随着新能源汽车、光伏储能、AI服务器以及5G通信产业的迅速发展，第三代半导体材料——碳化硅（SiC）正逐渐成为高端功率电子领域的核心基础材料。相比传统硅（Si），SiC具有更宽的禁带宽度、更高的击穿电场、更优异的热导率以及更强的高温稳定性，因此能够显著降低器件导通损耗、提升能量转换效率，并支持更高功率密度和更高工作温度的电子系统。目前，SiC器件已经广泛应用于新能源汽车主驱逆变器、高压输电系统、轨道交通、工业变频以及航空航天电源等关键领域。然而，SiC卓越的物理性能，也决定了它是目前最难加工的半导体材料之一。其莫氏硬度接近9.5，仅次于金刚石，同时还具有明显的脆性和极强的化学惰性。在加工过程中，SiC晶圆极易产生裂纹、崩边、划痕以及深层亚表面损伤，而这些缺陷会进一步降低器件可靠性、缩短使用寿命，并显著增加后续抛光成本。因此，如何实现高效率、低损伤、纳米级甚至原子级精度的SiC晶圆加工，已经成为全球先进制造领域的重要研究方向。
目前，SiC晶圆加工通常需要经历切片、双面研磨、单面精研、化学机械抛光（CMP）、减薄以及终抛光等多个步骤。其中，研磨与抛光是决定晶圆最终质量的关键工艺。在传统加工中，双面研磨主要用于快速实现晶圆平坦化和厚度均匀化，其核心目标包括降低总厚度偏差（TTV）、提高平行度以及去除切片损伤层。由于SiC硬度极高，双面研磨过程中大量随机分布的金刚石磨粒会对表面产生剧烈冲击，从而形成深层划痕、中位裂纹、横向裂纹以及明显的亚表面损伤。研究表明，经过传统双面研磨后的SiC晶圆表面粗糙度通常仍超过0.1 μm，远远无法满足半导体器件对纳米级表面的要求。
因此，研究人员开始尝试优化研磨结构与加工方式，例如提出蜂窝结构研磨垫，通过在硬质蜂窝孔内填充金刚石磨粒，并利用软凝胶进行半固结固定，使磨粒分布更加均匀，降低局部应力集中，从而减少裂纹扩展并改善表面质量。实验结果显示，这种结构能够将表面粗糙度降低至75–125 nm，显著优于传统研磨方式。
图1：使用硬质蜂窝结构磨轮进行磨削作业。
为了进一步提高材料去除率（MRR），研究人员又引入了超声辅助研磨技术。该方法通过在磨削过程中施加高频超声振动，使磨粒产生周期性冲击和间歇接触，从而降低平均切削力并改善排屑效果。超声振动还能增强局部脆性断裂，使SiC更容易被去除，因此MRR通常会明显提高。然而，实验同时发现，超声冲击会加剧裂纹扩展和表面破碎，导致表面粗糙度反而恶化。这表明，在SiC加工领域，“高效率”与“低损伤”之间依然存在根本性的矛盾。如何在提高MRR的同时控制亚表面损伤，仍然是研磨工艺面临的重要挑战。
由于研磨后仍然存在较深的损伤层，因此后续必须通过化学机械抛光（CMP）进一步实现近无损加工。CMP是目前工业界最成熟的SiC终加工技术，其核心原理并非单纯机械磨削，而是“化学软化 + 机械去除”。具体而言，CMP首先利用氧化剂在SiC表面形成一层较软的氧化膜，然后再通过纳米级磨粒将该氧化层逐渐去除。由于氧化层的硬度远低于SiC本体，因此能够显著降低机械损伤。研究表明，磨粒尺寸对CMP效果具有显著影响：较大的SiO₂磨粒虽然能够提高MRR，但会产生更多划痕和表面缺陷；而较小的磨粒则可以获得更光滑的表面，但加工效率较低。因此，CMP实际上是在加工效率与表面质量之间不断寻找平衡点。
近年来，催化剂辅助CMP逐渐成为研究热点。研究人员在CMP浆料中加入催化纳米颗粒后，可促进H₂O₂分解生成OH自由基，而OH具有极强的氧化能力，能够快速氧化SiC表面，从而大幅提升去除效率。实验结果显示，催化剂辅助CMP能够在SiC表面形成明显的原子级台阶结构，并实现Ra约0.05 nm的超光滑表面，已经接近理论极限。
图2：使用催化剂纳米颗粒对4H-SiC晶圆进行CMP工艺的表面测量结果。
尽管CMP能够实现极高表面质量，但其最大缺点仍然是MRR过低，因此大量新型能场辅助抛光技术开始出现，例如电化学机械抛光（ECMP）、激光辅助抛光（LAP）以及紫外辅助抛光（UAP）。这些技术的核心思想都是“先改变SiC表面状态，再进行机械去除”。其中，ECMP通过外加电场诱导SiC表面发生阳极氧化，从而降低机械去除难度，并显著减少机械损伤。相比传统CMP，ECMP不仅加工效率更高，而且能够减少化学浆料使用，具有更好的环保性能。研究结果显示，ECMP可实现Sq为1–2 nm的表面粗糙度，并将MRR提高至23 μm/h。
