超聲作用下碳化硅CMP流場特性分析

摘要 針對目前碳化硅拋光效率低、表面質(zhì)量差等加工難題，采用超聲輔助CMP（UCMP）加工工藝對其表面進行光滑無損化拋光。為探究超聲輔助對CMP流場的影響，以超聲振動下的拋光流場特性為研究對象，基于可實現(xiàn)k?ε模型對超聲作用下的拋光流場特性進行分析，并采用有限元分析方法探究不同超聲頻率、超聲振幅、液膜厚度對拋光流場內(nèi)速度、壓力的影響，且開展CMP和UCMP對照試驗。結果表明：超聲頻率對拋光液流場有明顯地促進作用，隨著超聲頻率從20 kHz增大到40 kHz，流場最大速度從324.10 m/s增大到698.20 m/s，最大壓力從177.00 MPa增大到1 580.00 MPa；與CMP相比，UCMP后碳化硅晶片可獲得更好的拋光質(zhì)量與更高的材料去除率，其表面粗糙度Ra、材料去除率RMRR分別為3.2 nm和324.23 nm/h。

關鍵詞 超聲輔助；碳化硅；流體動力學仿真；化學機械拋光

中圖分類號 TG580.692+2 文獻標志碼 A

文章編號 1006-852X（2025）01-0102-11

相較于第一代和第二代半導體材料，單晶碳化硅作為第三代半導體材料，其電子遷移率、熱導率、禁帶寬度等物理性能的優(yōu)勢更為突出[1]。而且，以單晶碳化硅作襯底的功率元器件被廣泛應用于5G通信、可再生能源轉換、芯片、航空航天、工業(yè)應用等重要領域。在所有碳化硅襯底的應用中，都需要其獲得微米甚至納米級的表面。此外，碳化硅的高化學惰性和硬脆性也對其表面拋光技術提出了更高的挑戰(zhàn)。

目前，材料表面的平坦化技術包括化學機械拋光（chemical mechanical polishing，CMP）、激光拋光（laser polishing，LP）、磁流變拋光（magnetorheological finish-ing，MRF）、電化學機械拋光（electrochemical mechan-ical polishing，ECMP）等，其中的CMP仍然是碳化硅拋光領域最主要和完善的技術之一，通過CMP可實現(xiàn)碳化硅表面的原子級光滑和無缺陷處理。單晶碳化硅的CMP去除機理如圖1所示。圖1中：拋光漿料中的氧化劑與碳化硅表面發(fā)生氧化反應，導致其表面形成Si-C-O軟性氧化層；氧化層的硬度明顯低于碳化硅的硬度，從而確保了其可通過漿料中磨粒產(chǎn)生的機械作用而去除。然而，由于工件的初始尺寸和形狀不同，可能會影響整個碳化硅襯底的平坦度和彎曲程度。為了確保后續(xù)CMP加工的碳化硅表面具有更一致的表面形貌，ZHANG等[2]進行了CMP工藝順序的研究，探討了其對碳化硅平整度的影響，并對工藝順序進行了優(yōu)化；特別值得一提的是，在晶片弓形和翹曲方面，提出了一種有效的解決途徑，不僅提高了碳化硅晶片的加工效率還降低了加工成本。此外，在傳統(tǒng)的CMP過程中，通常會使用有害物質(zhì)，這會污染環(huán)境。為此，XIE等[3–8]研發(fā)了多種新型綠色拋光液，其同時兼具了環(huán)保要求和整體加工效率。

