使用分层双模SiO2磨料粒径分布对8英寸4H-SiC（0001）衬底进行改进的化学机械抛光，以实现更有效的材料去除和损伤抑制

《Journal of Materials Science & Technology》：Enhanced chemical mechanical polishing of 8-inch 4H-SiC (0001) substrates using a hierarchical bimodal SiO2 abrasive size distribution for improved material removal and damage suppression

　　

杨勇|刘芳媛|陈秀芳|胡秀飞|吴东月|常大鹏|李青宇|牛双|杨向龙|谢学健|徐向刚

山东大学新型半导体研究所，济南 250100，中国

摘要

化学机械抛光（CMP）是实现碳化硅（SiC）晶圆纳米级平整度和原子级光滑度的主要技术，但在不加剧表面损伤的情况下提高材料去除效率仍然具有挑战性，尤其是对于8英寸的Si面衬底。在这项研究中，评估了一种分层的双模SiO₂磨料系统，该系统具有两个主要的粒子尺寸，分别为约20纳米和约90纳米，用于在工业兼容条件下对8英寸4H-SiC（0001）晶圆进行CMP处理，并以单模约80纳米SiO₂浆料作为参考。与单模浆料相比，分层双模系统将全周期平均材料去除率提高了21%，并将抛光结束时的累积划痕长度减少了72%，同时产生了原子级光滑的表面（Ra?=?0.054 ± 0.002 nm）以及略微更薄的近表面无序层。这些比较结果表明，分层的磨料粒径结构可以通过在长时间CMP过程中促进更有利的界面接触条件来改善吞吐量与表面完整性之间的平衡。研究结果突显了磨料粒径结构作为常规条件下大直径SiC CMP的关键设计变量。

引言

碳化硅（SiC）是一种代表性的宽禁带半导体，因其较大的带隙、高导热性、高的击穿电场强度和优异的化学稳定性而被广泛应用于先进的电力和光电子领域[[1], [2], [3]]。这些特性使得SiC能够在高功率密度、高频开关和高温度条件下可靠运行，相比传统的硅基技术具有明显优势[2,4]。在各种多型SiC中，4H-SiC因其良好的电子性能而成为电力电子领域最重要的商业材料[5]。

SiC器件的工业化应用需要原子级光滑且损伤低的晶圆表面，但由于4H-SIc的高硬度和化学惰性，高效的平整化变得困难且成本较高[6,7]。典型的晶圆制备过程包括线切割、研磨和机械抛光，其中化学机械抛光（CMP）是实现亚纳米级粗糙度并逐步去除先前处理过程中引入的深层损伤的最终步骤[8,9]。CMP依赖于机械磨损和控制化学反应的协同作用[7,10]。对于SiC CMP而言，晶体各向异性进一步复杂化了工艺优化：Si面（对于外延生长至关重要）通常表现出比C面更低的材料去除率（MRR），因为氧化行为受到抑制[11]。例如，在基于KMnO₄的系统中，C面上的瞬态氧化层厚度（约8.71纳米）明显大于Si面上的氧化层厚度（约3.50纳米）[12]，这表明高效的Si面CMP仍然是一个关键瓶颈[3]。

最近的研究探索了改进的SiC抛光方法，包括光辅助、电化学/Fenton基、激光辅助和工程化浆料系统[[13], [14], [15], [16], [17], [18]]。尽管这些方法可以提高抛光效率，但它们的实际应用可能会增加工艺复杂性、需要专用设备或外部场与浆料化学性质的紧密耦合[9,[15], [16], [17], [18]]。因此，在现有CMP基础设施内提高抛光性能对于大规模生产8英寸Si面晶圆仍然具有吸引力。

CMP的性能在很大程度上取决于浆料的配方，特别是磨料成分[[19], [20], [21]]。对于SiC CMP，金刚石、Al₂O₃和CeO₂等磨料可以提高去除效率，但往往受到划痕、分散不稳定性和CMP后清洗挑战的限制[[22], [23], [24], [25], [26], [27]]。因此，胶体SiO₂仍然是SiC CMP中主要的工业磨料，因为它具有优异的分散稳定性和表面完整性以及可接受的化学反应性[28]。这使得胶体SiO₂特别适合于在不根本改变工业工具配置的情况下优化CMP性能的研究。然而，传统的单模SiO₂浆料面临粒径与性能的权衡：较大的颗粒可以提高MRR，但往往会降低表面质量；而较小的颗粒则可以在牺牲去除效率的情况下改善表面光洁度[29,30]。也探讨了复合和功能性磨料系统[21,26,27]；然而，对于8英寸Si面4H-SiC CMP而言，一个关键的工业瓶颈是在不加剧划痕或近表面损伤的情况下提高吞吐量。

在这项工作中，我们使用分层双模SiO₂磨料系统对8英寸4H-SiC（0001）晶圆进行了CMP处理，以检验磨料粒径结构是否能在工业兼容条件下改善吞吐量与表面完整性之间的平衡。该系统被称为分层双模，因为测得的基于数量的分布主要由两个主要尺寸的粒子群体（约20纳米和约90纳米）组成，还包含少量的中间尺寸粒子（40–70纳米，占比约10%）。所选配方用于作为比较设计，以评估这两个主要尺寸的粒子群体在当前条件下是否能够提供互补的抛光功能，而不是作为普遍优化的粒径比。分层双模浆料与平均粒径约为80纳米的传统单模SiO₂浆料进行了系统比较。抛光性能从间隔和全周期材料去除行为、表面粗糙度、晶圆级划痕指标以及近表面结构质量等方面进行了评估。本研究探讨了磨料粒径结构如何影响大直径SiCCMP过程中材料去除效率与表面完整性之间的平衡。

章节摘录

材料

使用了12块直径为200毫米、厚度为520微米的n型4H-SiC晶圆。所有抛光实验都在Si面（0001）上进行，抛光角度为4°离轴。研究了两种SiO₂磨料系统：（i）一种分层双模浆料，其粒子数量分布分别为约60%的小粒子（约20纳米）、10%的中间尺寸粒子（40–70纳米）和30%的大粒子（约90纳米）；（ii）一种平均粒径约为80纳米的单模浆料。

SiO₂磨料的表征

图1(B)显示，两种磨料样品都显示出以约2θ?=?22.7°为中心的宽衍射晕，这是非晶硅的特征，表明它们具有短程结构有序性[31]。尽管分层双模样品的绝对散射强度较高，但整体衍射轮廓相似，说明这两种磨料均为非晶态。FT-IR光谱（图1(E)进一步证实了两种样品典型的硅氧烷框架和表面羟基/水特征。

结论

在这项研究中，评估了分层双模SiO₂磨料系统在工业兼容条件下对8英寸4H-SiC（0001）晶圆的CMP效果。相对于单模SiO₂参考浆料，分层双模浆料在12小时抛光后实现了21%更高的材料去除率，累积划痕长度减少了72%，并且表面达到了原子级光滑度（Ra?=?0.054 nm）。局部微观结构观察也表明近表面结构质量有所改善。

CRediT作者贡献声明

杨勇：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，可视化，验证，正式分析，数据管理。刘芳媛：可视化，数据管理。陈秀芳：监督，资源协调，项目管理，方法论，资金获取。胡秀飞：研究实施，概念构建。吴东月：数据管理。常大鹏：数据管理。李青宇：数据管理。牛双：数据管理。杨向龙：监督，资源协调。谢学健：监督，资源协调。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了中国山东省关键研发计划（编号2025ZLGX02）和中国国家自然科学基金（编号U23A20569）的支持。