氟等离子体辐照下碳化硅表面富碳纳米突起的原子尺度形成与选择性去除机理

《JOURNAL OF MATERIALS PROCESSING TECHNOLOGY》：Atomic-Scale Mechanisms of Carbon-Rich Nanoprotrusion Formation and Selective Removal on SiC under Fluorine Plasma Irradiation

　　

• 提出了一种SF6 CCP等离子体辅助软磨料剪切增稠抛光工艺，用于加工4H-SiC。
• ReaxFF分子动力学模拟揭示了Si优先氟化、SiFx脱附及C原子重构过程。
• 在0.20–0.35 μm/min的材料去除率窗口内，形成了可去除的富碳纳米突起和可控的改性层。
• 透射电镜证实了30–50 nm近表面改性层的选择性、高效、低损伤去除。

引言
碳化硅（SiC）凭借其宽禁带、高热导率、高击穿电场和优异的热稳定性，已成为下一代电力电子器件的关键材料[1], [2]。然而，SiC基器件的性能和可靠性对衬底表面和界面区域的原子尺度结构和完整性极为敏感[3]。即使微小的表面缺陷或结构无序也会显著增加界面态密度，引发漏电流并降低器件寿命[4]。因此，实现原子级光滑且低损伤的SiC表面仍然是先进半导体制造中的关键科学与技术挑战[5]。

由于碳化硅（SiC）具有高硬度、强共价键和优异化学惰性，其加工极为困难。传统研磨和抛光往往会导致表面划痕、亚表面损伤和残余应力[6], [7]。化学机械抛光（CMP）仍是平面化SiC晶圆和获得原子级光滑表面的主流技术[8], [9]。然而，该技术仍面临诸多挑战，包括对基于氧化的化学体系的强烈依赖[10]、较低的材料去除率（通常低于1 μm/h）[11]，以及对亚表面损伤的敏感性，这阻碍了真正的无损伤加工[12]。这些局限性促使人们发展非接触式、高效且低损伤的SiC表面加工技术。

基于等离子体的加工已成为SiC制造和精加工的重要非接触路线[13]，涵盖等离子体刻蚀、等离子体辅助抛光、等离子体氧化和表面改性[14]。各种等离子体源，包括电感耦合等离子体（ICP）、电容耦合等离子体（CCP）、微波等离子体和大气压等离子体，均已被用于SiC加工[5], [15]，而基于O2、Ar、CF4、SF6和Cl2的化学体系则被广泛用于调控氧化反应、离子辅助溅射和挥发性产物生成[16]。现有研究主要关注材料去除率、表面粗糙度、刻蚀选择性和轮廓各向异性。相比之下，等离子体照射过程中表面成分和键合结构的原子尺度演化仍然知之甚少。

在各种等离子体系统中，CCP源因其低成本和产生大面积均匀等离子体的能力，已被广泛应用于等离子体刻蚀、沉积和等离子体辅助制造[17], [18]。等离子体刻蚀高度依赖于气体化学[19]。含氟气体被广泛用于硅基材料，因为氟自由基容易与表面原子形成挥发性氟化物[20]。在相同的CCP条件下，进料气体的分子结构和解离特性决定了离子/自由基组成及相关表面反应[21]。凭借其高电负性、高效解离和快速刻蚀能力，SF6是一种有效的氟等离子体源[22]，因此本研究选用其作为前驱体。

氟等离子体处理SiC可诱导选择性表面反应[23]。已有报道指出，基于SF6的ICP刻蚀可在刻蚀沟槽底部产生富碳层[24]。然而，在CCP条件下是否会出现类似的碳富集、聚集和结构重构仍不清楚。尽管在氟等离子体加工SiC过程中已观察到富碳层，但与Si去除、碳富集及C-C重构相关的局部反应路径仍未被完全阐明[25]。ReaxFF反应分子动力学能够显式捕捉非平衡等离子体-表面反应中的键断裂与形成过程[26]，已成功应用于硅基材料的氧化、表面改性和化学机械抛光研究[27]。因此，该方法非常适合解析氟照射SiC的瞬态化学反应。此前研究主要涉及SiC表面改性[28]、刻蚀行为以及辐照诱导损伤[29], [30]。然而，富碳改性层的形成及其对加工的影响，特别是加工诱导特征对其发展的影响，仍未得到充分理解。

