摘要
单晶碳化硅作为第三代半导体材料的典型代表，与前两代半导体材料相比，拥有更加优异的微电子性能，在5G通讯、电力传输、新能源汽车、雷达卫星和消费电子等领域拥有广阔的发展空间。然而，高硬度、高脆性、高耐磨性和高化学惰性给碳化硅晶片的加工带来挑战。传统化学机械抛光虽然可以获得原子级无损伤的光滑表面，但极高的化学惰性导致碳化硅抛光效率很低，高加工成本限制了碳化硅的进一步应用。电化学机械抛光通过电化学阳极氧化代替化学氧化，是一种高效率的单晶碳化硅抛光方式。然而，目前仍缺乏碳化硅晶片电化学机械抛光工艺的系统性研究，碳化硅电化学机械抛光的材料去除过程和表面粗糙度的影响机制也并不清晰。因此，针对单晶碳化硅电化学机械抛光工艺开展以下研究： （1）通过电化学测试方式对碳化硅电化学机械抛光的材料去除特性进行分析。结果表明，由于碳化硅电化学氧化产物SiO2拥有较高化学稳定性，抛光液中的导电介质对碳化硅电化学氧化的影响很小，其在抛光过程中主要起到维持氧化电路导通的作用。电化学作用和机械作用平衡时，碳化硅电化学机械抛光的表面粗糙度主要受到碳化硅电化学氧化的影响，电流密度增大会导致碳化硅/氧化层界面的粗糙度增大，从而使抛光后的表面粗糙度增大。 （2）通过工艺试验确定碳化硅电化学机械抛光液的主要组分，优选出SiO2作为抛光磨粒，NaCl作为抛光液导电介质；系统性研究抛光液参数（抛光磨粒浓度、导电介质浓度、抛光液pH值）和抛光工艺参数（抛光电压、抛光转速、抛光载荷）对碳化硅电化学机械抛光的作用规律。结果表明，由于抛光磨粒的硬度远低于碳化硅材料的硬度，抛光机械作用的提高不会造成碳化硅抛光表面质量的明显恶化；碳化硅电化学机械抛光材料去除率主要受到电化学氧化速率的限制，氧化速率的提高可以有效提高材料去除率。 （3）通过正交实验方法确定碳化硅电化学机械抛光的工艺流程和抛光参数。其中粗抛参数为：抛光电压6V，NaCl浓度1mol/L，磨粒浓度6wt%，抛光转速70r/min，抛光载荷3.5kg；精抛参数为：抛光电压1V，NaCl浓度0.6mol/L，磨粒浓度2wt%，抛光转速40r/min，抛光载荷3.5kg。根据优化后的抛光参数粗抛60min，精抛30min后，碳化硅晶片的表面质量明显改善，表面粗糙度Sa从75.731nm降至0.419nm。
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