研究表明[9]：材料的氧化反應速率在整個CMP過程中起著決定性的作用，即拋光漿料中的羥基自由基（·OH）的生成速率將直接影響CMP過程的拋光速度。因此，提高漿料中羥基自由基的生成速率變得至關重要。此外，芬頓反應產(chǎn)生的羥基自由基相較于H2O2具有更強的氧化性，同時引入超聲振動作為外部新能量源可進一步提高CMP過程中的氧化反應速率。ZHAI等[10]通過Fluent仿真軟件對碳化硅超聲輔助拋光過程中的流場性能進行了分析并總結了流場性能參數(shù)存在的規(guī)律，結果表明：拋光流場中的壓強與氧氣含量存在此消彼長的規(guī)律，且流場中存在同一位置參量不同、不同位置參量相同、流場參數(shù)相對于超聲振動存在滯后現(xiàn)象等。ZHOU等[11]使用CFD仿真分析了超聲頻率及拋光盤轉速對藍寶石超聲輔助化學機械拋光（ultra-sonic assisted chemical mechanical polishing，UCMP）中的速度場、壓力場等的影響，結果表明：提高拋光盤轉速能夠使流體中心區(qū)域流速升高，同時使藍寶石晶圓表面流體的流速波動范圍減小，有利于其全局平坦化。

通常來講，一般拋光液中只含有一種磨料[12-13]。在CMP領域中，磨料的表面特性、機械屬性、結構特性及其種類對拋光過程影響顯著，因此磨料的選擇至關重要。文獻[14–16]的研究表明：通過改變磨料的尺寸、材料和結構，可使碳化硅的拋光效果更佳。TAM等[17–22]的研究涉及了納米級金剛石磨料對碳化硅的拋光，結果顯示：隨著金剛石顆粒尺寸從100 nm增加到1μm，碳化硅的材料去除率增加，但表面質(zhì)量變差；當金剛石顆粒尺寸達到1μm時，碳化硅的材料去除率為1.1μm/h，表面粗糙度Ra為1.2 nm。

此前的研究在提高碳化硅整體拋光效率和改善其表面形貌方面獲得了一定成果，但傳統(tǒng)的CMP技術滿足不了脆硬材料更精密的加工要求。為了同時實現(xiàn)碳化硅的高材料去除率和低表面層損傷，超聲振動作為一種外部能量源進入了人們的視野[23]，碳化硅的超聲化學機械研磨與拋光，成功地降低了其表面粗糙度。且由于超聲能量在CMP拋光液中催化了SiC的氧化反應，可有效去除碳化硅表面的凹坑和劃痕等缺陷，從而獲得了更高水平的表面光潔度和更高的材料去除率。KANG等[24]采用正交試驗法分析了超聲振動輔助拋光過程中的關鍵工藝參數(shù)，包括拋光盤轉速、拋光工具與工件間的間隙、磨粒直徑、超聲振幅以及拋光時間，以評估其對材料去除率和表面形貌特征的影響。同時，將材料去除率和表面粗糙度作為工藝指標，進行多目標參數(shù)優(yōu)化，獲得了最佳的工藝參數(shù)組合，最終得到了1.102μm/min的材料去除率和2.66 nm的表面粗糙度。

目前，對碳化硅CMP加工效率和質(zhì)量的研究較多，但對超聲輔助拋光過程中拋光液的流動特性及空化產(chǎn)生的微射流等的微觀研究相對較少。由于在CMP中引入了超聲振動，UCMP中的晶片與拋光墊之間的流場流動相對于傳統(tǒng)CMP的更加復雜[25]。ZHOU等[26]同時結合試驗與計算流體力學（computational fluid dy-namics，CFD）仿真，研究了超聲振動對流場參數(shù)的影響規(guī)律并獲得了最優(yōu)超聲參數(shù)組合。結果表明：超聲可引起流體內(nèi)的空化現(xiàn)象，這對于整體拋光效率的提高和表面質(zhì)量的改善有明顯的促進效果，且最佳超聲頻率、振幅和膜厚分別為25 kHz、42μm和14 mm。但實際流場中的膜厚遠小于毫米量級，一般在30～100μm。因此，采用CFD方法研究超聲振動作用下的流場流動行為，旨在更加深入理解碳化硅UCMP的微觀機理。同時，對UCMP進行詳細仿真，進一步揭示超聲振動對拋光流場的影響。