氟等离子体辐照可实现较高的刻蚀速率；然而，这往往伴随着不同程度的表面形貌质量退化[31]。为解决这一问题，本研究通过调控氟等离子体处理条件，在可控加工窗口内生成改性表面层。观察到的富碳纳米突起被认为是这种中间改性状态的标志，随后通过软磨料剪切增稠抛光将其去除。随后引入剪切增稠抛光（STP）作为后处理步骤。该技术采用具有剪切增稠行为的非牛顿幂律流体作为抛光介质。在加工过程中，抛光浆料与工件表面之间的相对运动导致局部剪切率显著升高，从而触发瞬态粘度激增和粒子簇的形成[32]。因此，磨料颗粒在界面处呈现自适应的类固化受限状态，实现高效且低损伤的材料去除[33]。

本研究旨在开发一种高效、低损伤的处理策略，用于处理4H-SiC的机械影响表面层。首先采用SF6 CCP辐照快速衰减实验室抛光预处理中引入的残余加工特征，并将近表面区域转变为具有高度可去除性的有限厚度改性层。随后通过软磨料剪切增稠抛光选择性地去除该改性层，同时最大限度地减少底层单晶SiC衬底中新加工损伤的产生。整体工艺提供了比传统机械抛光更高的材料去除率，能够快速去除初始抛光引入的特征，同时产生高质量、低损伤的表面。在ReaxFF分子动力学模拟中，构建了包含平面和沟槽表面以及晶体或非晶初始结构的四模型框架，以分离表面几何形态和结构无序的影响。模拟揭示了一个定性原子尺度趋势：Si优先氟化和SiFx形成诱导了近表面碳富集，而几何配位不足的位置和局部结构无序影响了Si去除路径和碳再键合的空间倾向。

各节摘要

4H-SiC上的SF6等离子体辐照实验
使用电容耦合等离子体（CCP）系统在4H-SiC衬底上进行了氟等离子体辐照实验。对在不同辐照条件下处理的样品进行了表征，以获得表面形貌、元素分布和化学键合状态的多尺度信息。将这些实验观测结果与ReaxFF计算所得的定性反应趋势进行了对比。对比仅限于Si方面的共同趋势。

在受控SiC表面模型上的参数化原子尺度反应趋势
所有四个模型在规定的入射能量1、5、20和50 eV下均模拟了50 ps。量化了源自SiC衬底的脱附分子物种数目和从表面去除的Si原子数目。图4展示了Grooved-Crystalline模型在1、5和50 eV下的代表性最终构型，以及四个模型在整个模拟过程中生成的SiFx物种数目和去除的Si原子数目。柱状图表示三个…的平均值。

讨论
在本研究中，等离子体处理被用于快速改性机械影响表面层，衰减预存加工痕迹并产生一层具有富碳突起的有限厚度非晶改性层。随后通过软磨料抛光在短时间内去除了该改性层，而相同条件下未辐照SiC的材料去除量低于轮廓仪的检测限。因此，富碳突起…

结论
本研究提出了一种将SF6 CCP辐照与软磨料剪切增稠抛光相结合的顺序加工工艺，用于快速改性和选择性去除4H-SiC的机械影响表面层。通过多尺度实验确定了表面形貌、成分、改性层厚度及去除行为，同时利用四个受控ReaxFF模型对局部几何形态和结构无序对F诱导…的影响进行了定性评估。

作者贡献声明（CRediT）
Xu Wang：撰写–审阅与编辑，监督，概念构思。Yunxiao Han：资源。Jiahuan Wang：验证。Binghai Lyu：方法学。Jiahao Sun：验证，调查。Zhiyun Yu：调查。Zhuohao Dai：验证。Yulu Yang：验证。Qitian Yu：撰写–初稿，可视化，验证，方法学，调查，形式分析，数据整理，概念构思。Julong Yuan：撰写–审阅与编辑，资金获取。

利益冲突声明
作者声明不存在已知的可能影响本文所报告工作的竞争性经济利益或个人关系。

致谢
本研究得到浙江省自然科学基金（LMS25E050009）、浙江省"尖兵""领雁"研发攻关计划（2025C01077）、国家自然科学基金（52505528, U24A20124）以及浙江省科学技术厅（项目编号2025E10014, 2026ZY01001）的资助。

Qitian Yu|Jiahao Sun|Zhiyun Yu|Zhuohao Dai|Yulu Yang|Xu Wang|Yunxiao Han|Jiahuan Wang|Binghai Lyu|Julong Yuan