利用优化后的基于CeO2的浆料对4H-SiC进行原子级表面平整化处理的研究：性能与机理分析

《Materials Science in Semiconductor Processing》：Research on the performance and mechanism of atomic-scale surface planarization of 4H-SiC utilizing optimized CeO 2-based slurry

硅 carbide（SiC）化学机械抛光（CMP）中，通过优化氧化剂（KMnO4）、磨料（CeO2）浓度及pH值（4），显著提升材料去除率至750 nm/h，并实现表面粗糙度Sq 0.07 nm的超平滑度。实验表明，适中的CeO2颗粒尺寸（234 nm）和酸性环境（HNO3调节pH）可增强氧化-机械协同作用，形成Ce-O-Si键促进氧化层剥离，同时通过XPS、zeta电位和AFM分析验证了表面化学改性和稳定性机制。

　　硅碳化物（SiC）因其出色的物理和化学性能，已成为第三代半导体材料的重要代表。它具有高临界电场、优良的热导率、高电子漂移速度以及宽禁带特性，使其在高频电子器件、高温稳定设备和高功率应用中展现出巨大潜力。然而，由于其极高的硬度（莫氏硬度达9.5）和显著的化学稳定性，传统加工方法难以有效处理SiC材料，尤其是在化学机械抛光（CMP）过程中，常常面临材料去除率低和难以实现超光滑表面的挑战。为了克服这些问题，本研究提出了一种基于CeO?的优化抛光浆料体系，通过系统分析氧化剂、研磨剂以及pH值对CMP性能的影响，进一步揭示了提高表面质量和去除率的机理。

在实验过程中，研究团队使用了多种手段对浆料进行了全面表征，包括X射线光电子能谱（XPS）、Zeta电位、粒径分布（PI）以及氧化还原电位（ORP）等。这些表征手段帮助研究者深入理解浆料的化学行为及其对SiC去除效果的影响。实验结果表明，在优化的浆料配方下，SiC的去除率达到了750纳米每小时，同时表面粗糙度（Sq）被控制在0.07纳米，这表明该浆料在提升去除效率和表面质量方面表现出色。这一成果不仅为SiC的抛光提供了重要的技术支撑，也为第三代半导体制造中高性能浆料的设计提供了新的思路。

在SiC CMP中，氧化剂的选择和浓度对去除率和表面质量具有显著影响。研究发现，KMnO?作为氧化剂，在酸性条件下表现出更强的氧化能力，从而有效促进SiC的氧化反应。相比之下，H?O?虽然具有较低的污染风险，但其氧化能力较弱，导致去除率较低。而K?S?O?虽然理论氧化还原电位较高，但其实际应用受到复杂工艺条件的限制，增加了设备成本。因此，KMnO?因其在酸性环境下的高效氧化能力和较低的加工成本，被选为本研究的氧化剂。

此外，浆料的pH值对SiC的去除率也有重要影响。实验表明，在酸性条件下，随着pH值的升高，SiC的去除率逐渐下降，而表面粗糙度则有所上升。这主要是因为KMnO?的氧化能力在酸性环境中更强，而碱性条件则不利于其有效发挥。在pH值为4时，SiC的去除率达到了最佳状态，这表明该pH值在氧化剂和研磨剂之间形成了一个良好的化学-机械平衡。为了实现这一pH值，研究团队选择了HNO?作为pH调节剂，其在SiC CMP中的表现优于其他酸性调节剂。HNO?能够有效提高浆料的稳定性，促进CeO?颗粒的均匀分散，从而提升抛光效果。相比之下，其他酸性调节剂如H?SO?、H?PO?以及有机酸C?H?O?则导致浆料稳定性下降，甚至出现颗粒聚集和沉降现象，影响了去除效率和表面质量。

研磨剂的浓度和粒径也是影响CMP性能的重要因素。研究发现，当CeO?的浓度达到2%时，SiC的去除率达到了峰值，同时表面粗糙度也得到了显著改善。这表明，适当的研磨剂浓度有助于在化学和机械作用之间形成动态平衡，从而提高抛光效率。然而，过高的研磨剂浓度会导致浆料粘稠度增加，反而限制了去除效率。此外，CeO?的粒径对去除率和表面质量同样存在显著影响。实验结果显示，粒径为234纳米的CeO?颗粒在去除率和表面质量方面均表现最佳。这一粒径既能提供足够的机械作用，又不会导致过度的表面损伤或颗粒聚集。

为了进一步优化浆料的性能，研究团队还对不同氧化剂的组合进行了测试。结果显示，KMnO?在与CeO?结合使用时，能够有效促进SiC表面的氧化反应，形成一层软化层，从而提高去除效率。同时，CeO?与氧化层之间的化学键合（如Ce-O-Si键）有助于更有效地去除材料，实现超光滑表面。相比之下，其他氧化剂如H?O?和K?S?O?在去除效率方面表现较差，这可能是由于它们的氧化能力不足以有效软化SiC表面，或者其在实际应用中存在一定的局限性。

在实验过程中，研究团队还关注了抛光后的清洁步骤，以确保抛光表面的纯净度。通过使用超声波清洗和PVA刷子处理，有效减少了表面残留颗粒，延长了刷子的使用寿命。这一清洁过程对于提高最终抛光质量至关重要，尤其是在高精度半导体制造中，表面清洁度直接影响器件的性能和可靠性。

研究还通过原子力显微镜（AFM）对抛光后的SiC表面进行了详细分析。实验发现，在优化后的浆料条件下，SiC表面的粗糙度显著降低，且在扫描区域缩小后，可以观察到清晰的原子台阶，表明抛光后的表面达到了接近原子级别的平整度。这进一步验证了优化浆料在提升SiC表面质量方面的有效性。

综上所述，本研究通过系统分析氧化剂、研磨剂和pH调节剂对SiC CMP性能的影响，成功开发了一种高效且稳定的浆料体系。该体系在酸性条件下表现出最佳的去除率和表面质量，为第三代半导体材料的精密加工提供了重要的技术支持。未来，这一研究成果有望应用于更广泛的高硬度材料处理领域，为相关技术的发展提供理论依据和实践指导。