1仿真理論模型

碳化硅的UCMP是一種綜合了超聲空化、化學腐蝕、微米級磨粒、微射流和機械去除等多重因素的協(xié)同拋光工藝。在加工過程中，能量在超聲振動的作用下傳遞到晶片與拋光墊之間的薄膜流體中，引發(fā)了空化現(xiàn)象。這些空化氣泡在超聲振動和拋光壓力的共同作用下迅速坍塌，釋放出高速微射流，對懸浮在拋光液中的微米級磨粒施加沖擊作用，使其進一步加工碳化硅表面。此外，空化氣泡在坍塌瞬間也能釋放局部高溫和高壓，促進拋光液中的氧化劑與晶片反應，增加氧化電離，產(chǎn)生更多的羥基自由基（·OH）。因此，超聲振動引起的空化現(xiàn)象有益于拋光過程中的化學和機械效應，從而提高材料去除率和晶片表面質(zhì)量[27]。所以，對UCMP拋光液在多參數(shù)共同作用下的流體動力學進行分析具有重要意義。

1.1碳化硅UCMP過程中的運動學描述

圖2為碳化硅UCMP中的運動原理示意圖。如圖2所示，碳化硅UCMP過程中影響流場速度的運動可分為縱向超聲振動、拋光盤轉動和碳化硅晶片自旋轉3部分。以拋光盤中心為起點建立數(shù)學模型，因此，晶片表面線速度v1可表示為[28]：

v1=ω1‘（x+L）2+z2（1）

式中：ω1為晶片角速度，L為晶片中心距坐標原點的距離。

拋光墊表面線速度v2可表示為：

v2=ω2 4x2+z2

式中：ω2為拋光墊角速度。

在整個UCMP過程中，碳化硅晶片吸附在拋光工具頭的下端面，將隨拋光工具頭在y軸方向上實現(xiàn)往復的正弦運動，其位移方程s可表示為：

s=AX sin（ω·t+ψ）（3）

式中：A為超聲振幅；ω=2πf，f為超聲頻率；ψ為初始相位角。

對位移方程微分可得到速度方程vy：

vy==ω·A·cos（ω·t+ψ）（4）

另外，晶片在拋光工具頭的帶動下在軸向做高頻振動，不斷將動能傳遞給磨粒，使磨粒獲得z方向的初始速度vz。但由于流體黏度等固有屬性的影響，流體速度v'在傳輸過程中衰減，其衰減方程[26]為：

v、=v·e一βτ（5）

式中：β為黏度與速度之間的影響系數(shù)，τ為速度源與流體之間的距離。

根據(jù)式（5），vz可表示為：

vz=ω·A·cos（ω·t+φ）·e一βτ（6）

因此，z方向上的加速度az可通過對速度方程求導得到：

az==一ω2·A·sin（ω·t+φ）·e一βτ（7）

以拋光墊的旋轉作參考時，任意一點的速度方程v?為：

以晶片作參考時，任意一點的速度方程vc為：

vc（x，y，z）=ω1è（x+L）2+z2·e一βτ（9）

經(jīng)過上述理論分析，確認超聲振動對拋光液流場產(chǎn)生了周期性動態(tài)效應，但這些具體效應在實驗中無法直接觀察到。因此，采用CFD仿真可對超聲拋光過程中的流場行為進行模擬，并分析在不同參數(shù)下拋光液的速度和壓力[29]。流體流動通常分為層流和湍流2種。研究表明[29]：當雷諾數(shù)Re超過臨界值時，流體處于不規(guī)則狀態(tài)，導致其局部速度、壓力等物理性質(zhì)無規(guī)律波動，這稱為湍流；否則，其表現(xiàn)為層流。所以，在模擬中正確選擇湍流模型至關重要。

1.2碳化硅UCMP的湍流模型選擇

在廣泛應用的CFD仿真軟件COMSOL中，用戶可以選擇多種流體動力學接口來模擬流體的湍流行為，包括單相流、兩相流和三相流等。值得注意的是，所有流體接口中用到的湍流底層方程都是k?ε模型，且有2種不同細分的類型：Standard（標準）和Realiz-able（可實現(xiàn)）模型。SHAHEED等[30]分析了標準k?ε模型和可實現(xiàn)k?ε模型在彎道和合流道中的差異，結果表明：標準k?ε模型在彎曲通道中表現(xiàn)較好，而可實現(xiàn)k?ε模型在匯合通道中的表現(xiàn)較好。鑒于可實現(xiàn)k?ε模型能夠準確考慮湍流的物理特性，因此在進行拋光流體動力學仿真時，選擇可實現(xiàn)k?ε模型為相應的湍流模型。

