用于SiC基底电化学机械抛光的导电固定磨料抛光盘的制备与性能

《Materials Science in Semiconductor Processing》：Preparation and properties of conductive fixed abrasive polishing discs for electrochemical mechanical polishing of SiC substrates

本研究开发了一种导电固定磨料抛光盘，优化其机械性能和导电性，应用于SiC基板的ECMP工艺，显著提高材料去除率和表面粗糙度，为超精密加工提供新方案。

　　

罗秋发|胡一坤|朱一阳|卢静|柯从明|黄慧

华侨大学制造工程学院，中国厦门361021

摘要

碳化硅（SiC）在传统的电化学机械抛光（ECMP）过程中面临诸多挑战，包括材料去除率低以及残留氧化层对表面完整性的负面影响。本研究制备了一种导电固定磨料抛光盘，用于SiC基材的超精密加工，并对其抛光性能进行了评估。通过调整预处理参数、固化工艺和成分比例来调节抛光盘的导电性和机械性能。结果表明，当基体混合物占比40%、羟基封端丁腈橡胶改性剂占比15%、导电填料占比45%，并在80°C下进行热固化处理时，可获得最佳的机械性能和导电性。在优化条件下，ECMP过程中实现了14.12 μm/h的高材料去除率（MRR），且SiC表面粗糙度降至6.22 nm。通过平衡电化学腐蚀和机械加工效果，SiC表面粗糙度进一步降低至5.02 nm。这种导电固定磨料抛光盘显著提高了抛光效率和表面质量，为SiC基材的超精密加工提供了有前景的解决方案。

引言

作为第三代半导体的代表材料，碳化硅（SiC）因其优异的性能（如高击穿电场强度、出色的导热性和高电子饱和速度）而被广泛应用于新能源、轨道交通等领域[1,2]。作为高性能半导体器件的基础材料，SiC基材的表面和亚表面质量直接影响其性能和可靠性。实现亚纳米级表面光滑度及近乎无损伤的亚表面状态是制造高性能器件的关键。然而，由于其高硬度和化学惰性，SiC的超精密抛光仍面临重大挑战[3,4]。传统的硬磨料机械抛光（MP）不可避免地会导致亚表面损伤，而化学机械抛光（CMP）虽然能通过化学改性去除材料，但存在材料去除率低和浆料处理成本高的问题[5,6]。基于阳极氧化原理的电化学机械抛光（ECMP）为SiC的高效超精密加工提供了有效解决方案。Deng等人[7]使用二氧化铈（CeO₂）浆料作为阳极氧化电解质和抛光介质，成功去除了SiC表面的划痕，材料去除率为3.62 μm/h，表面粗糙度为0.23 nm。Yang等人[8]系统研究了电解质类型对氧化过程的影响，发现氧化速率和抛光性能主要受电解质导电性影响，这为无浆料条件下的SiC ECMP加工提供了重要启示。Hu等人[9]提出了一种用于单晶SiC的金属辅助电化学腐蚀方法，比较了Al、Cu和Fe金属在Na₂SO₄电解质中的腐蚀效果，发现Al在阴极发生电偶腐蚀，促进了SiC阳极的氧化并形成可去除的SiO₂层。这些研究共同证明了电化学阳极氧化在提升SiC表面质量方面的有效性。

然而，传统ECMP中的材料去除率受自由磨料使用限制，导致抛光过程不稳定和磨料利用率低[10, [11], [12], [13]]。为解决这一问题，研究人员开始致力于开发固定磨料ECMP工具以提高工艺稳定性和去除效率。Yang等人[14]使用CeO₂砂轮在NaCl溶液中对4H-SiC进行抛光，表面粗糙度从286 nm降至1.35 nm，材料去除率为23 μm/h。Zulkifle等人[15]采用固体聚合物电解质抛光膜对4H-SiC进行抛光，材料去除率在1.8至9.2 μm/h之间，表面粗糙度为0.68 nm。后续研究证明，在优化条件下使用聚苯乙烯磺酸（PSS）作为电解质时，2英寸和4英寸SiC基材的材料去除率分别达到37 μm/h和14 μm/h。扫描白光干涉测量结果显示，仅5分钟的PSS抛光即可将SiC表面粗糙度从数十纳米降至约1 nm。这些结果表明，固定磨料抛光盘能有效提升ECMP的材料去除效率。相比之下，导电固定磨料抛光盘的研发和应用研究仍较为有限。

本研究制备了一种新型蜂窝结构导电固定磨料抛光盘，采用优化的环氧树脂、金刚石磨料和混合铜填料制成。通过调整预处理参数、固化工艺和成分比例来调节抛光盘的导电性和机械性能。基于该工具，提出了一种平衡电化学腐蚀和机械加工的改进ECMP工艺。最后，利用拉曼光谱和能量色散光谱（EDS）分析了表面化学状态并阐明了材料去除机制。

制造导电固定磨料抛光盘的过程

本研究采用双酚A型环氧树脂E51（ASTM D1763，山东华利公司）作为基体，TY-203聚酰胺树脂651（环氧当量：180–220，胺值：230–260 mg KOH/g，天津盐海公司）作为固化剂，W3金刚石磨料以及铜粉和铜片混合物（纯度≥99.99%，山东春旭公司）作为导电填料[16,17]制备了导电固定磨料抛光盘。在制造过程中，首先将环氧树脂、固化剂和金刚石磨料混合...

工具的机械性能和电导率表征

温度是影响环氧树脂粘度的重要因素[19,20]。图2a显示了环氧树脂E51在不同温度下的粘度变化：室温下粘度为11,000 mPa·s，流动性较差；30°C时粘度降至10,728.8 mPa·s；50°C时粘度进一步降至876.6 mPa·s，70°C时降至181.7 mPa·s。

结论

本研究制备了一种蜂窝结构导电固定磨料抛光盘，系统评估了预处理参数和固化工艺对工具系统机械性能的影响，以及铜粉含量对导电性的影响。抛光性能通过材料去除率和SiC表面粗糙度进行评价。主要结论如下：

(1)

本文提出了一种新型

作者贡献声明

罗秋发：概念设计。胡一坤：初稿撰写。朱一阳：初稿撰写。卢静：审稿与编辑。柯从明：软件开发。黄慧：项目监督。

利益冲突声明

作者声明不存在可能影响本文研究的财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金（项目编号：52475455、52405476、U22A20198）以及高性能工具国家重点实验室开放项目（项目编号：GXNGJSKL-2026-01）的支持。