)可以通過(guò)控制電流大小來(lái)改變氧化速率進(jìn)一步調(diào)整拋光效率。
化學(xué)機(jī)械拋光（CMP）：該方法是目前在單晶SiC晶圓拋光加工領(lǐng)域最常用的超精密拋光技術(shù)。
紫外輔助化學(xué)機(jī)械拋光（PCMP）：通過(guò)紫外光的激發(fā)與光催化劑中電子激發(fā)躍遷提供的能量，催化H2O2、KMnO4等強(qiáng)氧化劑，使其提供具有強(qiáng)氧化性的自由基，與SiC反應(yīng)生成較軟的氧化層，以此來(lái)提高拋光效率。近些年發(fā)現(xiàn)，其提供的羥基自由基（-OH）也可應(yīng)用在單晶SiC的拋光加工中，以達(dá)到較好的拋光加工效果。
化學(xué)機(jī)械拋光原理圖
納米金剛石拋光液在超精拋光中的應(yīng)用
金剛石拋光液主要分為多晶金剛石拋光液、單晶金剛石拋光液和納米金剛石拋光液。在電子化信息技術(shù)及半導(dǎo)體行業(yè)中，要求加工表面粗糙度小，表面性能好。從磨料挑選角度出發(fā)，納米金剛石完全符合該精密加工的要求。
近些年我國(guó)人造金剛石產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速，占世界產(chǎn)值八成以上，且價(jià)格逐漸降低，利用納米金剛石作為磨料不僅能提高加工效率，成本也進(jìn)一步降低。納米金剛石無(wú)疑是精加工碳化硅、藍(lán)寶石等硬脆晶體材料的最佳選擇。使用納米金剛石進(jìn)行加工，不僅可以提高加工效率，縮短加工時(shí)間，還可以使表面粗糙度達(dá)到納米級(jí)。
金剛石研磨液，來(lái)源：圣戈班
在納米金剛石拋光液應(yīng)用中，良好的拋光液粒徑控制是獲得好的加工效果的重要保障。但是，由于比表面積大、比表面能高，納米金剛石處于熱力學(xué)不穩(wěn)定狀態(tài)，顆粒間極易發(fā)生團(tuán)聚，并且這種團(tuán)聚往往很難被破壞。要想實(shí)現(xiàn)納米金剛石拋光液中磨料粒徑的可控，首先要對(duì)納米金剛石顆粒間的團(tuán)聚進(jìn)行破壞，實(shí)現(xiàn)納米金剛石的分散。
納米粉體的分散過(guò)程就是納米顆粒均勻分布的過(guò)程，其主要通過(guò)物理分散法與化學(xué)分散法對(duì)納米顆粒進(jìn)行分散。
（1）物理分散法
物理分散法主要是分為機(jī)械分散和超聲分散兩種方法。機(jī)械分散是最簡(jiǎn)單的分散方法，如研磨分散、膠體磨分散、球磨分散等等，通過(guò)簡(jiǎn)單的物理行為對(duì)納米金剛石團(tuán)聚的大顆粒進(jìn)行破壞，從而進(jìn)行分散。單獨(dú)依靠機(jī)械分散很難使納米金剛石達(dá)到穩(wěn)定分散，因此該法常常與其他分散方法聯(lián)用，以達(dá)到較好分散的效果。超聲分散是利用液體中空化氣泡的形成、生長(zhǎng)和急劇崩潰，來(lái)對(duì)顆粒進(jìn)行打散，破壞顆粒的硬團(tuán)聚。使用超聲波分散的好處是在制備過(guò)程中，不會(huì)引入其他雜質(zhì)。
（2）化學(xué)分散法
化學(xué)分散法主要分為分散劑分散法和化學(xué)改性分散法。分散劑分散主要是通過(guò)改變粒子表面來(lái)對(duì)其進(jìn)行分散的方法，只是改善了分散性，在分散過(guò)程中需要施加驅(qū)動(dòng)力，使得粒子分散。化學(xué)改性分散法通過(guò)化學(xué)溶劑處理納米金剛石表面，降低納米金剛石表面電位，從而改善團(tuán)聚現(xiàn)象，是目前對(duì)于納米粉體分散較為常見(jiàn)的一種處理方法。其通過(guò)對(duì)納米金剛石表面基團(tuán)進(jìn)行改性，增加納米金剛石表面的基團(tuán)，或?qū){米金剛石表面基團(tuán)進(jìn)行修改，以此來(lái)改善納米金剛石在介質(zhì)中的電位分布，達(dá)到改善分散性的目的。
小結(jié)
納米金剛石拋光液在日本和歐美已在一定范圍內(nèi)得到了應(yīng)用，已開(kāi)發(fā)出水溶性、油溶性和氣霧劑的納米金剛石拋光劑。美國(guó)、英國(guó)、德國(guó)、日本等國(guó)家具備了納米金剛石拋光液的生產(chǎn)能力，企業(yè)如Engis公司、All公司等，能夠提供多種類型的拋光產(chǎn)品。國(guó)內(nèi)在拋光液制備領(lǐng)域的研究起步較晚，技術(shù)水平與國(guó)外相比還有一定的差距。
由于目前對(duì)單晶4H-SiC晶圓的超精拋光存在效率低、拋光表面粗糙度高的問(wèn)題，很難高效獲得高質(zhì)量表面，而使用等離子體拋光、電化學(xué)機(jī)械拋光等手段雖然可以降低表面粗糙度，但成本過(guò)高，設(shè)備要求高。相較其他手段，利用紫外光輔助化學(xué)機(jī)械拋光具有加工成本低、加工效率高的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)利用納米金剛石做磨料，可以進(jìn)一步提高加工效率。目前大多只是實(shí)現(xiàn)了較大粒徑的分散控制，獲取的拋光液產(chǎn)品整體粒度尺寸較大。小粒徑產(chǎn)品，比如單顆粒的納米金剛石分散產(chǎn)品較少，因此，開(kāi)發(fā)更細(xì)粒徑、質(zhì)量穩(wěn)定的納米金剛石拋光液是科研工作者今后研究的方向。
來(lái)源：
孟汝浩：納米金剛石拋光液及SiC晶圓超精拋光技術(shù)
靳洪允等：納米金剛石拋光液制備及應(yīng)用
王沛等：納米金剛石拋光液中磨料的可控性團(tuán)聚研究現(xiàn)狀
圣戈班官網(wǎng)
（中國(guó)粉體網(wǎng)編輯整理/空青）
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