基于混合磨料的SiC晶体基片(0001)C面化学机械抛光液设计

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sic单晶液相等离子体机械抛光机理研究

sic单晶液相等离子体机械抛光机理研究标题：sic单晶液相等离子体机械抛光机理研究引言：sic单晶是一种重要的半导体材料，具有优异的电学、热学和力学性能，被广泛应用于高功率电子器件和传感器等领域。

然而，由于其特殊的晶体结构和高硬度，传统的机械抛光方法往往难以获得高质量的表面。

近年来，液相等离子体机械抛光（Liquid Phase Plasma Mechanical Polishing，LPMP）技术作为一种新型抛光方法，被广泛研究和应用。

本文将对sic单晶液相等离子体机械抛光机理进行深入探讨。

一、sic单晶的特性和机械抛光问题sic单晶具有高硬度、高熔点和低化学反应性等特性，这使得传统的机械抛光方法难以实现理想的表面质量。

由于其晶面易于产生微观起伏和缺陷，常规机械抛光方法容易引入划痕、裂纹和表面粗糙度不均等问题。

二、液相等离子体机械抛光原理液相等离子体机械抛光是一种在液体中通过等离子体激发和机械磨削相结合的表面加工技术。

其基本原理是在液体中通过等离子体激发产生的化学反应和机械磨削作用共同作用于材料表面，以实现高效、精细的抛光效果。

三、液相等离子体机械抛光的工作机制液相等离子体机械抛光过程中，液体中的等离子体激发剂通过化学反应和物理吸附等作用在材料表面形成活性离子。

这些活性离子能够与材料表面发生反应，溶解或脱除表面的硬度颗粒和微观缺陷。

同时，机械磨削作用通过磨料和材料表面的相互作用，进一步去除表面的不均匀性和缺陷。

四、液相等离子体机械抛光的关键参数液相等离子体机械抛光过程中，液体成分、等离子体激发剂、磨料粒径和磨削力等参数对抛光效果具有重要影响。

合理选择液体成分和激发剂，能够有效调控化学反应的速率和活性离子的生成量，从而实现表面的均匀抛光。

同时，选择适当的磨料粒径和磨削力，能够控制磨削过程中的材料移除速率和表面质量。

五、液相等离子体机械抛光的优势和应用前景液相等离子体机械抛光具有高效、精细和可控的特点，能够在较短的时间内获得高质量的表面。

SiC(001)表面重构与多型体的第一性原理研究的开题报告

SiC(001)表面重构与多型体的第一性原理研究的开题报告
题目：SiC(001)表面重构与多型体的第一性原理研究
研究背景和意义：
SiC作为一种半导体材料，具有优异的性能，如高温、高压和高电子迁移率等，
在电子器件和能源器件领域具有广泛应用。

而SiC晶体结构多样，其中SiC的多形体包括beta-SiC、alpha-SiC和3C-SiC，而SiC表面结构的变化则在研究SiC的表面功能化、催化及传感等领域具有重要的应用价值。

因此，本研究将采用第一性原理计算方法，研究SiC(001)表面的重构及其对多形体的影响，旨在深入挖掘SiC的表面结构对材料性能和应用的作用机制，为SiC相关器件的设计和制备提供科学依据。

研究内容和方法：
1.采用第一性原理计算方法，研究SiC(001)表面的不同重构模型和多形体的结构参数和电子性质的变化。

2.结合实验结果，分析不同表面重构和多形体的成因和影响机制。

3.基于得到的结果，探讨表面重构和多形体对SiC功能材料的应用潜力。

研究计划：
第一年：研究SiC(001)表面的重构模型及其对多形体的影响，完成计算程序的开发和验证，并撰写论文。

第二年：深入探索不同表面重构的成因和影响机制，对计算结果与实验数据进行对比分析，撰写研究报告。

第三年：探究表面重构和多形体对SiC功能材料的应用潜力，撰写完整的研究成果报告，并进行论文投稿。

预期成果和贡献：
本研究将系统性地研究SiC(001)表面的重构现象和多形体的形成机制，揭示SiC
表面结构对材料性能和应用的作用机制，为SiC相关器件的设计和制备提供科学依据，有望在半导体材料领域具有重要的应用价值。

化学机械抛光液配方组成,抛光液成分分析及技术工艺

化学机械抛光液配方组成，抛光原理及工艺导读：本文详细介绍了化学机械抛光液的研究背景，机理，技术，配方等，需要注意的是，本文中所列出配方表数据经过修改，如需要更详细的内容，请与我们的技术工程师联系。

禾川化学专业从事化学机械抛光液成分分析，配方还原，研发外包服务，提供一站式化学机械抛光液配方技术解决方案。

1.背景基于全球经济的快速发展，IC技术（Integrated circuit, 即集成电路）已经渗透到国防建设和国民经济发展的各个领域，成为世界第一大产业。

IC 所用的材料主要是硅和砷化镓等,全球90%以上IC 都采用硅片。

随着半导体工业的飞速发展，一方面，为了增大芯片产量，降低单元制造成本，要求硅片的直径不断增大；另一方面，为了提高IC 的集成度，要求硅片的刻线宽度越来越细。

半导体硅片抛光工艺是衔接材料与器件制备的边沿工艺，它极大地影响着材料和器件的成品率，并肩负消除前加工表面损伤沾污以及控制诱生二次缺陷和杂质的双重任务。

在特定的抛光设备条件下，硅片抛光效果取决于抛光剂及其抛光工艺技术。

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样品分析检测流程：样品确认—物理表征前处理—大型仪器分析—工程师解谱—分析结果验证—后续技术服务。

有任何配方技术难题，可即刻联系禾川化学技术团队，我们将为企业提供一站式配方技术解决方案！2.硅片抛光技术的研究进展20世纪60年代中期前，半导体抛光还大都沿用机械抛光，如氧化镁、氧化锆、氧化铬等方法，得到的镜面表面损伤极其严重。

