1　引言

随着电源、控制器和无线通信等行业的快速发展，对功率半导体器件的性能指标和可靠性的要求日益提高。而基于硅材料的功率半导体器件的性能已经接近其物理极限^［1］，无法满足行业内对器件的工作电压、电流承载能力、工作频率、散热能力和可靠性等方面的需要。因此，以碳化硅（SiC）和氮化镓（GaN）为代表的第三代宽禁带（E_g>2.3 eV）功率半导体材料的发展与应用受到了极大重视，并被广泛应用于集成电路（IC）制造、精密光学、新一代雷达、电子对抗、航天通信和汽车等军用/民用技术领域。图1^［1］为SiC半导体的特性及器件的典型应用。目前，我国已经把大力支持发展第三代宽禁带功率半导体产业纳入了“十四五”和中长期发展的规划中^［2］。在国家发展战略规划重点领域技术路线中也明确指出：当前需要大力推动和重点突破SiC和GaN第三代半导体衬底和器件的加工制造及其应用。

图 1. 第三代半导体材料晶体特性及其应用^［1］

Fig. 1. Crystal properties and applications of the third-generation semiconductor materials^［1］

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作为目前发展较为成熟的宽禁带半导体材料，SiC晶圆已广泛应用于集成电路器件、高密度信息储存器件和微机电系统（MEMS）中^［3-4］。相比前两代半导体，作为第三代半导体材料的SiC在实际应用中具有明显的物理性能优势。但SiC也同样具备了硬度高（>28 GPa）、断裂韧性低和脆性大等材料特性，在加工时不可避免地会在材料表面产生划痕或裂纹，且材料的边缘处极易发生碎裂，同时加工效率较低，被公认为一种极难加工的晶体材料。因此，实现SiC晶圆高效率且无损伤/低损伤加工的难度巨大，极大地限制了SiC的应用。SiC晶圆的完整生产过程包括了拉单晶、磨外圆、切片、磨削、研磨及抛光等工艺^［5］，加工完成后SiC晶圆的表面加工质量和加工精度将直接决定所制造器件的性能。目前，受到集成电路领域快速发展的影响，行业内对SiC晶圆的加工表面缺陷、表面粗糙度、（亚）表层损伤、残余应力、晶格完整性和面形精度等均提出了极高的要求。超精密抛光技术作为现代制造业中提高材料表面质量的关键技术之一，能够显著降低材料的表面粗糙度，获得原子级光滑、平整的理想工件表面^［6］。因此，超精密抛光加工是SiC晶圆在实际芯片制造应用中极为关键的一环。目前，对SiC晶圆表面进行超精密抛光的加工指标要求为：原子级表面、粗糙度R_a<0.2 nm，材料去除速率（MRR）大于2 µm/h，且整体表面实现全局平坦化。

化学机械抛光（CMP）是实现材料表面全局平坦化的最佳途径之一，也是目前全球范围内最为主流的超精密抛光技术手段，能够较好地满足半导体行业对器件表面高表面精度的要求^［7］。SiC-CMP的技术原理是：先利用化学反应对SiC晶圆表面进行改性，其主要目的是使SiC晶圆表层材料的硬度降低，随后利用磨粒与SiC晶圆表面改性层之间的机械作用去除改性层，并且通过化学与机械作用不断交替最终获取高质量的晶圆表面^［8-9］。CMP技术较好地解决了在加工SiC材料时容易产生表层/亚表层损伤以及边缘碎裂的问题，但受到SiC材料本身硬度高、脆性大、具有各向异性且化学惰性强（不与酸碱反应）等材料特性的影响，常规的SiC-CMP的MRR一般在每小时几十至几百纳米^［10］，仍有待大幅提升，其原因主要有以下两点：1）SiC材料在大抛光压力、高抛光盘转速下进行CMP极易产生难以去除的加工损伤，因而无法简单地通过直接增加抛光压力或提高SiC材料和抛光盘之间的相对转速来提升MRR；2）SiC材料具有极强的化学惰性，常规的CMP抛光液对SiC表面的改性效率较低，对MRR的提升也较为有限，而采用强氧化剂、强酸、强碱、高毒性化学品^［11-15］进行CMP则会对生态环境造成严重危害，严重违背“中国制造2025”所倡导的“绿色制造”理念^［16-17］。综上所述，如何实现SiC晶圆高效、无损的超精密抛光已经成为了实现第三代半导体材料大规模产业化应用的关键。因此，如何同时提高SiC晶体在超精密抛光时的表面加工质量和加工效率，更为高效地获得超光滑及无损伤的原子级表面质量是SiC超精密抛光加工过程中亟需解决的关键问题。