可實現(xiàn)k?ε湍流模型方程為：

式中：xn、xm為位置矢量；vn為速度矢量；ρ為液體密度；k為湍流動能；μ為分子黏度；μt為湍流黏性系數(shù)；σk為常數(shù)，σk=1.0；Gk表示平均速度梯度引起的湍流動能；Gb是由浮力產(chǎn)生的湍流動能；YM表示可壓縮湍流中波動膨脹對總耗散率的貢獻；ε為湍流動能耗散率；σε為湍流動能耗散率普朗特數(shù)，σε=1.2；E為源項；v為平行于重力方向的速度分量；C1ε、C2、C3ε均為常數(shù)；Sk和Sε是用戶定義的源項。

式中C1為：

C1=max 0.43，，η=S，S=√2SijSij（12）

其中：Sij為應變變化率張量。

2實際模型建立

研究中采用COMSOL Multiphysics對碳化硅UCMP過程的拋光流場進行CFD仿真，旨在探究超聲頻率、超聲振幅、液膜厚度等因素對拋光流場的影響[31]。COMSOL以其多物理場性、多尺度仿真、用戶友好性、可生成高級網(wǎng)格、多物理模型和求解器以及可并行計算等優(yōu)勢，為深入分析這些因素對拋光流場內(nèi)流體壓力場、速度場等的影響提供了有力支持，從而為更全面理解碳化硅的UCMP過程提供了強大的仿真工具[32]。

為了探究超聲振動對碳化硅UCMP過程的影響，首先要對拋光流場進行研究。圖3為超聲拋光流場示意圖。圖3的碳化硅晶片在超聲工具頭的引導下，進行縱向往復的周期性正弦振動，激發(fā)拋光液流場擾動，引發(fā)空化效應，從而在微射流的微沖擊作用下，加速對工件表面氧化層的機械去除過程。

為節(jié)省計算資源，本研究采用COMSOL中的二維軸對稱建模方法[33]。超聲拋光二維流場示意圖如圖4所示。在流體流動模塊中，選擇可實現(xiàn)k?ε湍流模型為仿真計算的基礎。模型中的超聲振動為工具頭帶動的晶片在薄膜流體中的高頻正弦振動，AB與EF設置為壓力出口，BC、CD和DE為工具頭帶動的碳化硅晶片，且BC、DE設置為變形壁，CD設置為移動壁。晶片振動采用的動網(wǎng)格設置速度為：

v1=ω·A·sin（ω·t）（13）

同時，圖4的其他壁均設置為固定壁。由于流場的液膜厚度為微米級，故不考慮重力作用。選擇自由四面體進行網(wǎng)格劃分，并對劃分區(qū)域進行邊界層設置。用網(wǎng)格劃分模塊對建好的幾何模型進行網(wǎng)格劃分，并采用自動網(wǎng)格劃分方法，此方法會自行評估幾何模型和數(shù)學模型的繁瑣程度且完成網(wǎng)格生成。拋光流場網(wǎng)格劃分示意圖如圖5所示。由于拋光液膜厚度僅有30μm，為避免網(wǎng)格質(zhì)量太差出現(xiàn)結果失真問題，故采用自動網(wǎng)格劃分方法。

3仿真結果及分析

除CMP參數(shù)外，UCMP初始流場參數(shù)設置是超聲振幅為2μm，超聲頻率為20 kHz，液膜厚度為30μm，流場選擇為水，通過迭代計算，對流場收斂穩(wěn)定后的流場特性（初始流場速度、初始流場壓力）進行分析。并給出如表1所示的參數(shù)進行單因素試驗，探究不同超聲振幅、超聲頻率及液膜厚度下的流場特性。

