突破传统束缚：环保盐溶液助力单晶硅固定磨料化学机械抛光新飞跃

在半导体制造中，单晶硅抛光至关重要，传统化学机械抛光（CMP）成本高且不环保。研究人员开展了用环保盐溶液的固定磨料 CMP（FACMP）研究。结果显示，Na2CO3溶液效果最佳，可提高抛光效率。该研究为半导体材料抛光提供新方向。

　　在半导体领域，单晶硅（Si）凭借其优良的电学、热学和化学性能，广泛应用于电子、光学、电池等众多关键领域。在这些应用场景中，单晶硅组件的表面质量起着决定性作用，如硅片和硅镜，必须具备超光滑且近乎无损伤的表面，因为哪怕极其微小的表面粗糙度变化，都可能对电子设备的性能、光学器件的成像质量等产生显著影响。所以，抛光成为单晶硅组件制造过程中不可或缺的关键环节。

化学机械抛光（CMP）作为当前成熟且广泛应用于硅片抛光的技术，在工业生产中占据重要地位。它借助含有化学物质和磨料颗粒的抛光液，先将硅表面改性为柔软的氧化层，随后去除这一氧化层，以此实现硅片表面的高精度抛光。然而，传统 CMP 使用的化学物质，像过氧化氢（H₂O₂）、硝酸（HNO₃）、氢氧化钠（NaOH）等，虽然氧化能力强，但却带来了一系列棘手的环境问题，大大增加了废弃物处理成本。此外，抛光液的使用还伴随着管理成本的增加，包括循环过滤、防止沉淀和团聚等方面的成本。

为了解决传统 CMP 的这些弊端，科研人员不断探索，提出了多种新型抛光方法，如机械化学抛光（MCP）、催化蚀刻（CARE）和基于等离子体的原子选择蚀刻（PASE）。但这些方法也都存在各自的局限性。MCP 的抛光效果与传统 CMP 相比不够理想；CARE 常使用危险且昂贵的氢氟酸，材料去除率（MRR）较低；PASE 则需要复杂的路径规划扫描，且高温易导致大尺寸硅片开裂。同时，无抛光液的 CMP 研究也在进行中，固定磨料化学机械抛光（FACMP）就是其中之一，虽然它具有一定潜力，但抛光效率有待进一步提升。

在此背景下，来自国内研究机构的研究人员开展了一项极具意义的研究。他们提出了一种使用环保盐溶液的 FACMP 方法，旨在提高单晶硅的抛光效率，同时降低成本并减少对环境的影响。该研究成果发表在《Applied Surface Science》上，为半导体材料抛光领域带来了新的突破。

研究人员主要运用了以下关键技术方法：一是进行表面改性和抛光实验，将硅片浸泡在不同溶液中观察表面变化，并对 4 英寸硅片进行抛光实验以研究抛光性能；二是借助分子动力学（MD）模拟，从微观层面深入探究硅表面在不同盐溶液中的改性和蚀刻机制。

液体类型对硅片表面改性的影响

研究人员将尺寸为 20×20mm²的硅片分别浸入超纯水、0.2mol/L 的 NaCl 水溶液和 0.2mol/L 的 Na₂CO₃水溶液中 48 小时。结果发现，浸入超纯水或 NaCl 水溶液的硅片表面无明显变化，而浸入 Na₂CO₃水溶液的硅片，其表面颜色和形态均发生了显著改变。这表明 Na₂CO₃水溶液对硅片表面改性效果明显。

硅片在不同溶液中的蚀刻情况

通过进一步研究发现，在 Na₂CO₃水溶液中，硅片表面发生了蚀刻现象，蚀刻速率达到 0.14μm/h，且 CO₃^2–离子参与了硅表面的改性和蚀刻过程。这一结果为解释 Na₂CO₃水溶液对硅片表面改性的特殊作用提供了关键依据。

不同溶液中 4 英寸硅片的抛光性能

研究人员对 4 英寸硅片在三种溶液中进行 FACMP 实验，结果显示，在 Na₂CO₃水溶液中获得了最高的材料去除率，达到 4.252μm/h。这一数据充分证明了 Na₂CO₃水溶液在提高硅片抛光效率方面的显著优势。

研究结论和讨论

该研究通过实验分析和分子动力学模拟，深入探究了单晶硅在不同盐溶液中的表面改性特性和机制，并通过抛光实验研究了其抛光性能。研究表明，在超纯水、NaCl 水溶液和 Na₂CO₃水溶液中，硅表面均发生了改性，主要是氧化作用，其中 Na₂CO₃水溶液的改性效果最为显著，蚀刻速率和材料去除率均较高。这一研究成果为实现低成本、高效率、环保的硅片乃至其他半导体材料抛光方法提供了可行途径，具有重要的理论意义和实际应用价值。它为半导体制造行业在降低成本、减少环境污染的同时提高生产效率提供了新的思路和技术支持，有望推动半导体材料抛光技术的进一步发展和革新。