1965年Walsh和Herzog 提出SiO2溶胶-凝胶抛光后，以氢氧化钠为介质的碱性二氧化硅抛光技术就逐渐代替旧方法，国内外以二氧化硅溶胶为基础研究开发了品种繁多的抛光材料。

石墨表面化学气相沉积SiC及C涂层的制备

的晶体成分。
2
2． 1
试验结果及分析
沉积温度的影响温度是 CVD 法制备 C 涂层及 SiC 涂层工艺中最重要的参数，它对涂层的沉积速率、显微组织、晶体结
［79 ］
构有很大影响
。当沉积温度较低时，热解与沉积
作用进行得十分缓慢，只有当沉积温度超过一定值时。涂层生沉积才能迅速发生一般来讲沉积温度升高，长和致密化速率加快，因此在 1400 ℃ 时沉积的涂层表面质量要明显好于 1300 ℃ 时沉积的涂层。但沉积温度过高，则因致密化速率偏快，一些较大孔隙还未完全致密，其外侧区域已开始沉积热解碳，从而对其内侧残留孔隙的进一步填充起到堵塞作用。 1300 和 1400 ℃ 时，图 1 是沉积温度分别为 1200 、丙烷流量 100 L / h，石墨基体及 C 涂层的横截面 SEM
SiC 涂层。采用 X 射线衍摘要：以 C3 H8 和 CH3 SiCl3 （ MTS）为先驱体原料，用化学气相沉积法在石墨基体表面分别制备了 C 涂层、射仪和扫描电镜分析了两种涂层的成分和表面微观形貌，研究了温度和气体流量对涂层微观形貌的影响。结果表明，当 C3 H8 + N2 流量为 140 L / h，沉积温度为 1300 ℃ 时，石墨基体表面可获得致密度较高的 C 涂层，而且涂层比较平整、均匀，而流量为 160 L / h 时 1300 ℃ 时生长的 SiC 晶涂层比较粗糙。当 MTS + H2 流量为 60 L / h、沉积温度 1100 ℃ 时在石墨基体表面可以形成致密的 SiC 涂层， H2 气体流量增大可使 SiC 涂层晶粒尺寸增大，体形貌发生改变，涂层厚度增加，表面有较多圆形凸起。当 MTS但大流量易产生涂层剥落。采用 C 和 SiC 共沉积涂层作过渡层，涂层与石墨基体界面结合增强； SiC 涂层与石墨基体之间存在厚度较大的过渡区域，过渡区域平均厚度约 2 μm。关键词：化学气相沉积（ CVD）；石墨基体； C 涂层； SiC 涂层；显微组织中图分类号： TB303 文献标志码： A 007905 文章编号： 0254-6051 （ 2011 ） 07-