近年来，受到激光技术快速发展的影响，激光抛光技术开始受到广泛关注和重视，并由于其加工效率高的特点^［18-19］，已经被视为一种极具发展前景的抛光技术^［20］。目前，常规的激光抛光技术是采用不同类型的激光直接对材料表面进行抛光加工，并且在抛光过程中不会对材料表面施加压力，属于非接触式的抛光技术^［21-22］。抛光时，激光以一定波长和能量密度照射工件表面，进而使得材料熔融、气化和剥离，最终获得较为光滑的表面。激光抛光SiC表面的MRR主要受到激光类型、激光工艺参数和SiC种类等因素的影响，其加工效率能够做到远高于常规的CMP技术，因此更容易满足现代制造工艺中对高加工效率的要求。然而，相比现有的CMP技术，激光抛光过程的加工精度难以达到目前半导体行业所要求的微米甚至纳米级^［23］，这也直接导致了激光抛光后SiC材料的表面粗糙度仍然较高^［24］，较难满足行业内对表面质量的要求。

另一方面，考虑到在实际生产和应用中对抛光完成后SiC材料的表面质量有着近乎严苛的要求，越来越多的研究者们开始尝试将现有的CMP技术与其他多种技术进行复合，希望能够较大程度地提高SiC-CMP的加工效率。这些CMP复合抛光技术主要包括了电化学辅助CMP^［25］、催化剂辅助CMP^［26-28］、等离子辅助CMP^［29］、热氧化辅助CMP^［30］和超声振动辅助CMP^［31］等。从这一角度出发，可以考虑将激光技术与CMP技术进行良好复合，即先通过激光加工对SiC表面进行CMP的前处理，使之在随后的CMP过程中更容易地被快速去除。通过开展激光辅助CMP的研究工作，有望同时满足行业内“高抛光加工效率”和“高抛光表面精度”的实际工业需求。表1对比了目前SiC材料的常用抛光技术的特点，并对激光辅助CMP技术进行了合理预期。此外，通过实现激光加工和CMP过程自动化，还能够进一步提升对SiC材料表面进行超精密抛光的加工效率，对激光技术和超精密抛光技术在现代工业制造中的实际应用也极为有利。

目前，高抛光压力和化学腐蚀所带来的划痕和腐蚀损伤，以及MRR低下等问题，仍然是制约SiC元件在我国芯片、雷达等相关重大工程应用中的关键问题。激光技术对SiC的烧蚀和强氧化改性作用为解决SiC材料在超精密抛光中存在的加工效率极低的难题提供了有益思路。而在液体条件下对SiC开展激光加工能够解决超快脉冲激光微加工过程中出现的重铸层、烧蚀碎屑再沉积和裂纹等问题。因此，探索和研究面向SiC材料高效、无损的超精密抛光加工新方法及相关的材料去除机制，以期满足国家相关重点工程对SiC材料高加工效率和高表面质量的要求，具有重要的理论意义和实际工程应用价值，同时对于指导GaN和蓝宝石等硬、脆材料的抛光加工也具有重要的借鉴意义。

2　基于激光技术的SiC表面抛光的作用机理

基于激光的SiC材料表面抛光技术实际上包含了激光抛光技术、激光辅助抛光（如激光辅助CMP）和在此基础上添加了多能场复合的抛光技术等，由于在实现这些技术手段时均需要进行SiC材料的激光加工处理，因此针对这些技术的各项研究在很大程度上互有借鉴意义。但在激光抛光和激光辅助CMP技术中使用激光技术的目的存在不同。激光抛光是仅采用激光技术直接对SiC材料表面进行抛光。而在激光辅助CMP技术中，激光技术所起到的作用简单概括来说是对SiC材料表面进行改性，改变原本表层SiC硬度高、脆性大和化学惰性强等一系列不利于原子级表面高效加工的材料特性，从而使之更容易在随后的CMP过程中被快速去除。

需要注意的是，根据激光种类、激光作用介质和激光工艺参数的不同，激光改性的过程中可能还伴随有激光烧蚀、激光诱导裂纹和激光诱导微射流等现象^［32-35］。SiC材料的激光加工是上述所有技术的基础，图2列出了影响SiC材料激光加工过程的主要变量，其本质是激光束与SiC材料之间的相互作用，这种作用主要包含了热作用和光化学作用^［36］。简单概括来说，热作用包括了加热、熔化和气化过程，而光化学作用则是化学键的成键和断裂过程，因此激光与SiC材料相互作用的具体形式取决于激光和SiC材料本身的性质。