3.1初始流場速度與壓力分析

3.1.1初始流場速度分析

在初始流場參數(shù)下，1個周期內(nèi)（T）的速度流線圖如圖6所示，其反映了超聲振動作用下平面流場中任意一點的速度波動情況。由圖6可知：

（1）在0～T/4周期內(nèi)，晶片從初始位置向最高點移動，其周圍的拋光液向晶片下方流動并在其中心聚集。同時，拋光液中的磨粒也隨著流場的運動向晶片下方移動。在此段時間內(nèi)，流場呈現(xiàn)出有規(guī)律的運動狀態(tài)。

（2）在T/4～T/2周期內(nèi)，晶片從最高位置向中心位置移動，超聲振動頭帶動晶片對流場進行壓縮。在此過程中，流場受到了明顯地擾動，晶片向下運動導致流場產(chǎn)生了明顯的橫向剪切流動。這種流動加劇了游離磨粒的運動，并對晶片的下表面進行機械去除，從而增加了材料去除率。

（3）在T/2～3T/4周期內(nèi)，晶片從中心位置向最低位置移動，超聲振動頭帶動晶片對流場進行進一步壓縮，促使流場速度達到最大值。這一過程中，中心拋光液向兩側擠壓，形成與（1）類似的流場。

（4）在3T/4～T周期內(nèi)，晶片從最低位置向中心平衡位置移動，其上升速度達到最大值，此時流場速度較小，整個流場呈現(xiàn)出較為平緩的狀態(tài)。

3.1.2初始流場壓力分析

在所給的初始流場參數(shù)下，1個周期內(nèi)的壓力云圖如圖7所示。圖7的流場壓力呈現(xiàn)正負壓交替變化的規(guī)律，特別是晶片下方的壓力值變化明顯，且圖7a和圖7d中顯示為負壓區(qū)。超聲振動引發(fā)液體局部產(chǎn)生拉應力，壓力降低使溶于液體中的氣體過飽和而從液體逸出，導致微小真空氣泡生成。這一現(xiàn)象與晶片從初始位置向最高點及從最低位置向中心平衡位置的運動相對應，流場整體運動呈現(xiàn)平緩狀態(tài)。圖7b和圖7c中顯示為正壓區(qū)，即微小氣泡在壓力作用下突然閉合，在閉合過程中產(chǎn)生的微射流作用于工件，從而達到機械去除的作用。這與晶片從最高位置向中心位置移動和從中心位置向最低位置移動相對應，其流場運動加劇。

任意一點在1個周期內(nèi)的壓力分布如圖8所示。由圖8可知：T/4、T時為負壓區(qū)，此時流場內(nèi)液體流向晶片下方；T/2、3T/4時為正壓區(qū)，空泡潰滅產(chǎn)生局部高壓，使流場運動加劇。總體上，流場壓力表現(xiàn)為正弦式周期性變化。

3.2液膜厚度對流場的影響

在T/2時刻，當超聲頻率為20 kHz、超聲振幅為2μm時的初始狀態(tài)下，觀察到距離中心18 mm位置處的不同液膜厚度對最大速度產(chǎn)生影響。圖9為初始狀態(tài)下不同液膜厚度時的最大速度。由圖9可知：流場的最大速度隨著液膜厚度的減小而增加，這有利于微磨粒隨拋光流場的整體流動。具體而言，30、40和50μm液膜厚度下的流場最大速度分別為105.68、93.46和84.28 m/s。

對3種不同的液膜厚度設置了相同的初始參數(shù)，觀察不同液膜厚度在T/4時刻的最大壓力分布，結果如圖10所示。圖11為不同液膜厚度下晶片表面沿x軸的壓力分布。從圖10可以看出：液膜厚度與流場最大壓力呈負相關，即液膜越厚，整體流場最大壓力越小，不利于提升整體拋光效率。此外，由圖11得出：不同液膜厚度下的壓力分布總體上表現(xiàn)為前半個周期是正弦函數(shù)的變化趨勢，且試件中心處的壓力增加是由于液膜厚度較小所導致的；進而導致拋光表面的平均壓力增加，促使微磨粒具有更規(guī)則的運動趨勢及更快的拋光速度。總之，減小液膜厚度可以增加試件中心處的壓力。