基于金属电化学腐蚀的单晶SiC表面腐蚀和磨损性能研究

第51 卷第 4 期2024年4 月Vol.51，No.4Apr. 2024湖南大学学报（自然科学版）Journal of Hunan University（Natural Sciences）基于金属电化学腐蚀的单晶SiC表面腐蚀和磨损性能研究胡达1，2，路家斌1，2†，阎秋生1，2，骆应荣1，2，雒梓源1，2（1.广东工业大学机电工程学院，广东广州 510006；2.高性能工具全国重点实验室，广东广州 510006）摘要：针对化学机械抛光中抛光液的环境污染，提出一种基于金属电化学腐蚀的单晶SiC化学机械抛光方法. 通过腐蚀实验和摩擦磨损实验，研究了电化学腐蚀单晶SiC的Si面腐蚀性能和磨损性能. 通过对比Al、Cu、Fe金属在Na2SO4电解质溶液中对Si面的腐蚀性能，发现Al在Si面产生明显的腐蚀层，EDS和XPS检测证实该腐蚀产物为SiO2. 采用摩擦磨损实验研究溶液组分对SiC的Si面磨损影响规律. 结果表明，提高Na2SO4电解质溶液浓度能获得更大的磨损量，当Na2SO4电解质溶液浓度为1.00 mol/L时，得到最大为7.19 µm2的磨损量；在酸性的金属电化学腐蚀溶液中，Si面具有更好的材料去除性能，在pH=3时磨损量达到11.97 µm2. 单晶SiC的金属电化学腐蚀材料去除机制为阴极的Al金属发生电偶腐蚀反应产生腐蚀电流，促使阳极SiC表面氧化生成SiO2氧化层，进而去除材料.关键词：化学机械抛光；单晶SiC；金属电化学腐蚀；腐蚀性能；磨损性能中图分类号：TH161 文献标志码：AStudy on Surface Corrosion and Wear Performance of Single-crystal SiCBased on Metal Electrochemical CorrosionHU Da1，2，LU Jiabin1，2†，YAN Qiusheng1，2，LUO Yingrong1，2，LUO Ziyuan1，2（1.School of Electromechanical Engineering， Guangdong University of Technology， Guangzhou 510006，China；2.State Key Laboratory for High-Performance Tools， Guangzhou 510006，China）Abstract：Aiming at the environmental pollution of the polishing solution in chemical mechanical polishing， a single-crystal SiC chemical mechanical polishing method based on metal electrochemical corrosion is proposed. The Si surface of single-crystal SiC corrosion performance and wear performance of electrochemically corroded were investigated by corrosion experiments and wear experiments. By comparing the corrosion performance of Al， Cu， and Fe metals on the Si face in a Na2SO4electrolyte solution，it was found that only Al can generate a noticeable corrosion layer. The EDS and XPS analyses of the Si face confirmed that the corrosion is due to the formation of the∗收稿日期：2023-10-27基金项目：国家自然科学基金资助项目（52175385），National Natural Science Foundation of China（52175385）；广东省自然科学基金资助项目（2023A1515010923），Natural Science Foundation of Guangdong Province（2023A1515010923）；攀登计划广东大学生科技创新战略专项（pdjh2023a0157）， Special Fund Project for Science and Technology Innovation Strategy in Guangdong Province（pdjh2023a0157）作者简介：胡达（1996—），男，广西贺州人，广东工业大学博士研究生† 通信联系人，Email：*****************.cn文章编号：1674-2974（2024）04-0123-09DOI：10.16339/ki.hdxbzkb.2024178湖南大学学报（自然科学版）2024 年SiO2layer. Frictional wear experiments were conducted to investigate the influence of solution composition on the wear behavior of Si face. Increasing the concentration of the Na2SO4 electrolyte solution resulted in higher wear， with a maximum wear value of 7.19 µm2obtained in 1.00 mol/L Na2SO4electrolyte solution. In an acidic corrosive solution， the Si face exhibited the highest material removal， with a wear value of 11.97 µm2 achieved at pH=3. The material removal mechanism of single-crystal SiC via metal electrochemical corrosion involved the corrosive reaction involving Al at the cathode， which generated a corrosion current， and the subsequent oxidation of the SiC surface at the anode， thereby forming a SiO2 oxide layer leading to material removal.Key words：chemical mechanical polishing；single-crystal SiC；metal electrochemical corrosion；corrosion performance；wear performance单晶SiC作为第三代半导体材料，具有禁带宽度大、电子迁移率高、电子密度高、临界击穿电场高等优异的物理性能，被认为是未来电子电力领域革命性的材料［1-3］. 