图 2. 影响激光加工过程的主要变量^［36］

Fig. 2. Main variables affecting laser processing^[36]

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SiC的晶体结构类型与原子的密排方式有关，根据Si和C双原子层堆积密排的不同，形成多型SiC晶体结构^［37］。纤锌矿结构和闪锌矿结构是现阶段SiC能稳定存在的晶体结构^［38］。纤锌矿结构（α-SiC）是六方晶体结构，目前受到广泛研究的主要为4H-SiC和6H-SiC。闪锌矿结构（β-SiC）是面心立方结构，典型的晶型为3C-SiC。SiC通过共价键结合，结合强度大，并且晶格结构稳定。因此，SiC材料的化学稳定性和热稳定性好，同时这也是SiC具有高耐磨、高硬度、高强度、大弹性模量等良好力学性能和良好导热性的重要原因^［39］。SiC材料的弹性模量E约为420~530 GPa，而其莫氏硬度约为9.2（显微硬度约为28~40 GPa），属于典型的硬脆材料。

2.1　激光抛光技术作用机理

按照SiC材料激光抛光作用过程和机理的不同，一般可以将其分为激光热抛光和激光冷抛光两种。图3^［40］对比了长脉冲激光热抛光与短脉冲激光冷抛光技术。

图 3. 两种抛光技术对比^［40］。（a）长脉冲激光热抛光；（b）短脉冲激光冷抛光

Fig. 3. Comparison between two polishing technologies^［40］. (a) Long-pulse laser thermal polishing; (b) short-pulse laser cold polishing

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2.1.1　激光热抛光

激光热抛光一般采用连续激光，主要使用长波长激光器（例如：1.06 μm激光器和10.6 μm激光器），其作用机理是利用激光束将热量传输到材料表面，使得材料表面在很短时间内累积大量的热从而迅速升温，发生熔化和气化等过程，并以此来实现表面材料的去除和对工件表面的抛光^［41］。当上述物理过程以熔化为主时，材料表面各部分受到熔化过程的影响，其曲率半径是不同的，熔融的材料会向曲率半径大（即曲率小）的部分流动，使得各处的曲率趋向于一致^［18］。熔融材料在流动的同时发生凝固，激光加工完成后熔融材料的凝固速度对SiC材料的表面形貌和表面粗糙度起到了重要影响。而当这一物理过程以气化为主时，激光作用的实质是对SiC的表层材料直接进行去除，使得其发生剥离。然而，热抛光过程中的热效应较为显著，会在SiC材料的表面产生大的温度梯度并造成较大热应力，从而容易产生微裂纹，难以实现理想的SiC表面抛光效果。虽然激光热抛光能够以远超常规CMP技术的MRR对SiC材料进行去除，但是激光热抛光SiC材料的加工深度较大，且容易在SiC表面产生激光加工碎屑和激光诱导波纹结构，导致SiC材料在抛光后的表面粗糙度仍然较高，因此激光热抛光较难适用于对SiC材料表面质量要求较高的场合。

2.1.2　激光冷抛光

激光冷抛光一般采用短脉冲（fs或ps）和短波长激光，主要选用紫外准分子激光器或者飞秒脉冲激光器进行加工，其中准分子激光器非常适用于抛光那些对紫外光具有强烈吸收作用的材料^［42］。激光冷抛光的作用机理可以分为光化学作用，即“单光子吸收”和“多光子吸收”，以及光电离作用两大类型。与热抛光不同，激光冷抛光的加工深度较浅，仅会对激光照射的部分表层材料进行去除。冷抛光时，SiC表层材料吸收光子，当光子能量大于化学键能时，会造成材料的化学键和晶格结构的断裂，表层材料通过这一形式从基体中剥离，从而实现对材料的激光冷抛光^［43］。冷抛光的过程是一种非热机制，激光束和材料之间可以在几乎不改变或轻微改变温度的情况下通过能量的共振转移就发生相互作用。在冷抛光过程中，热应力很小，热影响区和热效应几乎可以忽略^［20］，因此材料表面几乎不产生微裂纹，冷抛光对SiC材料性能的影响较小，抛光厚度也更可控。这是因为物质碰撞的平均自由时间是10^-12~10^-14 s，而当激光的脉冲宽度小于这一相互作用时间时，电子没有足够的时间将能量传递给晶格，因此激光束与材料之间的相互作用不会遵循经典的热传导定律^［36］。在使用飞秒（10^-15s）激光器进行激光抛光时，正是利用了这一原理排除了热效应对材料表面抛光的影响。并且，超快激光具有极高的峰值功率，能够使材料在极短的时间内发生双光子吸收、高阶多光子吸收、隧道电离或超势垒电离等非线性吸收过程，电子处于受激发状态，最终形成高压、高温、高密度的等离子体，通过等离子体向外的喷溅从而实现对材料的光电离加工^［40］。