綜合考慮速度和壓力對拋光效果的影響，來確定最佳液膜厚度。在速度方面，流場中流體最大速度隨液膜厚度減小而增加，較小的液膜厚度有利于微磨粒在拋光流場中的整體流動。在壓力方面，液膜厚度與流場最大壓力呈負相關，液膜厚度越小，流場最大壓力越大，越有利于提升拋光效率，且不同液膜厚度下的壓力分布呈前半個周期為正弦函數(shù)的變化趨勢，液膜厚度較小可使試件中心處壓力增加，促使微磨粒有更規(guī)則的運動趨勢和更快的拋光速度。因此，綜合來看，30μm的液膜厚度最佳，此液膜厚度下可獲得較快的流體速度和較大的壓力，有助于提升整體拋光效率。

3.3超聲振幅對流場的影響

在T/2時刻，研究超聲頻率為20 kHz和液膜厚度為30μm的初始狀態(tài)時，不同超聲振幅對晶片表面最大速度的影響。為此，將超聲振幅設置為2、4和6μm，進行參數(shù)化掃描，觀察其對流場的影響。圖12為初始狀態(tài)下不同超聲振幅時的最大速度。從圖12中可以看出：隨著超聲振幅增加，晶片表面流場的最大速度也逐漸增加；當超聲振幅達到6μm時，最大速度達到了324.10 m/s。因此，晶片表面的流場速度隨著超聲振幅的增大而增大。

圖13為初始狀態(tài)下不同超聲振幅時的最大壓力。如圖13所示：隨著超聲振幅增大，晶片下表面流場的最大壓力也逐漸增大，當超聲振幅為6μm時最大壓力為177.00 MPa。

綜合速度和壓力2方面因素，6μm的超聲振幅可使晶片表面流場的速度和壓力達到最大，更有利于相關工藝的高效進行，故6μm為最佳超聲振幅。

3.4超聲頻率對流場的影響

由于不同超聲頻率對應的振動周期不同，所以取與之對應的T/2時刻，研究超聲振幅為6μm、液膜厚度為30μm的初始狀態(tài)下，不同超聲頻率對晶片表面流場最大速度及最大壓力的影響，設置的超聲頻率分別為20、30和40 kHz。圖14為不同超聲頻率下的最大速度。從圖14中可以看出：隨著超聲頻率增大，晶片表面流場的最大速度也逐漸增加；當超聲頻率達到40 kHz時，最大速度達到了698.20 m/s。因此，晶片表面的流場速度隨著超聲頻率的增大而增大。

圖15為不同頻率下晶片表面流場的最大壓力。圖15中：隨著超聲頻率增大，晶片下表面流場的最大壓力也逐漸增大，當超聲頻率為40 kHz時最大壓力為

在各周期的T/2時刻，綜合速度和壓力2方面因素，速度和壓力均隨超聲頻率增大而增大，當超聲頻率為40 kHz時最大速度達698.20 m/s、最大壓力達1 580.00 MPa。因此，40 kHz為最佳超聲頻率，可提供最優(yōu)流場條件。

總之，在對UCMP超聲參數(shù)的研究中，經(jīng)分析確定的最佳參數(shù)組合是液膜厚度為30μm，超聲振幅為6μm，超聲頻率為40 kHz。此時的流場流速最大、流場壓力最大，有利于微磨粒流動并提升拋光效率，碳化硅晶片可獲得高質(zhì)量拋光效果。

4試驗驗證

為了驗證UCMP最佳參數(shù)的有效性，開展碳化硅晶片的CMP和UCMP試驗，得到2種條件下的晶片拋光材料去除率和表面粗糙度，并比較拋光后碳化硅晶片的表面形貌。

4.1試驗材料及方法

CMP試驗前，將碳化硅晶片經(jīng)酒精、去離子水超聲清洗各20 min，之后用烘干箱干燥待用。然后把玻璃盤加熱到100℃左右，將石蠟均勻涂抹在玻璃盤上，再將晶片黏附在玻璃盤上，待冷卻后將玻璃盤通過真空泵吸附在工具頭上。

