【原创】纳米金刚石抛光液：SiC超精抛光的“白月光”

中国粉体网讯  SiC作为衬底材料，单晶SiC的表面粗糙度直接影响其在电子器元件中工作的效果与性能。为确保单晶SiC在半导体、衬底材料中的应用的稳定性，其表面粗糙度往往要达到纳米级或以下（工业要求Ra<0.3nm）。

众所周知，SiC很硬且脆，同时其具有较高的化学稳定性，这些性能使得SiC单晶加工困难。因此，解决SiC单晶加工问题，才能使其应用不受限制。

SiC晶圆超精抛光

SiC加工工序主要分为：定向切割、晶片粗磨、精磨、机械抛光与超精抛光，其中超精抛光技术作为最后一步，直接决定了SiC晶圆的表面粗糙度及使用性能。在半导体领域通过超精抛光后达到的超光滑、无缺陷的表面是高质量应用的前提，目前使SiC晶圆达到超光滑表面常用的方式主要有五种。

磁流变抛光（MRF）：纳米金刚石磁流变抛光过程的原理是塑性剪性去除，材料以剪性刮擦的形式去除。即在磨粒法向受力断裂时，在材料表面或亚表面形成损伤，并且使得材料表面凸起横向断裂，从而达到抛光效果的一种方法。

等离子体辅助抛光（PAP）：是一种借助等离子体进行表面改性，结合软磨粒抛光技术实现SiC表面材料高效去除的抛光方法。两者结合极大地提高了SiC的加工效率，并且不会产生亚表面损伤。

电化学机械复合抛光（ECMP）：近年来，国内学者发现，通过电化学机械复合抛光可以进一步提高CMP的抛光效率。当进行电化学抛光时，作为阳极的SiC晶圆表面发生强烈的氧化反应，从而降低表面硬度，改善表面质量，同时可以通过控制电流大小来改变氧化速率进一步调整抛光效率。

化学机械抛光（CMP）：该方法是目前在单晶SiC晶圆抛光加工领域最常用的超精密抛光技术。

紫外辅助化学机械抛光（PCMP）：通过紫外光的激发与光催化剂中电子激发跃迁提供的能量，催化H₂O₂、KMnO₄等强氧化剂，使其提供具有强氧化性的自由基，与SiC反应生成较软的氧化层，以此来提高抛光效率。近些年发现，其提供的羟基自由基（-OH）也可应用在单晶SiC的抛光加工中，以达到较好的抛光加工效果。

化学机械抛光原理图

纳米金刚石抛光液在超精抛光中的应用

金刚石抛光液主要分为多晶金刚石抛光液、单晶金刚石抛光液和纳米金刚石抛光液。在电子化信息技术及半导体行业中，要求加工表面粗糙度小，表面性能好。从磨料挑选角度出发，纳米金刚石完全符合该精密加工的要求。

近些年我国人造金刚石产业发展迅速，占世界产值八成以上，且价格逐渐降低，利用纳米金刚石作为磨料不仅能提高加工效率，成本也进一步降低。纳米金刚石无疑是精加工碳化硅、蓝宝石等硬脆晶体材料的最佳选择。使用纳米金刚石进行加工，不仅可以提高加工效率，缩短加工时间，还可以使表面粗糙度达到纳米级。

金刚石研磨液，来源：圣戈班

在纳米金刚石抛光液应用中，良好的抛光液粒径控制是获得好的加工效果的重要保障。但是，由于比表面积大、比表面能高，纳米金刚石处于热力学不稳定状态，颗粒间极易发生团聚，并且这种团聚往往很难被破坏。要想实现纳米金刚石抛光液中磨料粒径的可控，首先要对纳米金刚石颗粒间的团聚进行破坏，实现纳米金刚石的分散。

纳米粉体的分散过程就是纳米颗粒均匀分布的过程，其主要通过物理分散法与化学分散法对纳米颗粒进行分散。

（1）物理分散法

物理分散法主要是分为机械分散和超声分散两种方法。机械分散是最简单的分散方法，如研磨分散、胶体磨分散、球磨分散等等，通过简单的物理行为对纳米金刚石团聚的大颗粒进行破坏，从而进行分散。单独依靠机械分散很难使纳米金刚石达到稳定分散，因此该法常常与其他分散方法联用，以达到较好分散的效果。超声分散是利用液体中空化气泡的形成、生长和急剧崩溃，来对颗粒进行打散，破坏颗粒的硬团聚。使用超声波分散的好处是在制备过程中，不会引入其他杂质。

（2）化学分散法

化学分散法主要分为分散剂分散法和化学改性分散法。分散剂分散主要是通过改变粒子表面来对其进行分散的方法，只是改善了分散性，在分散过程中需要施加驱动力，使得粒子分散。化学改性分散法通过化学溶剂处理纳米金刚石表面，降低纳米金刚石表面电位，从而改善团聚现象，是目前对于纳米粉体分散较为常见的一种处理方法。其通过对纳米金刚石表面基团进行改性，增加纳米金刚石表面的基团，或对纳米金刚石表面基团进行修改，以此来改善纳米金刚石在介质中的电位分布，达到改善分散性的目的。

小结

纳米金刚石抛光液在日本和欧美已在一定范围内得到了应用，已开发出水溶性、油溶性和气雾剂的纳米金刚石抛光剂。美国、英国、德国、日本等国家具备了纳米金刚石抛光液的生产能力，企业如Engis公司、All公司等，能够提供多种类型的抛光产品。国内在抛光液制备领域的研究起步较晚，技术水平与国外相比还有一定的差距。

由于目前对单晶4H-SiC晶圆的超精抛光存在效率低、抛光表面粗糙度高的问题，很难高效获得高质量表面，而使用等离子体抛光、电化学机械抛光等手段虽然可以降低表面粗糙度，但成本过高，设备要求高。相较其他手段，利用紫外光辅助化学机械抛光具有加工成本低、加工效率高的优点，同时利用纳米金刚石做磨料，可以进一步提高加工效率。目前大多只是实现了较大粒径的分散控制，获取的抛光液产品整体粒度尺寸较大。小粒径产品，比如单颗粒的纳米金刚石分散产品较少，因此，开发更细粒径、质量稳定的纳米金刚石抛光液是科研工作者今后研究的方向。

来源：

孟汝浩：纳米金刚石抛光液及SiC晶圆超精抛光技术

靳洪允等：纳米金刚石抛光液制备及应用

王沛等：纳米金刚石抛光液中磨料的可控性团聚研究现状

圣戈班官网

（中国粉体网编辑整理/空青）

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