利用磁控芬顿反应的磁流变弹性体垫对单晶SiC进行抛光处理的效果

《Journal of Environmental Chemical Engineering》：Polishing Performance of Single-Crystal SiC with a Magnetically Controll-Fenton Reaction Magnetorheological Elastomer Pad

磁流变弹性体（MRE）作为化学机械抛光（CMP）垫，结合磁控制与Fenton反应协同作用，显著提升单晶SiC抛光效率。正交实验优化参数后，C面和Si面抛光50、90分钟分别实现8.112 μm/h和1.760 μm/h材料去除率，表面粗糙度Ra 0.251 nm和0.313 nm。

　　

作者：胡达、刘可欣、薛恩奇、陈良吉、卢家斌

先进制造与自动化技术重点实验室（桂林理工大学），广西壮族自治区教育厅，中国桂林，541006

摘要

本研究利用磁流变弹性体（MRE）作为化学机械抛光（CMP）中的抛光垫，利用其可调节的芬顿反应特性来抛光单晶SiC。系统地研究了磁场控制、芬顿反应及其协同作用对材料去除的单独和综合贡献，并建立了量化其材料去除作用强度的模型。随后通过正交实验优化了抛光参数。根据这些结果，评估了MRE垫在单晶SiC的C面和Si面上的磁控芬顿反应的抛光性能。分析表明，单独施加磁场可使材料去除率（MRR）提高72.6%，而单独进行芬顿反应可使MRR提高103.5%；两者协同作用时，MRR提高了144.4%。采用正交实验优化的参数（抛光压力70 kPa、磨料粒径0.1 μm、磨料浓度0.5 wt%和旋转速度160 rpm），对单晶SiC的C面和Si面分别进行了50分钟和90分钟的磁控芬顿反应抛光。表面质量稳定后，得到的MRR分别为8.112 μm/h和1.760 μm/h，相应的表面粗糙度值分别为Ra 0.251 nm和Ra 0.313 nm。这项工作扩展了磁流变弹性体在单晶SiC精密抛光中的应用范围，对材料加工和抛光技术的发展具有积极意义。

引言

作为第三代半导体材料，单晶SiC具有优异的性能，包括宽禁带、高导热性、高击穿电场强度和高饱和电子迁移率。因此，由单晶SiC制成的器件具有高电压耐受性、高频操作能力、高温稳定性和高效散热等优点[1][2]。相应地，单晶SiC的应用范围从新能源汽车和电力系统扩展到航空航天、工业自动化等领域。其持续的技术进步和成本降低正在加速“后硅时代”的到来[3][4]。然而，由于其高硬度和强化学惰性，单晶SiC的抛光面临巨大挑战。同时实现高效材料去除和高质量表面仍然是一个重要课题。

化学机械抛光（CMP）作为半导体晶圆加工的最终步骤，被广泛认为是实现全局平面化的最有效技术之一[5]。该过程通过浆料化学软化工件表面，并结合抛光垫和磨料的机械作用进行材料去除。在单晶SiC基板的制造过程中，CMP可以分为两个阶段：粗抛光和精抛光。粗抛光阶段需要高效的化学氧化，将SiC表面快速转化为硬度低、结合力弱的软层；然后使用硬磨料或带有刚性背衬的抛光垫进行机械去除，从而降低表面粗糙度。精抛光阶段需要控制化学反应速率，以避免过度腐蚀引起的微观缺陷。同时需要使用软磨料或柔顺的抛光垫来减少机械去除力，从而减少和抑制微脆性断裂损伤的重新引入，最终获得高质量、超光滑且无损伤的SiC表面。此外，为了实现化学抛光和机械抛光的平衡，需要对CMP工艺参数和浆料成分进行精细优化。先前的研究表明，通过精心配制的抛光浆料和优化的操作参数，可以实现高MRR和优异表面质量的协同效应[6][7]。

为了调节单晶SiC抛光过程中的机械去除，常用的方法包括力流变抛光[8]、帽子抛光[9]、磁流变（MR）抛光[10]和磁流变弹性体（MRE）垫抛光[11]。Li等人[12]使用力流变抛光对6英寸4H-SiC晶圆的Si面进行了研究，发现抛光参数对抛光过程有影响。60分钟抛光后，表面粗糙度从Ra 114.8 nm降低到0.9 nm；进一步抛光2小时后，表面粗糙度降至Ra 0.5 nm，材料去除率为20.83 nm/min。Huang等人[13]使用帽子抛光处理单晶SiC，在优化参数下实现了0.0543 mm3/min的材料去除率和RMS 8.58 nm的表面粗糙度。然而，这种方法对于大尺寸SiC晶圆的高效平面化来说较为困难。Pan等人[14]采用了一种“基于面积”的簇状磁流变抛光方法，可以实现低粗糙度、低损伤的抛光效果，但对于像SiC这样的硬脆材料，抛光效率仍然较低。