在進行拋光試驗時，打開拋光機電子操控面板設置拋光參數(shù)，通過蠕動泵精確控制拋光液流量。拋光完成后，將玻璃盤置于加熱臺加熱，石蠟熔化后取下晶片，用酒精、去離子水超聲清洗20 min后，再吹干待測。每次試驗完成后要修整拋光墊，且使用去離子水沖洗拋光墊，才能進行下次試驗。

碳化硅的UCMP是在CMP的基礎上加上超聲振動過程完成的，是在保持CMP所有材料、參數(shù)、條件等不變的前提下，只改變超聲參數(shù)來進行的。另外，UCMP的拋光過程與CMP的大致相同，區(qū)別是CMP用晶片黏在玻璃盤上，而UCMP是將晶片黏在超聲振動裝置下的不銹鋼片上，后將其旋擰入超聲振動頭里。

前期的研究表明，碳化硅的CMP最佳工藝參數(shù)組合如表2所示。

碳化硅拋光試驗設備為集成了超聲振動發(fā)生裝置的拋光機，拋光機主體為沈陽科晶自動化設備有限公司生產(chǎn)的UNIPOL-1203化學機械磨拋機，如圖16所示。UCMP加工時，超聲振動被施加到工件夾具上，然后傳輸?shù)焦ぜ希暡òl(fā)生器能夠提供不同頻率和不同振幅的超聲振動。CMP加工時，不施加超聲振動，即超聲振動的頻率和振幅為0。

拋光用碳化硅晶圓為中電科風華信息裝備股份有限公司生產(chǎn)的4英寸（101.6 mm）襯底，其材料特性參數(shù)見表3[27]。為方便試驗，將碳化硅晶圓切割為10 mm×10 mm×1 mm的方形晶片，如圖17所示。

碳化硅晶片表面粗糙度由LEXT OLS500三維激光共聚焦顯微鏡測量（圖18a）；圖18b為碳化硅晶片原始形貌，測得其表面粗糙度為34 nm。拋光液選用沈陽科晶公司生產(chǎn)的SiO2懸浮拋光液，其主要成分為SiO2磨料，磨料粒徑為80 nm，磨料質(zhì)量分數(shù)為5%。選用沈陽科晶公司生產(chǎn)的聚氨酯拋光墊，其直徑為300 mm，表面形貌如圖19所示。拋光時工件為隨機運動，且隨著拋光盤轉動。

試驗根據(jù)碳化硅晶片拋光時有無超聲振動分為2組，其拋光時間均為1 h，且除超聲參數(shù)外其余參數(shù)一致，以探究超聲振動對碳化硅晶片表面粗糙度Ra和材料去除率RMRR的影響。每組試驗結束后對碳化硅晶片進行清洗和干燥，通過激光共聚焦顯微鏡觀察其表面形貌并測量其表面粗糙度。晶片質(zhì)量由精度為0.000 1 g的電子天平（FA1004N，蘇珀儀器，中國）稱量。其RMRR計算式為：

RMRR=×109（14）

式中：RMRR為材料去除率，nm/h；M為碳化硅工件去除量，kg；ρ1為碳化硅密度，kg/m3；S1工件面積，m2；t為拋光時間，h。

4.2試驗結果及分析

圖20為拋光后碳化硅表面形貌。圖20a的CMP后碳化硅表面有大量劃痕和坑洞，是常規(guī)CMP時流體域內(nèi)磨粒對工件去除效率低、拋光液中磨粒聚集、流動性差等因素導致的。圖20b的UCMP后碳化硅表面劃痕和坑洞明顯消除，且拋光后表面呈亮白色，光潔度明顯提升，原因是超聲振動產(chǎn)生的空化效應有利于其表面形貌改善。

圖21顯示了2種工藝拋光后碳化硅晶片的材料去除率和表面粗糙度。如圖21所示：CMP后的材料去除率和表面粗糙度分別為134.56 nm/h和23.0 nm，UCMP后的材料去除率和表面粗糙度分別為324.23 nm/h和3.2 nm。因此，與CMP相比，UCMP可獲得更好的拋光質(zhì)量與更高的材料去除率。