图3：无浆液 ECMP 示意图。
另一种重要技术是激光辅助抛光（LAP）。该方法利用CO₂激光局部加热SiC表面，使其发生热氧化和局部软化，同时诱导形成微裂纹，从而降低材料硬度并提高后续机械去除效率。研究发现，相比传统机械抛光，LAP能够使MRR提高约79%。这说明，通过激光实现表面改性，是提升SiC加工效率的重要方向。
图4：LAP 过程原理示意图
此外，紫外辅助抛光（UAP）也逐渐受到关注。UAP利用紫外光激发TiO₂等光催化剂，生成电子-空穴对，并进一步形成OH自由基，加速SiC表面氧化。相比传统CMP，UAP能够进一步提高MRR和表面质量，但目前仍存在工艺稳定性不足、设备成本较高以及工业化难度较大的问题。
图5：UAP 处理原理58
相比传统研磨与抛光，超精密磨削（Ultra-precision Grinding）正在成为未来SiC加工的重要发展方向。超精密磨削采用旋转式加工原理，具有磨粒分布均匀、磨削力较低、自动化程度高以及更适合大尺寸晶圆加工等优势。与传统研磨相比，它能够显著降低亚表面损伤深度，并减少后续CMP时间，因此在大尺寸SiC晶圆加工中具有巨大潜力。目前，日本企业在超精密磨削领域仍处于领先地位，例如DISCO推出的DFG8830采用“三粗一精”多主轴结构，可支持6英寸SiC晶圆加工；而ACCRETECH的HRG系列则采用高刚性主轴与低振动结构，可实现TTV小于3 μm以及晶圆厚度偏差小于±3 μm的高精度加工。
图6：超精密磨削技术采用工件旋转方式。
图7：DFG8830型碳化硅晶圆研磨机（盘式）。
图8： accretech生产的碳化硅晶圆研磨机：(a) HRG200X，(b) HRG300.
近年来，国内企业也开始加速布局SiC超精密装备领域，代表设备包括TFG-3200、CMG200以及MX-SSG等国产磨床。这些设备已经具备8英寸SiC晶圆加工能力，标志着国产化进程正在加速推进。
图8：国产超精密碳化硅晶圆研磨机。
然而，无论采用何种磨削方式，亚表面损伤始终是SiC加工中的最大难题。金刚石砂轮虽然具有极高加工效率，但同时也会在表面和内部形成微裂纹、残余应力以及晶格畸变。其中，最危险的是“不可见”的亚表面裂纹，它不仅会增加后续CMP时间，还会严重影响器件寿命和晶圆良率。研究发现，随着磨削深度降低，崩碎坑和裂纹会明显减少，材料去除模式也会逐渐从脆性断裂向塑性流动转变。这意味着，只要能够精确控制磨粒切深，SiC实际上是有可能实现延性域加工的。
图9：不同研磨条件下6H碳化硅晶圆的表面/亚表面特性7
为了实现加工过程的精确控制，研究人员还建立了大量理论模型，包括磨粒切深模型、表面粗糙度预测模型以及亚表面损伤模型。其中，未变形切屑厚度（Undeformed Chip Thickness）被认为是决定裂纹形成与材料去除模式的关键参数。研究人员通过建立磨粒随机分布模型、纳米压痕理论以及Rayleigh分布模型，对表面粗糙度与亚表面损伤进行了预测。部分模型的预测误差已经低于6%，但目前针对SiC旋转式超精密磨削的理论体系仍然不完善。
图10：基于砂轮与工件运动关系的磨削切削深度模型。
图11：不同研磨参数下预测表面粗糙度与实际表面粗糙度的对比
图12：适用于硬质材料压痕模型的中值/径向裂纹模型脆性材料。
总体来看，SiC晶圆超精密加工本质上是一场“与裂纹和损伤的长期博弈”。从传统研磨，到CMP，再到多能场辅助抛光与超精密磨削，人类正在不断逼近SiC加工的理论极限。未来，随着高端装备、AI驱动工艺优化、原位检测技术以及原子级模拟的发展，SiC晶圆加工有望真正实现高效率、低损伤、低成本以及原子级精度制造。而这，也将成为下一代功率半导体产业竞争的关键基础。
从传统金刚石研磨，到CMP精密抛光，再到电化学、光催化、磁流变等复合能场加工技术，SiC晶圆制造正在不断突破“高硬脆”材料加工极限，并逐步迈向原子级制造新时代。作为第三代半导体产业链的重要参与者，晶沐光电持续聚焦高品质碳化硅衬底产品供应，可提供：
2-8英寸导电型4H-SiC衬底
2-6英寸半绝缘型4H-SiC衬底
N型、P型掺杂碳化硅衬底
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