2.1.3　激光热抛光和激光冷抛光技术的总结与对比

根据上述特点总结来说，激光热抛光的加工效率较高且加工深度大，但SiC材料在激光抛光过程中容易形成激光诱导波纹结构、激光抛光碎屑和微裂纹，激光热抛光完成后SiC材料的表面粗糙度较高且存在较为严重的表面损伤，难以满足对SiC材料表面质量要求较高时的加工需求。而激光冷抛光主要利用的是激光的光化学作用，根据激光脉冲宽度的不同，可能还伴随着一定的热作用。相较于激光热抛光，激光冷抛光在SiC这类超硬、脆性晶体材料的超精密抛光方面具备一定的优势，但也面临加工效率较低、加工深度太浅的问题。因此，在激光抛光SiC这类典型的硬脆、高化学惰性的第三代半导体材料时，需要综合考虑对材料加工效率和加工完成后表面精度的要求，对激光加工和激光器的种类择优进行选取。并且，在适当的场合可以对加工条件进行改变，如在激光热抛光时将激光作用的环境介质改为液相，以减小激光作用的热效应。

2.2　激光表面改性SiC材料的作用机理

SiC材料的激光辅助抛光技术主要利用了激光技术对SiC材料表面的改性作用。需要指出的是，实际上在上文所提到的激光热抛光和激光冷抛光的过程中，同样伴随激光对SiC材料的表面改性，这是由激光对SiC材料的作用机理所决定的。目前，激光处理对SiC材料的改性主要通过组织结构变化和化学键的断裂等方法实现。以下列举了采用准分子激光、纳秒激光、皮秒激光和飞秒激光对SiC材料（单晶SiC以及RB-SiC）表面改性的作用机理。

2.2.1　准分子激光作用

李政达^［44］使用248 nm准分子激光对6H-SiC单晶进行了微区抛光修复试验，激光加工前后6H-SiC的表面形貌对比如图4所示，该研究确定了此种激光抛光的过程实际为重结晶现象。拉曼光谱检测结果表明，在激光加工的过程中伴随有石墨烯的生成，表明SiC在激光表面处理后会产生石墨化的现象。该研究者推断在采用准分子激光对6H-SiC单晶进行激光抛光的过程是一个复杂的物理与光致化学反应过程的结合。

图 4. 激光抛光前后6H-SiC表面形貌^［44］

Fig. 4. Surface morphologies of the 6H-SiC before and after laser polishing^[44]

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2.2.2　纳秒激光作用

An等^［45］研究了纳秒激光对RB-SiC材料的表面特性和可去除性的影响，结果表明，通过合理调节激光功率或降低扫描速度可以有效降低激光扫描区域的材料硬度（下降约40.7%），其原因是SiC的分解和氧化。Xue等^［46］采用纳米激光对SiC表面进行改性，其研究同样证实了在激光作用下表层的SiC分解为Si和C，随后Si在空气中被氧化。

2.2.3　皮秒激光作用

Gao等^［47］在CMP前对单晶6H-SiC进行了皮秒激光预处理，研究发现皮秒激光处理后，SiC表面会形成激光诱导波纹以及多晶层。同时，XPS结果显示在皮秒激光处理的过程中，C—Si键被氧化为结合较弱的Si—C—O键以及Si—O键。Liu等^［48］采用大功率皮秒激光对单晶4H-SiC进行了处理，结果表明激光处理后SiC表面形成了SiO₂层，引起了剪切应力和断裂强度的降低。