为了调节单晶SiC抛光过程中的化学反应，常用的方法包括光催化反应抛光[15]、等离子辅助抛光[16]、电化学机械抛光[17]和芬顿反应抛光[18]。Shen等人[19]将电化学作用整合到剪切增稠抛光中，6 V电压下抛光30分钟后，4H-SiC的表面粗糙度从Ra 20.5 nm显著降低到Ra 1.4 nm，材料去除率达到255.5 nm/min。芬顿反应抛光依赖于过氧化氢（H?O?）和亚铁离子（Fe2?）之间的反应，生成强氧化性的羟基自由基（•OH），这些自由基是已知最强的氧化剂之一，能够有效氧化单晶SiC[20]。Xu等人[21]系统研究了不同催化剂（Fe?O?、FeSO?和FeCl?）对SiC静态腐蚀和抛光性能的影响，确定了三种催化剂的最佳浓度并阐明了单晶SiC的抛光机制。

磁流变弹性体（MRE）是一种智能可控材料，在外加磁场下表现出可调的机械性能[22]。利用这一特性，MRE已被用作工件抛光的磁控工具[23][24][25]。例如，Li等人[26]开发了一种用于单晶硅的MRE抛光垫，10分钟抛光后，表面粗糙度从初始的Ra 20 nm显著降低到Ra 0.373 nm。他们还提出了一个多参数耦合模型，以阐明MRE的剪切储能模量对单晶硅材料去除率和表面粗糙度的影响。

在我们之前的工作中，开发了一种由聚氨酯基质和CIP+Fe?O?磁颗粒组成的MRE抛光垫。在没有外加磁场的情况下，MRR为706.3 nm/h，表面粗糙度为Ra 19.92 nm；施加335 mT的磁场后，MRR提高到835.3 nm/h，表面粗糙度改善为Ra 3.62 nm[11]。对于芬顿反应抛光，有芬顿反应和无芬顿反应情况下60分钟后的MRR分别为1194.27 nm/h和636.94 nm/h，分别提高了87.5%。相应的表面粗糙度值分别为4.420 nm和12.445 nm[27]。为了进一步提高MRE垫的磁控抛光能力，随后开发了一种硅改性的聚氨酯基MRE抛光垫，在335 mT的磁场下，MRR达到了1793.78 nm/h，比无磁场条件提高了32.6%[28]。为了进一步增强芬顿反应效果，开发了具有核壳结构的磁性复合颗粒（CIP@Fe?O?）。在芬顿反应条件下使用这些颗粒，MRR达到了3295 nm/h，表面粗糙度为Ra 0.895 nm[29]。

先前的研究开发了具有新型基质材料和磁颗粒的MRE抛光垫，并确定了其优化制备参数。本研究进一步研究了MRE垫在磁控和芬顿反应联合条件下的抛光性能。因此，本研究探讨了MRE垫在单晶SiC上的磁控芬顿反应抛光过程中各种因素的影响，并建立了材料去除作用强度的模型。此外，通过正交实验研究了磁控芬顿反应抛光过程中的抛光压力、旋转速度、磨料浓度和磨料粒径等工艺参数。根据材料去除率和表面粗糙度的评估指标，对抛光工艺进行了优化，旨在推进MRE作为智能可控材料在单晶SiC抛光中的应用。

MRE抛光垫的制备

MRE抛光垫由颗粒相和基质相组成。颗粒相由CIP@Fe?O?磁颗粒构成，基质相为硅改性的聚氨酯材料。CIP@Fe?O?磁颗粒通过共沉淀法制备，原材料包括：CIP（平均粒径5 μm）、氢氧化钠（NaOH，95%）、七水合硫酸亚铁（FeSO?·7H?O）和六水合氯化铁（FeCl?·6H?O，99%）。

磁控芬顿反应抛光中的材料去除作用强度分析

为了量化磁场控制、芬顿反应及其相互作用对整体SiC材料去除的独立和协同贡献，根据表1中的协议进行了抛光实验。各实验组（S1–S8）的MRR和表面粗糙度Ra结果分别显示在图3和图4中。需要注意的是，抛光结果是在外加磁场、H?O?浓度和特定条件下获得的。

具有磁控芬顿反应的MRE垫的抛光性能

在单晶SiC的精密抛光中，主要目标是实现晶圆平面化、有效减少表面/亚表面损伤、降低表面粗糙度并获得高质量表面。对于使用MRE垫的磁控芬顿反应抛光，必须根据加工阶段调整工艺控制，包括确定在磁场控制下何时达到稳定的表面质量以及评估其是否满足要求。

结论

本研究利用MRE垫结合磁控芬顿反应对单晶SiC进行了抛光研究，探讨了磁控机械作用、芬顿反应化学作用及其对单晶SiC的影响。通过正交实验系统优化了抛光工艺参数。随后，评估了具有磁控功能的MRE垫的抛光性能。

CRediT作者贡献声明

陈良吉：撰写 – 审稿与编辑、方法学。 卢家斌：撰写 – 审稿与编辑、方法学、研究、资金获取。 刘可欣：撰写 – 原稿撰写、软件开发、研究、数据分析。 薛恩奇：撰写 – 审稿与编辑、软件开发。 胡达：撰写 – 原稿撰写、软件开发、方法学、研究、资金获取、数据分析、数据整理。

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

本研究部分得到了国家自然科学基金（项目编号52475434）、广东省自然科学基金（项目编号2023A1515010923）以及桂林理工大学科研启动基金（项目编号RD2500002450）的支持。