利用单晶SiC制作的高功率半导体器件被广泛应用在卫星通信、航空航天、核能开发、轨道交通、光伏发电、电动汽车等电子器件领域［4-5］. SiC材料应用于电子器件制备和外延膜生长需要无损伤、无缺陷的超光滑表面，但是由于其高硬度、高脆性的物理性质和稳定的化学性质，其加工变得非常困难［6］.化学机械抛光（Chemical Mechanical Polishing，CMP）被认为是实现高硬脆半导体材料全局平坦化最有效的加工技术之一［7］. 在CMP过程中，抛光液和工件表面发生化学反应产生氧化层，然后通过抛光垫和磨料的机械作用对氧化层发生材料去除.要提高SiC的材料去除率，关键在于提高SiC表面的化学反应速率. 目前常用的HF、H2SO4、H2O2、KMnO4等强酸或强碱溶液抛光效率低，且腐蚀性的抛光液对设备及环境会造成伤害［8-9］. 因此，开发高效环保的CMP方法，使用对环境友好的抛光液受到越来越多关注［10］.碱性抛光液中的OH-能与SiC表面的Si原子发生硅氧化水反应，Chen等［11］采用碱性KOH溶液对Si 面抛光，抛光后材料去除率达到153 nm/h. Chen等［12］使用强酸性的KMnO4溶液作为CMP抛光液抛光SiC 的C面，抛光后的表面粗糙度R a为0.54 nm，材料去除率（Material Removal Rate， MRR）为6412 nm/h. Lu 等［13］采用强氧化剂H2O2溶液和FeSO4溶液产生芬顿反应来抛光单晶SiC，发现产生高浓度的•OH可以获得很高的MRR和表面粗糙度R a为0.186 9 nm的光滑晶片表面，但由于反应剧烈，易出现大量铁污泥，影响反应的持续性；采用Fe3O4固相颗粒作为催化剂可以获得较好的持续性抛光效果［14］. Isohashi等［15］使用金属Pt催化剂辅助刻蚀6H-SiC，获得了表面粗糙度R a 为0.082 nm的超光滑表面，但其抛光效率仅为13.4 nm/h，且常用的HF溶液对环境具有严重的危害. 将阳极氧化和CMP结合的电化学机械抛光，可以使SiC发生阳极氧化反应，提高材料去除能力［16］. Khanna 等［17］利用电化学机械抛光SiC，通电后将H3PO4溶液和去离子水作为电解液进行对比抛光，实验结果表明，使用去离子水作为电解液时MRR仅为23 nm/h，使用H3PO4溶液作为电解液时MRR为840 nm/h.有学者利用金属催化作用提出了金属盘抛光SiC. Lin等［18］提出了铁盘在水中抛光SiC的氧化反应机理，在水的氧化作用下，SiC可以生成SiO2氧化物，抛光后，表面粗糙度R a为3.507 nm，但抛光效率MRR 仅为60 nm/h. Wu等［19］利用铁盘、镍盘对SiC进行摩擦化学抛光，抛光过程中没有添加抛光液，依靠摩擦热在摩擦界面处反应形成金属硅化物和氧化物，可以实现MRR为8.9 µm/min的高效材料去除，但是无抛光液的干摩擦形成的高温、高压容易使SiC表面发生位错、晶格畸变等缺陷. 上述研究说明，金属抛光盘在一定条件下可以直接和SiC表面发生反应，且不需要添加具有强腐蚀性的化学抛光液.Luo等［20］研究表明，金属Al在Na2SO4溶液中可以与SiC的C面发生金属电化学腐蚀反应，采用Al金属盘抛光后的MRR达到1 011.43 nm/h. 为了进一步确定SiC的Si面能否发生金属电化学腐蚀，本文研究124第 4 期胡达等：基于金属电化学腐蚀的单晶SiC表面腐蚀和磨损性能研究了不同金属（Al、Cu、Fe）在Na2SO4电解质溶液中对Si面的腐蚀性能. 在此基础上，通过摩擦磨损实验研究Na2SO4电解质溶液浓度、pH值对Si面的材料磨损性能，为单晶SiC金属电化学腐蚀抛光应用提供依据.1 实验设计1.1 金属电化学腐蚀实验为了验证单晶SiC的Si面是否能与金属发生电化学腐蚀反应，选用Al、Cu、Fe的金属板（成分如表1所示）与Si面进行静态腐蚀实验（如图1所示）. 使用砂纸打磨金属板表面去除氧化层，超声清洗后用高压空气吹干，用不导电的塑料夹具将金属板和单晶SiC的Si面固定接触.为对比腐蚀效果，金属板只与Si面部分接触，然后放入pH=7，质量分数为1%的Na2SO4电解质溶液中浸泡1 h.腐蚀结束后，用去离子水冲洗单晶SiC的Si面，用低压氮气对Si面进行干燥后检测. 使用扫描电子显微镜（HITACHI-S3400N，日本）观察实验前、后Si 面形貌，利用能谱仪（EDS，Bruker-QUANTAX，德国）对Si面进行元素分析，采用X射线光电子能谱仪（XPS，Thermo Fisher-Escalab 250Xi，美国）分析腐蚀前、后Si面的化合物.1.2 摩擦磨损实验Luo等［20］研究表明，金属电化学腐蚀中溶液参数对单晶SiC的C面有不同的腐蚀效果. 因此，采用摩擦磨损实验研究Na2SO4电解质溶液浓度、pH值对单晶SiC的Si面磨损性能的影响.实验在摩擦磨损仪（兰州中科凯华科技开发有限公司WTM-2E，中国）上进行，摩擦磨损实验装置如图2所示，摩擦磨损实验参数如表2所示. 摩擦磨损实验中使用的金属Al（根据2.1节的实验结果确定）对磨球直径为5 mm；单晶4H-SiC（Si面）选用n型，尺寸为10 mm × 10 mm，原始表面粗糙度R a为2 nm. 实验前使用酒精、去离子水清洗SiC和对磨球，去除表面杂质，然后将SiC晶片贴在工件盘上，使用夹具将对磨球固定在摩擦磨损仪上，采用表2中的参数进行实验. 使用白光干涉仪（BRUKER Contour GT-X，德国）检测SiC表面磨痕形貌，并取SiC表面磨痕圆周上8个均布位置的磨痕横截面积通过Snipaste、Origin软件计算作为最终的磨痕横截面积，以此评价磨损率.图1 Si面与金属接触腐蚀示意图Fig.1 Schematic diagram of contact corrosionof Si face with metal表1 金属板成分Tab.1 Composition of metal plates%金属板Al Cu Few Al95.474―0.05w Cu0.26099.600 00.02w Fe0.4000.000 899.16w Mg1.160―0.02w Si0.6600.000 40.03w Zn1.6000.000 90.02w Ti0.0160.000 9―w Cr0.010―0.03w Mn0.420―0.06图2 摩擦磨损实验装置Fig.2 Setup for frictional wear experiments表2 摩擦磨损实验参数Tab.2 Parameters of frictional wear experiments磨损实验实验 1实验 2Na2SO4浓度/（mol∙L-1）0、 0.75、1.00、1.25、1.501pH73、5、7、9其他参数转速： 150 r/min压力： 6 N时间： 60 min磨损球： Al125湖南大学学报（自然科学版）2024 年2 实验结果与讨论2.1 金属对SiC 表面腐蚀性能的影响不同金属板在Na 2SO 4溶液中对单晶SiC 表面腐蚀前、后的SEM 形貌及EDS 元素如图3所示.由图3（a ）可知，腐蚀前SiC 表面存在部分划痕.由图3（b ）可知，腐蚀前SiC 表面仅存在Si 、C 元素.