在追求高性能电子器件的今天，碳化硅以其卓越的物理和电学性能，成为了制造电力电子器件的理想材料。然而，碳化硅衬底在抛光工艺上还面临着成本、环保等方面的难题，一直是制约其广泛应用的瓶颈。

传统CMP（化学机械抛光）需要使用大量的抛光液材料，抛光液成本占抛光环节成本比例较大，这不仅增加了生产成本，也对环境造成了负担。

近日，日本立命馆大学（Ritsumeikan University）一研究团队开发了一种新型的ECMP（电化学机械抛光）技术，可带来3大技术优势：

● 环保高效：ECMP技术避免了使用有害的液体化学物质，减少了对环境的影响；

● 高材料去除率：该技术实现了约15µm/h的材料去除率（MRR），是传统CMP的10倍。

● 表面质量高：通过ECMP处理的碳化硅衬底表面光滑，粗糙度可降至亚纳米级别。

采用ECMP进行的材料去除工艺示意图

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技术原理

电化学机械抛光是一种新型的衬底表面处理技术，在ECMP过程中，碳化硅衬底作为阳极，与抛光板（阴极）之间夹着SPE/CeO2复合材料衬垫。当施加偏置电压时，碳化硅表面与SPE发生电解反应，形成一层易于去除的氧化膜，这层氧化膜随后被衬垫中的CeO2颗粒去除。

ECMP抛光装置的示意图

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具体实验验证：

在实验过程中，研究团队首先研究了电解电流密度对碳化硅衬底材料去除率的影响，发现MRR与电解电流密度成正比，且在一定的电流密度下达到饱和：

● 在电解电流密度低于10 mA/cm²时，MRR随电流密度的增加而增加，法拉第效率接近100%。

● 超过15 mA/cm²后，MRR达到饱和状态，法拉第效率开始下降，表明电流密度的进一步提高并没有带来更高的材料去除效率。

电解电流密度对ECMP的碳化硅（0001）的MRR和法拉第效率的影响

随后，他们进一步的实验探讨了机械条件，即抛光压力和旋转速率的乘积（P×RR），对MRR的影响。实验在恒定的电解电流密度（25 mA/cm²）下进行：

● MRR随着机械条件的增强而线性增加，在最高的机械条件下几乎达到了法拉第电解定律预测的理想MRR值（14.8 µm/h）。

● 这一结果表明，在较高的机械条件下，CeO2颗粒更有效地去除氧化膜，减少了碳化硅表面形成的氧化物层的厚度，从而提高了法拉第效率。

ECMP的机械条件（MC）对碳化硅（0001）的MRR的影响

此外，研究团队利用X射线光电子能谱（XPS）分析了不同ECMP条件下处理的表面，结果显示在高机械条件下，经过ECMP和随后的无电解抛光，Si 2p光谱中没有明显的Si4+峰，表明表面残留的氧化物被有效去除。

最后，研究团队进行了衬底表面形貌和粗糙度观察以及均匀性评估，结果如下：

● ECMP处理6分钟后，表面粗糙度从50 nm Sa显著降低到0.68 nm Sa，显示出非常光滑的表面。

● 在低电解电流密度下进行ECMP处理，然后进行无电解抛光，可以获得粗糙度为0.084 nm Sa的超光滑表面。

ECMP对碳化硅表面形态的改变（左）、经ECMP处理的碳化硅（0001）表面的AFM图像（右）

● 所开发的ECMP方法能有效地在整个晶片上均匀去除SiC表面，获得平均粗糙度低至0.68 nm的光滑表面。

实验验证表明，ECMP技术不仅提高了碳化硅衬底的抛光效率，而且通过精确控制电解和机械条件，实现了表面粗糙度的显著降低和表面质量的大幅提升，为碳化硅衬底的绿色制造提供了强有力的技术支持。

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