5結論

為探究超聲振動對碳化硅UCMP液流場的作用機制，使用CFD方法，研究超聲振動、超聲頻率、液膜厚度等多個因素對流體流動的影響，并試驗探究超聲振動對碳化硅晶片表面粗糙度Ra和材料去除率RMRR的影響，得出以下結論：

（1）碳化硅晶片拋光過程分為4個階段：晶片由初始位置向上運動，形成聚集磨粒的有序流場；晶片壓縮流場，形成擾動性橫向剪切流動，增加材料去除率；晶片由中心向下運動，形成速度最大的流場；晶片回到中心平衡位置，流場趨于平緩。

（2）相比于液膜厚度、超聲振幅，超聲頻率對流場的增益更為顯著。隨著超聲頻率增加，流場速度、壓力明顯增長。當超聲頻率為40 kHz時，最大速度為698.20 m/s，最大壓力為1 580.00 MPa。

（3）與CMP相比，UCMP后的碳化硅晶片拋光質(zhì)量和效率顯著提升，其表面粗糙度和材料去除率分別達到3.2 nm和324.23 nm/h。

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作者簡介

通信作者：葉林征，男，1990年生，博士、教授。主要研究方向：精密與特種加工技術。

E-mail：yelinzheng@nuc.edu.cn

（編輯：周萬里）

Analysis of flow field characteristics of silicon carbide CMP under ultrasonic action

WANG Zexiao1，2，YE Linzheng1，2，ZHU Xijing1，2，LIU Yao1，2，CHUAI Shida1，2，LV Boyang1，2，WANG Dong3

（1.College of Mechanical Engineering，North University of China，Taiyuan 038507，China）

（2.Shanxi Key Laboratory of Advanced Manufacturing Technology，Taiyuan 038507，China）

（3.Department of Engineering，F(xiàn)aculty of Environment，Science and Economy，University of Exeter，Exeter EX4 4QF，UK）

Abstract Objectives：Silicon carbide faces challenges such as low polishing efficiency and poor surface quality dur-ing processing.The ultrasonic-assisted CMP（UCMP）processing technology is used to smooth and non-destructive pol-ishing the SiC surface，and the influence of ultrasonic assistance on the CMP flow field is deeply investigated in order to improve the polishing effect of SiC.Methods：（1）COMSOL Multiphysics is used to conduct CFD simulation on the polishing flow field of the silicon carbide UCMP process，aiming to explore the influences of factors such as ultrasonic frequency，ultrasonic amplitude，and liquid film thickness on the polishing flow field.A model is constructed to study the polishing flow field characteristics under ultrasonic vibration，based on an achievable k?εmodel to analyze the pol-ishing flow field characteristics under ultrasonic action.（2）The influences of ultrasonic frequency，ultrasonic amplitude，and liquid film thickness on velocity and pressure in the polishing flow field are studied by the finite element method.（3）The CMP and UCMP comparative experiments are conducted to compare the polishing effects of SiC wafers under the two processes.Results：The ultrasonic frequency has a significant impact on the flow field of the polishing solution，and it has a significant promoting effect on the flow field of the polishing solution.As the ultrasound frequency in-creases from 20 kHz to 40 kHz，the maximum velocity of the flow field increases from 324.10 m/s to 698.20 m/s，and the maximum pressure increases from 177.00 MPa to 1 580.00 MPa.Compared with CMP，the polishing quality of the SiC wafer after UCMP is better，with a minimum surface roughness Ra of 3.2 nm and a higher material removal rate of 324.23 nm/h.Conclusions：The UCMP process is used to process the SiC surface，and the positive effect of ultrasound-assisted polishing flow field is verified through theoretical analysis and experimental verification.The relationship between the ultrasonic frequency and the polishing flow field characteristics has been clarified，providing data support for further optimizing UCMP process parameters.The UCMP process has significant advantages in improving the pol-ishing quality and material removal rate of SiC，and is expected to be widely applied in the field of silicon carbide ma-terial processing.Further research can be conducted on the influence of other factors on the UCMP process effect to achieve more ideal processing results.

Key words ultrasound assisted；silicon carbide；fluid dynamics simulation；chemical mechanical polishing（CMP）