从图3（c ）可以看出，与Al 金属板接触的Si 面区域出现了明显的腐蚀龟裂层，而在非接触区没有出现腐蚀层. 对比腐蚀前的Si 面［图3（a ）］、非腐蚀区域（位置1，即没有与金属板接触的Si 面区域）、腐蚀层区域（位置2，与金属板接触的Si 面区域）的EDS 元素分析［见图3（f ）］发现，非接触区域位置1主要为C 、Si 元素，出现了极少的O 、Al 元素；而接触区域的腐蚀层位置2出现了大量的O 元素（20.79%），Si 元素原子分数下降到76.72%，几乎没有发现C 元素，但出现了2.49%的Al 元素.以上结果表明，直接与Al 接触的Si 面可以发生金属电化学腐蚀，生成氧化层.由图3（d ）可知，Si 面出现了深色斑点状分布，斑点均匀分布在Si 面与Cu 接触区域，似乎出现了轻微的氧化层. 但是，图3（g ）的EDS 元素分析表明，斑点区域的元素原子分数与原始Si 面的几乎一致，腐蚀前、后的O 元素原子分数分别为0.77%和0.35%，这说明SiC 的Si 面没有出现明显的氧化物.以上结果（a ）腐蚀前SiC 表面形貌（b ）腐蚀前SiC 表面元素（c ）Al 板对SiC 表面腐蚀后形貌（d ）Cu 板对SiC 表面腐蚀后形貌（e ）Fe 板对SiC 表面腐蚀后形貌（f ）Al 板对SiC 表面腐蚀前、后元素（g ）Cu 板对SiC 表面腐蚀前、后元素（h ）Fe 板对SiC 表面腐蚀前、后元素图3 不同金属板在Na 2SO 4溶液中对单晶SiC 表面腐蚀前、后的SEM 形貌及EDS 元素Fig.3 SEM morphology and EDS elements before and after corrosion of single-crystal SiC surface by different metalplates in Na 2SO 4 solution126第 4 期胡达等：基于金属电化学腐蚀的单晶SiC表面腐蚀和磨损性能研究表明，Cu在Na2SO4溶液的作用下，没有使Si面出现明显的氧化痕迹，O元素原子分数没有明显提高，说明Cu在Na2SO4溶液中对Si面的金属电化学腐蚀很弱.由图3（e）可知，Si面与原始表面相比没有明显变化，在表面可以看到原始表面的划痕.由图3（h）可知，实验前、后Si面的C、O、Fe、Si原子分数变化非常小，可以认为各元素变化量为EDS仪器的检测误差，说明实验过程Si面没有发生氧化反应.以上结果表明，Fe在Na2SO4溶液中对Si面的金属电化学腐蚀很弱或者没有.由图3可知，只有与Al接触的单晶SiC的Si面在Na2SO4溶液中有明显的金属电化学腐蚀效果.这与单晶SiC的C面的结果明显不同，在Al、Cu、Fe分别与C面接触时，C面均出现了氧化层，但与Al接触时氧化层最为明显和最厚［20］. 这体现了单晶SiC的Si面和C面的腐蚀特性和加工特性有明显差异.采用XPS对与Al接触的Si面的氧化产物进行分析，图4为Al在Na2SO4溶液中对Si面腐蚀的XPS全谱图，图5为Al在Na2SO4溶液中对Si面腐蚀前、后的XPS的Si、O、C、Al元素谱图. 从图4可以看出，氧化后的Si面O1 s的相对强度从0.9×105 Counts/s提高到2.3×105Counts/s，Si2 p从1.1×105Counts/s降低到0.84×105 Counts/s，同时出现了少量的Al2 p. XPS结果与EDS结果［图3（f）］一致，均表明腐蚀后Si面的O元素原子分数出现了大幅度的增加.由图5（a）、（b）可知，氧化前Si面结合能峰值出现在100.8 eV［图5（a）］，对应化学形态为Si―C；氧化后Si面氧化区域的结合能峰值分别为100.6 eV、101.2 eV和101.9 eV［图5（b）］，分别对应Si―C、Si―O 和SiO x. 这说明，Al与Si面的金属电化学腐蚀产生了明显的硅氧化合物.由图5（c）可知，氧化前Si面结合能峰值为532.1 eV，对应的化学形态为SiO2［21］，这可能是由于样品静置在空气中时发生了缓慢的氧化.氧化后Si面结合能峰值为531.35 eV和532.1 eV［图5（d）］，对应Al（OH）3和SiO2，其中，SiO2从20×103Counts/s提高到35×103 Counts/s，而SiO2相对强度远高于Al（OH）3，说明Al（OH）3相对于SiO2氧化物而言较少. 这些表明，在Na2SO4溶液中Al和SiC均发生了氧化反应.由图5（e）可以看出，氧化前Si面结合能峰值出现在283.0 eV、284.8 eV、285.4 eV和288.2 eV，其中结合能284.8 eV对应C―C键为XPS检测过程中添加的成分，用于校准谱图的结合能位置；结合能283.0 eV对应Si―C，结合能285.4 eV、288.2 eV均对应有机碳氧键.由图5（f）可知，氧化后结合能峰值分别为282.9 eV、284.8 eV、286.7 eV和288.7 eV，其中结合能282.9 eV对应Si—C，而结合能286.7 eV和288.7 eV均对应有机碳氧键. 以上结果表明，氧化后Si面并没有出现碳氧化合物.由图5（g）可知，氧化后Si面在74.4 eV和74.9 eV位置出现峰值，均对应Al2O3，说明在实验过程中Al 和SiC表面接触，产生Al2O3附着在SiC表面.上述结果表明，在Na2SO4溶液中Al和单晶SiC 的Si面可以发生金属电化学腐蚀. 主要过程为SiC 表面氧化生成了SiO2，同时Al产生的Al2O3黏附到SiC表面，整个反应过程生成了SiO x、Si―O、SiO2、Al2O3等氧化产物.2.2 溶液参数对单晶SiC的 Si面磨损性能的影响2.1节结果表明，只有金属Al对单晶SiC的Si面有明显的腐蚀效果，因此，选择Al作为金属电化学腐蚀中的金属材料，进一步通过摩擦磨损实验研究溶液中的Na2SO4电解质浓度、pH值对Si面的磨损性能的影响，具体的实验方案见1.2节.（a）腐蚀前SiC的Si面XPS全谱图（b）腐蚀后SiC的Si面XPS全谱图图4 Al在Na2SO4溶液中对Si面腐蚀的XPS全谱图Fig.4 XPS full spectrum of the Si face corrosion by Al in theNa2SO4 solution127湖南大学学报（自然科学版）2024 年2.2.1 Na 2SO 4浓度的影响Na 2SO 4浓度对Si 面的磨损效果的影响如图6所示.由图6可知，各Na 2SO 4浓度下的磨痕较宽，深度较浅，各磨痕深度均在200 nm 以下.当Na 2SO 4浓度为0 mol/L（溶液为去离子水）时，Si 面各划痕不集中，磨痕宽度约为300 µm ，横截面积约为3.03 µm 2. 当Na 2SO 4浓度为0.75 mol/L 时，磨痕区域宽度约为200 µm ，深度约为100 nm ，磨痕整体呈波浪状，横截面积为4.94 µm 2，比0 mol/L 时提高了63%. 当Na 2SO 4浓度为1.00 mol/L 时，磨损量最高，横截面积达到7.19 µm 2，比0 mol/L 时提高了137.3%，此时磨痕集中分布，磨痕呈V 形结构，宽度约为280 µm ，深度达到了200 nm. 当Na 2SO 4浓度分别提高到1.25 mol/L 和1.50 mol/L 时，磨损横截面积分别下降到7.07 µm 2和6.96 µm 2.