2.2.4　飞秒激光作用

飞秒激光器具有脉宽短、脉冲频率高、热效应小等特点，有利于提高材料加工精度和表面质量^［49］，是目前激光技术研究的前沿和热点^［50］。吴东江等^［51］利用飞秒激光对RB-SiC的表面进行加工，其研究结果表明飞秒激光加工完成后的烧蚀表面产生了易于形成团簇的球形纳米颗粒，同时烧蚀表面上方存在主要由Si、SiC和非晶态SiO₂共同构成的沉积物。此外，硅蒸气在表面的冷凝附着还提升了SiC颗粒表面的Si元素含量。Wang等^［52］采用飞秒激光对单晶SiC表面进行辐照后发现，飞秒激光对单晶SiC表面进行辐照后会使表层的单晶SiC发生氧化并形成非晶层。从图5（a）和（b）中能够分别观察到波长为515 nm和1030 nm的飞秒激光辐照5脉冲后SiC表面出现的高空间频率（周期为260 nm）和低空间频率（周期为550 nm）的光致表面周期性结构（LIPSS）^［53］。一方面，这些由非晶层构成的波纹可以减少材料表面的起伏；另一方面，构建基于晶体缺陷而建立的规则周期性结构可以提升表面质量。OKADA等^［54］利用飞秒激光在4H-SiC单晶表面上形成了厚度约为10∼50 nm的连续非晶层和呈周期性分布的激光诱导细、粗波纹。这些超快激光诱导形成的表面结构在摩擦力、黏附力、光吸收/反射和疏水性等方面均表现出与SiC基体不同的特性^［55-56］，进一步验证了超快激光能够成功对SiC材料的表面进行改性。

图 5. 不同波长5脉冲辐照SiC表面^［53］。（a）515 nm；（b）1030 nm

Fig. 5. SiC surfaces irradiated by 5 pulse with different wavelengths^[53]. (a) 515 nm; (b) 1030 nm

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目前，在激光改性不同类别的SiC材料时，如何选取最适合的激光器并调节最优的工艺参数，仍是较大的难题。特别是当激光改性需要与CMP等超精密抛光技术进行结合时，在多种作用的共同影响下，激光改性辅助抛光的加工过程会变得更加复杂，因此也需要研究者们针对多场耦合作用的机制等问题开展更为细致的研究工作。

3　基于激光的SiC表面抛光技术研究进展

SiC的晶型结构决定了其具有高硬度、脆性和良好的化学稳定性，导致其在采用常规抛光方法时MRR低下。然而随着SiC材料应用和发展的逐步深入，对SiC材料的抛光加工效率和加工精度的要求却日渐提高，并逐渐成为行业内的一大难题。在SiC材料的CMP过程中，时常需要在一定法向载荷下，依靠金刚石、Fe₂O₃、Cr₂O₃、ZrO₂和CeO₂等磨粒的刻、划与滚压作用去除表面改性层的材料。特别是在采用硬度极高的金刚石作为磨料对SiC材料进行抛光时，材料表面容易产生微裂纹等损伤，同时亚表层也可能会产生较多缺陷，严重影响了抛光加工效率^［57］。由于抛光SiC的主要目的就是降低其表面粗糙度，如表2所示，目前较多的工作^［58-63］都着重于研究SiC材料在抛光后表面粗糙度的变化和材料的去除特征等方面，而SiC抛光过程中的MRR仍有待大幅提升。另外，研究^{［58， 60-61， 64］}还表明，SiC抛光的MRR和表面粗糙度之间往往存在一定的平衡关系，很难在保证材料极高表面质量的同时获得较高的MRR。因此，探究激光技术在SiC材料抛光工艺中应用，进一步开发激光辅助的复合抛光技术手段，使得SiC抛光能够同时获得极高的表面质量和较高的MRR，对实现SiC材料的产业化应用和推广都具有重要意义。

为了更好地满足实际生产和应用中对SiC表面质量日益严苛的要求，在SiC抛光时需首先保证SiC晶体极低的表面粗糙度和表面全局平坦化，即最大程度地保证产品的成品率，越来越多的研究者开始尝试在已经非常成熟的CMP技术的基础上进行多种技术的复合，以弥补CMP技术加工效率低下的瓶颈问题。近年来，为了大幅提升SiC-CMP的抛光效率，并尽可能地保证抛光质量，包括激光辅助CMP^{［34， 47-48， 65］}和光催化辅助CMP^［27］等在内的各类CMP的辅助技术开始受到广泛关注。通过这些辅助技术在CMP前在SiC表面产生有利于CMP去除过程的反应层，从而改善常规CMP过程中MRR较低的问题。还有一些研究者通过将抛光垫预先浸渍^［61］、选用自由磨料^［66］或催化磨料颗粒^［26］来提高CMP的抛光质量。

