基于LHA半固著磨粒拋光墊的φ6英寸4H-SiC單晶高效無損傷拋光工藝研究

更新時(shí)間：2026-01-14

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Noritake針對碳化硅（SiC）單晶傳統(tǒng)拋光工藝中存在的效率低下與表面損傷難以兼顧的問題，本研究提出了一種基于LHA（Loosely Held Abrasive）半固著磨粒拋光墊的新型拋光工藝。通過在φ6英寸4H-SiC單晶晶圓上的應(yīng)用實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了該技術(shù)在保持高表面質(zhì)量的同時(shí)，將研磨效率提升了1.7倍，并實(shí)現(xiàn)了原子級無損傷的表面結(jié)構(gòu)，為下一代功率半導(dǎo)體器件的制造提供了高效、高品質(zhì)的加工解決方案。

告別傳統(tǒng)研磨液：LHA墊®如何重塑SiC晶圓的高效加工工藝？.png

1. 引言：SiC加工的行業(yè)痛點(diǎn)與LHA技術(shù)的提出

在功率半導(dǎo)體領(lǐng)域，碳化硅（SiC）因其禁帶寬度大、臨界電場高、熱導(dǎo)率高等優(yōu)異性能，被視為繼硅（Si）之后的下一代核心半導(dǎo)體材料，廣泛應(yīng)用于電動(dòng)汽車、光伏逆變器等領(lǐng)域。然而，SiC極的高的硬度（莫氏硬度接近金剛石）導(dǎo)致其加工極其困難。

傳統(tǒng)的SiC拋光主要依賴游離磨粒拋光（Free Abrasive Polishing）和固結(jié)磨粒拋光（Fixed Abrasive Polishing）兩種方式，二者均存在顯著局限性：

游離磨粒拋光： 磨粒分散在液體中，作用點(diǎn)分散不均，難以實(shí)現(xiàn)高平坦化，且極易產(chǎn)生劃痕（Scratch）。
固結(jié)磨粒拋光： 磨粒固定在基體中，雖然平坦度較好，但有效作用磨粒數(shù)少，導(dǎo)致研磨效率低，且單顆磨粒負(fù)荷大，容易產(chǎn)生加工損傷。

為了解決上述矛盾，Noritake（則武）開發(fā)了LHA（Loosely Held Abrasive）半固著磨粒拋光墊。該技術(shù)旨在結(jié)合游離磨粒的高效率與固結(jié)磨粒的高平坦性，實(shí)現(xiàn)“加工的高能率化與加工面的高品位化"。

2. LHA拋光墊的技術(shù)原理與機(jī)制

LHA拋光墊的核心在于其獨(dú)特的微觀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。與傳統(tǒng)拋光墊不同，LHA采用網(wǎng)狀樹脂結(jié)構(gòu)（Mesh Resin Structure），將磨?！皧A持"在其中（如文檔圖3、圖4所示）。

作用機(jī)制： 磨粒不能從原位大幅移動(dòng)，但可以在網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)中發(fā)生滾動(dòng)（Rolling）。
工作原理：

均勻作用： 磨粒被限制在特定區(qū)域，作用點(diǎn)分散無偏移，克服了游離磨粒分布不均的缺點(diǎn)。
高效切削： 相比固結(jié)磨粒，LHA結(jié)構(gòu)擁有更多的有效作用磨粒數(shù)，且磨粒能以滾動(dòng)方式切削工件，顯著降低了單顆磨粒的負(fù)荷。
配合強(qiáng)氧化劑： 實(shí)驗(yàn)中配合使用了強(qiáng)氧化劑拋光液（LSC-1），利用化學(xué)機(jī)械協(xié)同作用軟化SiC表面，進(jìn)一步提升研磨能率。

3. 實(shí)驗(yàn)條件與方法

為了驗(yàn)證LHA拋光墊在大尺寸SiC晶圓上的應(yīng)用潛力，本研究進(jìn)行了針對性的實(shí)驗(yàn)。

實(shí)驗(yàn)設(shè)備： φ36英寸單面拋光機(jī)。
實(shí)驗(yàn)對象（Workpiece）： φ6英寸SiC單晶（4H型），切出角4°，共3片。
對比組： 傳統(tǒng)無紡布拋光墊（游離磨粒法） vs LHA拋光墊 + 強(qiáng)氧化劑拋光液。
工藝參數(shù)：

壓力：30kPa
轉(zhuǎn)速：35 rpm
加工時(shí)間：2小時(shí)

4. 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與性能分析

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，LHA拋光墊在φ6英寸4H-SiC單晶加工中表現(xiàn)出卓的越的性能，具體分析如下：

4.1 研磨效率的顯著提升如文檔圖8所示，LHA拋光墊的研磨速率（Removal Rate）達(dá)到了傳統(tǒng)游離磨粒法的1.7倍。

這一數(shù)據(jù)打破了“高效率往往伴隨高粗糙度"的傳統(tǒng)認(rèn)知。LHA技術(shù)通過網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的滾動(dòng)切削機(jī)制，在大幅提升Material Removal Rate (MRR)的同時(shí)，保持了優(yōu)異的加工性能。

4.2 表面粗糙度與微觀形貌

表面粗糙度（Ra）： 實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，LHA拋光后的表面粗糙度與傳統(tǒng)游離磨粒法基本保持同等水平（文檔圖9），并未因效率提升而變差。
微觀凹凸： 如文檔圖10所示，LHA拋光后的表面微觀凹凸更加細(xì)密、均勻。這表明LHA技術(shù)能實(shí)現(xiàn)更均質(zhì)的研磨效果，有效解決了游離磨粒法中因磨粒分布不均導(dǎo)致的表面起伏問題。

4.3 表面完整性與損傷分析（TEM觀測）這是本研究最關(guān)鍵的發(fā)現(xiàn)。利用透射電子顯微鏡（TEM）對拋光后的SiC晶圓截面進(jìn)行觀察，結(jié)果如下：

晶體結(jié)構(gòu)： 文檔圖12清晰顯示，LHA拋光后的SiC晶圓表層，原子排列清晰可見，無任何晶體紊亂（Disorder）。
損傷層： 與傳統(tǒng)方法相比，LHA拋光實(shí)現(xiàn)了真正的“無損傷"加工。這意味著在去除材料的同時(shí)，沒有對晶格結(jié)構(gòu)造成破壞，晶圓達(dá)到了可直接制造功率器件的高品質(zhì)要求。
劃痕對比： 文檔圖11直觀展示了傳統(tǒng)游離磨粒法存在明顯的劃痕，而LHA拋光完的全無劃痕。

5. 結(jié)論與展望

本研究表明，基于LHA半固著磨粒拋光墊的工藝，成功解決了SiC單晶加工中效率與質(zhì)量難以平衡的難題。

高效性： 相比傳統(tǒng)無紡布拋光，效率提升了70%（1.7倍），大幅降低了制造成本。
高品質(zhì)： 實(shí)現(xiàn)了原子級平整的表面，且無晶體損傷和劃痕，滿足了高的端功率器件的制造標(biāo)準(zhǔn)。
應(yīng)用前景： LHA技術(shù)不僅適用于SiC，目前已確認(rèn)在硅（Si）晶圓、GaN（氮化鎵）等硬脆材料加工中同樣具有巨大潛力。其獨(dú)特的“網(wǎng)狀樹脂夾持磨粒"結(jié)構(gòu)，為電子、半導(dǎo)體及MEMS領(lǐng)域的精密拋光提供了一種革命性的技術(shù)路徑。