上述实验结果表明，Na 2SO 4溶液的浓度变化对Si 面磨损量影响显著. Na 2SO 4溶液的浓度可以直接影响金属电化学腐蚀中金属和SiC 表面的电子转移效率，电解质浓度越大，金属产生的腐蚀电流电子转移速率越高，Si 面的氧化反应效率越高. 当Na 2SO 4浓度为0 mol/L 时，由于没有电解质溶液，Si 面和Al 对磨球之间没有化学反应，使得Si 面和Al 对磨球直接摩擦，对Si 面形成机械磨损. 当Na 2SO 4浓度为1.00 mol/L 时，化学作用和机械作用趋于平衡，可以获得高的材料去除能力和好的表面质量. 但是过高的Na 2SO 4溶液浓度使Al 表面生成过多的Al 2O 3，化学作用明显大于机械作用，氧化层不能及时去除，影响了Al 和SiC 表面的接触状态，降低了两者间的电子转移效率，导致抛光材料去除能力下降.2.2.2 pH 值的影响pH 值对Si 面的磨损效果的影响如图7所示. 由图7可知，磨痕横截面积在酸性环境下最大，中性环（a ）腐蚀前Si2 p 谱图（b ）腐蚀后Si2 p 谱图（c ）腐蚀前O1 s 谱图（d ）腐蚀后O1 s 谱图（e ）腐蚀前C1 s 谱图（f ）腐蚀后C1 s 谱图（g ）腐蚀后A12p s 谱图图5 Al 在Na 2SO 4溶液中对Si 面腐蚀前、后的XPS 的Si 、O 、C 、Al 元素谱图Fig.5 Elemental spectra of Si ， O ， C and Al obtained through the XPS before and after corrosion of Si face by Al in Na 2SO 4 solution128第 4 期胡达等：基于金属电化学腐蚀的单晶SiC 表面腐蚀和磨损性能研究境居中，碱性环境最小，在pH=3的强酸性环境中能获得高的磨损，为11.97 µm 2. 溶液pH 值为3时，磨痕轨迹宽度约为250 µm ，磨痕相对集中，呈V 形结构，磨痕表面比较粗糙. 当溶液pH 值为5时，对磨球运动轨迹宽度为300 µm ，磨痕分布不均匀，在磨痕中间区域磨损量很低，横截面积为8.24 µm 2，比pH=3时降低了31.17%. 当溶液pH 值提高到7时，对磨球运动轨迹宽度为250 µm ，磨痕横截面积为8.72 µm 2，比pH=3时降低了27.16%. 将pH 值进一步提高到9时，对磨球运动轨迹宽度约200 µm ，磨痕中间还存在大量的未磨损区域，磨痕横截面积为5.79 µm 2，比pH=3时降低了51.63%. 上述实验结果表明，Si 面磨损量在酸性环境中较大，说明金属电化学腐蚀单晶SiC 的Si 面在酸性环境中的反应效率更高.上述摩擦磨损实验结果表明，金属电化学腐蚀对Si 面的材料去除能力在酸性环境下最大，中性环境居中，碱性环境最小，表明金属电化学腐蚀在酸性环境中对单晶SiC 的Si 面化学作用强，可以产生更多的SiO 2氧化层，以提高材料去除能力.3 金属电化学腐蚀材料去除机制单晶SiC 金属电化学腐蚀抛光材料去除机制如图8所示，在抛光压力P 的作用下SiC 的Si 面和Al 抛光盘在Na 2SO 4溶液中接触，在直接接触的区域发生金属电化学腐蚀［图8（a ）］，作为阴极的Al 在电解质中发生金属电偶腐蚀，在Al 表面形成钝化层，其反应过程如下［22-24］：Al(s)+3OH -→Al(OH)3，ads +3e-（1）生成的Al （OH ）3，ads 在溶液中不稳定，会转化成Al 2O 3•H 2O ［23］，这与图5的XPS 检测结果一致，Al 板表面的Al 2O 3氧化层会有部分残留在SiC 表面.2Al(OH)3，ads =Al 2O 3·3H 2O（2）单晶SiC 作为阳极（一般电化学中常用石墨C 作为阳极，其标准电极电位为+3.700 V ，本实验中SiC代替石墨作为阳极）发生氧化反应. 在阴极Al 和阳极SiC 的接触过程中，形成的腐蚀电流传导至SiC 表面形成聚集的空穴（h +），h +比所有的化学氧化物都具有更强的氧化性［25］，促使SiC 表面发生阳极氧化反应生成SiO 2，该过程的反应如下［26-28］：SiC +4H 2O +8h +→SiO 2+8H ++CO 2（3）2H 2O +2e -→H 2+2OH -（4）Al 2O 3+H 2O →2AlOOH（5）2AlOOH +2SiO 2→Al 2Si 2O 5·H 2O（6）（a ）磨损表面形貌（b ）磨痕横截面积图6 Na 2SO 4浓度对Si 面的磨损效果的影响Fig.6 Effect of Na 2SO 4concentration on the wear of Si face（a ）磨损表面形貌（b ）磨痕横截面积图7 pH 值对Si 面的磨损效果的影响Fig.7 Effect of pH on the wear of Si face129湖南大学学报（自然科学版）2024 年在单晶SiC Si 面的金属电化学腐蚀过程中，涉及溶液中的电子和离子转移. 在去离子水溶液中，由于缺乏可移动的离子，因此SiC 表面的化学反应很弱. 在Na 2SO 4中，由于溶液中存在更多的离子移动，在SiC 表面更容易产生腐蚀电流，从而使SiC 表面发生更强的腐蚀，且酸性的电解质溶液对Si 面的腐蚀更强. 抛光过程中Si 面的微凸峰首先和Al 接触产生硬度低、结合力小的SiO 2氧化层，然后在Al 盘的机械力作用下对SiO 2氧化层发生材料去除，然后暴露出新的SiC 表面［图8（b ）］继续发生氧化和材料去除，在这样的循环过程中实现SiC 表面的高效材料去除.4 结论本文提出了一种基于金属电化学腐蚀的单晶SiC 化学机械抛光方法，研究了不同金属对Si 面的接触腐蚀性能、摩擦磨损性能，讨论了单晶SiC 金属电化学腐蚀的材料去除机制，得到了以下结论：1）对比金属Al 、Cu 和Fe 对单晶SiC 的Si 面的腐蚀效果，仅有Al 对Si 面有明显的金属电化学腐蚀效果，出现了明显的腐蚀层，EDS 和XPS 分析证明该腐蚀层为SiO 2.2）Na 2SO 4电解质溶液浓度和pH 值对单晶SiC 的Si 面磨损性能影响较大. 当Na 2SO 4浓度为1.00 mol/L 时，能获得最高材料去除能力，对Si 面的磨损量达到7.19 µm 2（比0 mol/L 时提高了137.3%）. Na 2SO 4溶液在强酸性环境中对单晶SiC 的Si 面材料去除能力更大，pH=3时磨损量达到了11.97 µm 2.3）Al 盘在Na 2SO 4溶液中发生电偶腐蚀，产生的腐蚀电流促使SiC 的表面发生阳极氧化反应产生SiO 2氧化层，Al 盘对氧化层发生材料去除暴露出新的SiC 表面继续发生氧化和材料去除.参考文献［1］YIN X C ，LI S J ，CHAI P ．Investigation of SiC single crystalpolishing by combination of anodic oxidation and mechanical polishing ［J ］．International Journal of Electrochemical Science ，2020， 15（5）： 4388-4405．［2］SETERA B ，CHRISTOU A ．Challenges of overcoming defects inwide bandgap semiconductor power electronics ［J ］．