图6中给出了上述这些以往研究中采用不同方法抛光单晶SiC的MRR和抛光后表面粗糙度（R_a），这些方法对实现高质量的超精密抛光工艺过程具有重要意义。从图中可以看出，仅改变CMP过程中所用到的抛光垫和磨料对于MRR提升是极为有限的，但可以较大程度地保证SiC在CMP后拥有较低的表面粗糙度；将激光技术与CMP技术进行复合后，虽然可以较大程度地提高SiC-CMP过程中的MRR，但抛光后SiC的表面粗糙度仍然很高（>10 nm），与行业要求和标准仍有距离。因此从目前来看，想要同时获得高MRR和低R_a仍然是单晶SiC在超精密抛光时的一个重大挑战。

图 6. 以往研究中采用不同方法抛光单晶SiC的MRR和抛光后表面粗糙度^{［26-27，34，52，61，66］}

Fig. 6. MRR and surface roughness after polishing of single crystal SiC using different methods in previous studies^{[26-27,34,52,61,66]}

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3.1　SiC材料激光辅助CMP研究

在进行SiC材料激光辅助CMP时，激光的辅助作用主要是在SiC-CMP前先对其表面进行改性，使其表面形成与SiC本身材料特性不同的氧化层和非晶层，从而改变SiC晶体高硬度、脆性和强化学惰性的材料特性，使之在接下来的抛光过程中更容易被去除。

Gao等^［47］采用皮秒激光辅助CMP的方法对单晶6H-SiC的Si面进行加工，研究结果表明：一方面，皮秒激光辐照在SiC晶体表面产生的波纹和多晶层使得CMP过程中的机械去除效率更为显著；另一方面，皮秒激光辐照后C—Si键转变为C—O、Si—C—O和Si—O键，使得CMP过程中的化学去除效应进一步增强。此外，CMP技术能够做到完全去除激光诱导波纹和氧化物层，尽可能地避免了在CMP过程中产生加工损伤层，很好地保证了SiC的表面质量。Liu等^［48］采用远超材料激光烧蚀阈值的大功率皮秒激光对单晶4H-SiC进行了预处理，使得SiC表面形成SiO₂层以及SiC近表层的非晶化。并且，皮秒激光预处理还增强了SiC表面对抛光液的吸附，使得CMP抛光液与SiC之间化学反应的效果更加显著。此外，该研究还发现，皮秒激光预处理产生的较软的SiO₂在被去除后，CMP摩擦作用产生的瞬态高温能够催化4H-SiC表面的Si悬浮键发生再氧化，表明皮秒激光辅助SiC-CMP实际上是“软化-去除-再软化-再去除”的过程。

Wang等^［52］提出了一种利用飞秒激光辐照作为CMP过程预处理的新方法，研究表明经过飞秒激光单向辐照（单一扫描方向）的衬底的MRR为27 nm/min，大约为未经过辐照的衬底的3倍，通过飞秒激光对单晶SiC表面进行辐照并使之产生氧化和非晶层，能够在随后的CMP过程中获得更高的MRR和更好的表面平坦化。其研究还发现，经过交叉辐照（两个扫描方向呈90°）衬底的MRR为16 nm/min，仅为未辐射衬底的1.8倍左右。这是因为采用超快激光照射SiC后，衬底表面会形成不同粗细的波纹^［67-68］，周期性波纹表面的形成使得CMP浆液与基底表面的接触面积扩大，并且加强对SiC基体表面的氧化效应，而交叉辐照的扫描过程一定程度上破坏了这种波纹结构，导致交叉辐照后SiC-CMP的MRR相较单向辐照工艺处理的要求更低。Chen等^［69］比较了采用飞秒激光辐照SiC的Si面和C面后的CMP过程，结果显示飞秒激光辐照SiC的Si面和C面后，两者在后续的CMP过程中的MRR分别提升了207%和77%。两者提升效果存在差距的主要原因是在同一激光辐照条件下，受到激光辐照的SiC的C面的硬度相比Si面更高。此外，Zhang等^［70］还提出了一种SiC表面激光结构化的方法，研究结果表明，通过激光诱导对微观结构进行设计可以提高SiC在后续研磨过程中的MRR。

3.2　液态环境下SiC晶体基于激光的表面抛光技术研究

近年来，为进一步降低材料表面粗糙度并减少抛光过程中材料表面损伤，研究者们提出可以在液态环境下开展激光抛光或激光辅助抛光，能够有效防止表面微裂纹和残留碎片等表面缺陷的产生，从而进一步降低激光抛光或激光辅助抛光后SiC材料的表面粗糙度，同时保证较高的MRR。

