碳化硅作為一種新興的半導(dǎo)體材料，具有導(dǎo)熱率高、寬禁帶、高擊穿電場(chǎng)、高電子遷移率等特性，使得其成為目前研發(fā)比較集中的半導(dǎo)體材料之一。因?yàn)檫@些性能，碳化硅可以廣泛地應(yīng)用于襯底、外延、器件設(shè)計(jì)、晶圓制造等多個(gè)領(lǐng)域。

       據(jù)中研普華產(chǎn)業(yè)研究院發(fā)布的報(bào)告顯示，2023年中國(guó)碳化硅外延設(shè)備市場(chǎng)規(guī)模約為13.07億元，預(yù)計(jì)到2026年將增至26.86億元，由此可見(jiàn)其巨大的潛力市場(chǎng)。

       然而在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，碳化硅非常硬，莫氏硬度約為9.5，接近于金剛石，導(dǎo)致其在拋光研磨過(guò)程中存在一定的難點(diǎn)，給現(xiàn)有的加工技術(shù)帶來(lái)了巨大的挑戰(zhàn)。

       1、金屬摩擦誘導(dǎo)反應(yīng)磨削技術(shù)

       金屬摩擦誘導(dǎo)反應(yīng)磨削技術(shù)主要是以金屬摩擦誘導(dǎo)化學(xué)作用為原理，在反應(yīng)變質(zhì)層的不斷生成及去除的循環(huán)過(guò)程中，實(shí)現(xiàn)碳化硅的高速去除。

       碳化硅雖然莫氏硬度非常高，但它不適用于加工黑色金屬，因?yàn)樘蓟钑?huì)在高溫下分解，碳原子和硅原子會(huì)擴(kuò)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(guò)程時(shí)逐步進(jìn)行分解，造成磨損極其嚴(yán)重。根據(jù)這一特點(diǎn)，人們推斷純金屬可以與碳化硅在一定條件下發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。

       在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，碳化硅襯底的碳面往往有著近乎無(wú)損傷的表面，而硅面存在大量裂紋、位錯(cuò)、層錯(cuò)和晶格畸變等晶體缺陷。用鐵摩擦碳化硅襯底的碳面材料去除率可達(dá)330μm/h。用純鎳摩擦碳化硅襯底的硅面材料去除率為534μm/h。

       目前這一方法的相關(guān)研究較少，主要聚焦在小尺寸的碳化硅加工上，但它在碳化硅襯底磨拋和碳化硅芯片減薄加工中具有巨大的潛力。

       2、溶膠凝膠拋光技術(shù)

       溶膠凝膠拋光技術(shù)是一種綠色、高效的拋光方法，通過(guò)使用半固結(jié)磨料和柔性基材，借助軟質(zhì)基體所擁有的柔性特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了磨粒的“容沒(méi)”效應(yīng)，以在極硬半導(dǎo)體襯底上實(shí)現(xiàn)超光滑和低缺陷密度的表面。這種方法結(jié)合了化學(xué)和機(jī)械作用，可以在不造成嚴(yán)重表面或亞表面損傷的情況下，有效的拋光極硬半導(dǎo)體襯底。

       與傳統(tǒng)CMP相比，溶膠凝膠拋光技術(shù)能夠在短時(shí)間內(nèi)顯著降低表面粗糙度，并實(shí)現(xiàn)較高的材料去除率；軟質(zhì)基體由于具有較好的柔韌性，可以在較低的拋光壓力下工作，減少對(duì)工件和設(shè)備的壓力需求，減少磨粒的磨損和脫落，延長(zhǎng)磨粒的使用壽命。

       前驅(qū)體物質(zhì)（通常是金屬有機(jī)化合物）轉(zhuǎn)化為溶膠，通過(guò)水解和縮合反應(yīng)形成凝膠，在溶膠-凝膠拋光墊中，磨粒被部分固定在凝膠基質(zhì)中，這樣可以在保持磨粒活動(dòng)性的同時(shí)，提供一定的機(jī)械強(qiáng)度。國(guó)內(nèi)學(xué)者利用這一技術(shù)對(duì)HTHP單晶金剛石（111）面進(jìn)行加工，拋光22h后，表面粗糙度從230nm降至1.3nm。

       3、磨粒劃擦誘導(dǎo)碳化硅水反應(yīng)的磨拋技術(shù)

       磨粒劃擦誘導(dǎo)碳化硅水反應(yīng)的磨拋技術(shù)是一種先進(jìn)的材料加工技術(shù)，主要應(yīng)用于碳化硅等硬脆材料的精密加工。

       這項(xiàng)技術(shù)利用磨粒在加工過(guò)程中對(duì)碳化硅表面產(chǎn)生的劃擦作用，結(jié)合水反應(yīng)來(lái)改善材料的去除效率和表面質(zhì)量。通過(guò)控制磨粒的容沒(méi)效應(yīng)，使得磨粒保持在同一高度上，通過(guò)磨粒劃擦誘導(dǎo)碳化硅表面生成非晶碳化硅，非晶碳化硅與水可以反應(yīng)生成軟質(zhì)二氧化硅，再通過(guò)磨粒劃擦去除二氧化硅的變質(zhì)層。

       在納米尺度中，碳化硅襯底表面在金剛石等壓頭的反復(fù)機(jī)械作用下會(huì)被誘導(dǎo)成非晶化的碳化硅。非晶化的碳化硅和水反應(yīng)生成二氧化硅的影響因素包括載荷、接觸狀態(tài)、速度和溫度，通過(guò)對(duì)這一過(guò)程的合理利用，可以使碳化硅襯底的加工效率、表面質(zhì)量得到顯著的提升，可以合理避免裂紋的產(chǎn)生。

       當(dāng)前以CMP為代表的化學(xué)反應(yīng)研磨拋光技術(shù)是加工碳化硅襯底的重要手段，但加工效率非常低，材料去除率只能達(dá)到0.5μm/h左右，而金屬摩擦誘導(dǎo)反應(yīng)磨削技術(shù)可以達(dá)到300-500μm/h。

       目前有關(guān)于這部分的研究還較少，在后續(xù)表面的處理、材料的選用等還有待進(jìn)一步的優(yōu)化，相信在未來(lái)，以機(jī)械誘導(dǎo)為主的反應(yīng)磨拋技術(shù)可以給我們帶來(lái)更多的驚喜！