Electronics ，2021，11（1）：10．［3］ANDERSON C P ， BOURASSA A ， MIAO K C ， et al.Electrical and optical control of single spins integrated in scalable semiconductor devices ［J ］. Science ， 2019，366（6470）：1225-1230.［4］RACKA-SZMIDT K ， STONIO B ， ŻELAZKO J ， et al. A review ：inductively coupled plasma reactive ion etching of silicon carbide ［J ］. Materials ， 2022，15（1）：123.［5］IANNACCONE G ， SBRANA C ， MORELLI I ， et al. Powerelectronics based on wide-bandgap semiconductors ： opportunitiesand challenges ［J ］. 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Chemical etchingof图8 单晶SiC 金属电化学腐蚀抛光材料去除机制Fig.8 Mechanism of material removal by metal electrochemicalcorrosion of single-crystal SiC130第 4 期胡达等：基于金属电化学腐蚀的单晶SiC表面腐蚀和磨损性能研究silicon carbide in pure water by using platinum catalyst［J］.Applied Physics Letters， 2017，110（20）：201601.［16］DENG H，HOSOYA K，IMANISHI Y，et al．Electro-chemical mechanical polishing of single-crystal SiC using CeO2 slurry［J］．Electrochemistry Communications，2015，52：5-8．［17］KHANNA A J，YAMAMURA M，KAKIREDDY V R，et al．Investigation of the impact of pad surface texture from differentpad conditioners on the CMP performance［J］．ECS Journal ofSolid State Science and Technology，2020，9（6）：064011．［18］LIN Y C，KAO C H．A study on surface polishing of SiC with a tribochemical reaction mechanism［J］．The International Journalof Advanced Manufacturing Technology，2005，25（1）：33-40．［19］WU M，HUANG H，LUO Q F，et al．A novel approach to obtain near damage-free surface/subsurface in machining of singlecrystal 4H-SiC substrate using pure metal mediated friction［J］．Applied Surface Science，2022，588：152963．［20］LUO Y R，XIONG Q，LU J B，et al．Chemical mechanical polishing exploiting metal electrochemical corrosion of single-crystal SiC［J］．Materials Science in Semiconductor Processing，2022，152：107067．［21］SPRENGER D，BACH H，MEISEL W，et al．XPS study of leached glass surfaces［J］．Journal of Non-Crystalline Solids，1990，126（1/2）： 111-129．［22］WANG K W，CAI W J．Modeling the effects of individual layerthickness and orientation on the tribocorrosion behavior of Al/Cunanostructured metallic multilayers［J］．Wear，2021，477：203849．［23］ALMOTAIRY S M，SHERIF E S M，ALHARTHI N H，et al．Influence of milling route on the corrosion passivation of Al-2%SiC nanocomposites in chloride solutions［J］．Crystals，2021，11（10）：1231．［24］BADAWY W A，AL-KHARAFI F M，EL-AZAB A S．Electrochemical behaviour and corrosion inhibition of Al，Al-6061and Al-Cu in neutral aqueous solutions［J］．Corrosion Science，1999，41（4）：709-727．［25］DONG Z G，OU L W，KANG R K，et al．Photoelectrochemical mechanical polishing method for n-type gallium nitride［J］．CIRP Annals，2019，68（1）：205-208．［26］MA G L，LI S J，LIU F L，et al．A review on precision polishing technology of single-crystal SiC［J］．Crystals，2022，12（1）：101．［27］YANG X，SUN R Y，OHKUBO Y，et al．Investigation of anodic oxidation mechanism of 4H-SiC （0001）for electrochemicalmechanical polishing［J］．Electrochimica Acta，2018，271：666-676．［28］VAN DORP D H，SATTLER J J H B，DEN OTTER J H，et al．Electrochemistry of anodic etching of 4H and 6H-SiC in fluoridesolution of pH 3［J］．Electrochimica Acta，2009，54（26）：6269-6275．131。