3.2.1　液态环境下激光抛光SiC研究

Zheng等^［71］提出了如图7所示的一种水下飞秒激光抛光SiC的方法，选用波长为1030 nm、脉宽为240 fs的Yb∶KGW飞秒激光器，研究了水下激光加工过程中激光频率和脉冲能量对SiC抛光后的表面形貌、抛光深度和表面粗糙度的影响。研究结果表明，水下激光抛光的材料去除深度随激光频率和脉冲能量的增加，呈现先增大后减小的趋势，同时适当增大激光频率有利于降低SiC的表面粗糙度。在激光频率为40 kHz、脉冲能量为40 J的条件下，SiC材料的平均去除深度达到了32.19 μm，平均表面粗糙度降低为0.72 μm。水下飞秒激光抛光为SiC材料基于激光技术的抛光方法提供了一种新的思路。虽然水下飞秒激光抛光SiC晶体的平均去除深度较高，但是抛光加工后SiC的表面质量相比CMP技术仍有较大差距，因此这项技术仍有待进一步完善，以同时满足“去除效果好”和“表面质量高”的加工目标。

图 7. 水下飞秒激光抛光过程的示意图^［71］

Fig. 7. Schematic illustration of underwater femtosecond laser polishing processing^[71]

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在液相下进行激光抛光时，当工件在液体中的浸没深度降到较低水平时，由于边界效应空泡会发生不对称的坍塌过程，通常会引起快速的液体微射流，即激光诱导微射流^［32］。Guo等^［33］根据这一原理，提出了激光诱导微射流辅助烧蚀（LIMJAA）技术，研究了飞秒激光诱导空泡对超薄液层的环境中激光烧蚀4H-SiC晶片加工性能的影响机理。图8（a）和（b）分别是激光诱导微射流辅助烧蚀过程的示意图和采用高速摄像机拍摄到的激光诱导微射流的实际图片。研究发现，通过激光诱导空化气泡的非对称溃灭，可以形成连续且定向的高速微射流，该射流能够及时排除烧蚀区域悬浮的二次气泡和烧蚀碎屑。采用这一技术，可以在单晶4H-SiC晶片表面通过激光单次扫描获得宽度为19 μm、深度为98 μm、深宽比为5.2的高质量微沟槽。该研究为液相下进行激光抛光和激光辅助抛光提供了新的思路，即借助激光诱导空泡的微射流作用辅助进行抛光，有利于进一步提高材料在抛光后的表面质量。

图 8. LIMJAA技术^［33］。（a）LIMJAA过程示意图；（b）激光诱导微射流照片

Fig. 8. LIMJAA technology^［33］. (a) Schematic of LIMJAA process; (b) photograph of laser-induced microjet

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综合目前有关液相下飞秒激光作用机理方面的研究，可以将这一过程简单归纳如下：1）激光在液相中传播并聚焦^［72］；2）在飞秒的时间尺度内，受到飞秒激光的高峰值功率以及强电场电离机制的影响，在非线性效应下激光与材料之间相互作用，电子吸收光子能量，激发了电子；3）在皮秒时间尺度内，发生能量转移和化学键断裂等过程；4）在纳秒时间尺度内，材料表面进一步发生变化，伴随着等离子体膨胀、辐射和物质喷流等现象^［73］；5）最后在更长的时间尺度范围内，液体中的等离子体向空化气泡前体转变，并经历空化气泡的膨胀、收缩和溃灭等演化过程^［74］。此外，有关不同种类激光在液相下对SiC材料的作用机制仍有待更为细致的研究。

3.2.2　液态环境下激光辅助抛光SiC研究

Kim等^［34］提出了在液态浆料环境下的新型CO₂激光辅助的复合抛光工艺，其工艺概念如图9所示。该工艺将CO₂激光直接加载到处于浆料环境中的SiC晶体表面，因此激光处理和抛光过程是同步实现的，区别于其他在激光预处理后再进行抛光的分步过程。其研究结果表明，通过激光诱导在SiC近表面产生的微裂纹是导致激光辅助抛光（LAP）过程中MRR增大的主要原因。图10介绍了SiC在LAP过程中的三种不同的去除机制：1）机械磨损，通过自由磨料的滚动和摩擦对材料表面材料进行去除，这一过程遵循Preston方程^［75］；2）裂纹的扩展和生长，材料表面和近表层因受到激光作用而产生裂纹，同时表层材料被氧化而导致硬度下降，使得材料的去除更加容易；3）应力腐蚀，在抛光时会施加向下的压力，导致嵌入裂缝中的自由磨料会对缝隙两端的材料施加横向应力，使得活性磨料的数量增多，磨料与材料表面的接触面积增大。

图 9. CO₂激光复合抛光工艺概念图^［34］。（a）激光加工；（b）机械抛光；（c）激光辅助抛光

Fig. 9. Concept of the hybrid CO₂ laser-polishing process^[34]. (a) Laser machining; (b) mechanical polishing; (c) laser-assisted polishing

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图 10. 激光辅助抛光的材料去除机制^［34］

Fig. 10. Material removal mechanism of hybrid laser-assisted polishing process^[34]

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4　结论与展望

4.1　结论

随着电源、控制器和无线通信等行业的快速发展，硅基半导体的性能已经无法满足其需求，以SiC为代表的第三代宽禁带功率半导体的优势被进一步放大，其应用领域在未来也势必更加广泛。然而，现今的半导体产业对SiC材料的抛光质量和抛光效率提出了日益严苛的要求，因此探索更高效的表面制造技术具有重要意义。基于激光技术的材料表面抛光方法能够实现SiC表面材料高效去除，相比常规的CMP技术还具有去除效率高、不易产生亚表面损伤和便于实现产业自动化等优势，为SiC等第三代宽禁带半导体材料的超精密抛光提供了新的解决方案和思路。按照作用机制的不同，激光抛光SiC材料可以分为激光热抛光和激光冷抛光两种。相比之下，激光热抛光加工效率更高且加工深度大，但加工完成后SiC表面粗糙度较高且容易产生较严重的表面损伤；激光冷抛光的热效应可以忽略不计，加工后表面损伤小且加工精度高，但也面临加工效率低和加工深度浅的问题。激光辅助抛光技术则主要利用了激光处理对SiC材料的表面改性作用。在激光处理后，原本硬度高、脆性大且具有化学惰性的SiC材料表面形成硬度较低、极易去除的氧化层和非晶层，同时还伴随有化学键的断裂，使得其在随后CMP过程中的材料去除更为高效。此外，为进一步提升抛光加工的质量，研究者们尝试在液态环境下开展SiC材料的激光抛光或激光辅助CMP，能够有效防止SiC表面微裂纹和残留碎片等表面缺陷的产生。

4.2　展望

随着集成电路和半导体行业的快速发展，硬脆材料SiC表面高效、无损的超精密抛光技术逐渐受到从业者的广泛关注和重视。作为极具发展前景和应用潜力的新型超精密抛光技术，激光抛光和激光辅助CMP等技术为行业内提供了新的解决方案和技术方法，有望满足如今对SiC超精密抛光在抛光质量和抛光效率方面日益严苛的要求。在此背景下，SiC材料的激光抛光和激光辅助抛光技术在未来的发展需着重考虑以下方面：

1） 系统地研究不同类型的激光处理对SiC材料表面的组织结构、化学成分、表面形貌和表面硬度、化学惰性、润湿性等性能的影响，揭示激光和SiC材料之间的深层次作用机理，有利于更好地控制激光抛光或激光辅助CMP技术中激光处理的过程。

2） 激光辅助CMP/抛光技术中需要先对SiC材料表面进行激光处理，SiC表面在激光处理后可能会形成激光诱导波纹和微裂纹，需系统性地研究这些形成的微结构对后续CMP过程的影响。并且，可以在此基础上利用激光预处理对SiC材料的表面微结构进行调控，通过增加或减少微裂纹的产生和改变激光诱导波纹的粗细以及排布等方法，在保证抛光后SiC表面质量的前提下尽可能地提升抛光加工效率。

3） SiC材料的激光抛光和激光辅助CMP的过程中可能涉及热效应、光化学作用、光电离作用、机械去除作用、化学作用、空化作用和微射流作用等的复合叠加。因此，在研究时需要对多场耦合的实际加工情况进行解耦，以明确各个作用对最终抛光质量和效率的影响和作用机理，以及可能存在的协同作用。

4） 以往较多激光辅助抛光SiC材料的方法是通过“激光预处理+CMP”的分步方法对SiC进行加工，而仅有少量研究者尝试将SiC材料的激光加工与CMP过程同步进行开展，此时SiC材料的表面抛光加工过程会变得更加复杂。

5） 在上述研究的基础上，还可以考虑将超声、磁场、电场等作用复合到激光抛光或是激光辅助CMP技术中，以求进一步提升抛光质量和抛光效率。