单晶SiC基片干式摩擦化学机械抛光初探

单晶SiC基片干式摩擦化学机械抛光初探薛明普，肖　文，李宗唐，王占奎，苏建修（河南科技学院机电学院, 河南新乡 453003）摘要　针对碳化硅（SiC）基片在抛光过程中效率低、费用高、环境污染大等问题，提出了一种在干式状态下对SiC基片进行摩擦化学机械抛光的方法（dry tribochemical mechanical polishing, DTCMP）。

探究不同工艺参数（磨料种类、磨粒粒径、磨粒含量、抛光盘转速、抛光载荷、固相氧化剂含量）对单晶SiC基片抛光效率和表面质量的影响规律。

研究结果表明：金刚石磨粒更适合SiC的摩擦化学机械抛光；当磨粒粒径为W1，磨粒质量为4 g，抛光盘转速为70 r/min，抛光载荷为20.685 kPa，固相氧化剂过碳酸钠添加量为10 g 时，其为最优工艺参数。

采用最优工艺参数对表面粗糙度约为20 nm的单晶6H-SiC基片进行干式抛光加工，最终获得表面粗糙度Ra为3.214 nm。

DTCMP方法抛光SiC基片比水基抛光法热量损失少，所产生的界面温度更高，反应所需的活化能更低，可以实现SiC基片的绿色、高效和高质量抛光。

关键词　SiC基片；干式摩擦化学机械抛光；材料去除率；表面粗糙度中图分类号　O786; TQ163.4; TG58　文献标志码　A 文章编号　1006-852X(2024)01-0101-08DOI码　10.13394/ki.jgszz.2023.0052收稿日期　2023-03-06　修回日期　2023-04-07单晶碳化硅（SiC）作为一种新型高性能半导体材料，具有耐高温、宽带隙、导热性好、抗辐射能力强、与外延GaN晶体更好的匹配等特殊性能，被广泛应用于微电子、光电子、航空航天和医疗领域[1-3]。

其巨大的应用潜力吸引了许多研究者的关注。

在制造基于SiC衬底材料的半导体器件时，要求衬底材料具有原子级光滑且无损伤的表面，否则就会影响器件性能[4]。

不同磨料对蓝宝石晶片化学机械抛光的影响研究

第42卷第6期人工晶体学报Vol．42No．62013年6月JOUＲNAL OF SYNTHETIC CＲYSTALS June ，2013不同磨料对蓝宝石晶片化学机械抛光的影响研究熊伟，储向峰，董永平，毕磊，叶明富，孙文起（安徽工业大学化学化工学院，马鞍山243002）摘要：本文制备了几种含不同磨料（SiC 、Al 2O 3、不同粒径SiO 2）的抛光液，通过纳米粒度仪分析磨料粒径分布，采用原子力显微镜观察磨料的粒径大小。

研究了不同磨料对蓝宝石晶片化学机械抛光（CMP ）的影响，利用原子力显微镜检测抛光前后蓝宝石晶片表面粗糙度。

实验结果表明，在相同的条件下，采用SiC 、Al 2O 3作为磨料时，材料去除速率与表面粗糙度均不理想；而采用含1%粒径为110nm SiO 2的抛光液，材料的去除速率最高为41．6nm/min ，表面粗糙度Ｒa =2．3nm ；采用含1%粒径为80nm SiO 2的抛光液，材料的去除速率为36．5nm/min ，表面粗糙度最低Ｒa =1．2nm 。

关键词：蓝宝石；化学机械抛光；去除速率；表面粗糙度；磨料中图分类号：TN305．2文献标识码：A 文章编号：1000-985X （2013）06-1064-06收稿日期：2013-01-31；修订日期：2013-04-09基金项目：国家自然科学基金项目（50975002）；安徽工业大学创新团队项目（TD201204）；教育部高校留学回国人员科研项目作者简介：熊伟（1989-），男，湖北省人，硕士研究生。

E-mail ：xwahut@126．com 通讯作者：储向峰，教授。

E-mail ：xfchu99@ahut．edu．cn Effect of Different Abrasives on Sapphire Chemical-Mechanical PolishingXIONG Wei ，CHU Xiang-feng ，DONG Yong-ping ，BI Lei ，YE Ming-fu ，SUN Wen-qi（School of Chemistry and Chemical Engineering ，Anhui University of Technology ，Maanshan 243002，China ）（Ｒeceived 31January 2013，accepted 9April 2013）Abstract ：In this work ，the effect of different abrasives （SiC ，Al 2O 3and various sizes of SiO 2）on thematerial removal rate （MＲＲ）and the surface quality of sapphire substrate after the chemical mechanicalpolishing （CMP ）was investigated．The average diameter and shape of the prepared abrasive particles werecharacterized by Mastersizer and atomic force microscopy （AFM ），respectively．The surface roughness ofsapphire substrate polished by different abrasive was measured by AFM．It was found that the lower removalrate and bad surface quality were obtained when SiC and Al 2O 3were chosen as the abrasive in the slurry．Under the same condition ，the MＲＲof sapphire substrate polished with 1wt%110nm SiO 2is 41．6nm /min ，but the material removal rate of sapphire substrate is 36．5nm /min ，when 80nm SiO 2is used asabrasive．The surface roughness of sapphire substrate polished with 1wt%110nm SiO 2is 2．3nm ，whilethe surface roughness of sapphire substrate polished with 1wt%80nm SiO 2is 1．2nm．Key words ：sapphire ；chemical mechanical polish ；removal rate ；removal rate ；surface roughness ；abrasive1引言蓝宝石是LED 重要的衬底材料之一，作为LED 衬底的蓝宝石晶片表面必须达到超光滑无损伤的程度［1］，研究表明器件的质量很大程度上依赖于衬底的表面加工工艺［2-5］，因此蓝宝石晶片超光滑、少（或无）损伤的高效加工技术已经成为目前该行业急需解决的问题［6］。