【引言】
碳化硅（SiC）作为外延石墨烯的衬底材料对石墨烯的生长至关重要，在SiC不同晶面上生长的石墨烯具有不同的电子特性，因此选择不同晶面的SiC衬底生长石墨烯可以实现对石墨烯电学性质的调控。衬底表面粗糙度作为在SiC衬底上外延生长超高质量石墨烯的关键因素之一，表面需要达到原子级的平整度。然而由于SiC硬度高以及化学稳定性好导致其难以进行加工处理。本文提出了一种有效通用的方法，通过系统地研磨、机械抛光和化学机械抛光(CMP)处理，使得任意晶面SiC表面具有原子级平整度。另外，本文在不同晶面上得到了所需要求的粗糙度后详细讨论了不同晶面抛光过程中的现象和原理，这为后续不同电学性质石墨烯的生长以及半导体器件的加工提供了良好的基础。
【成果简介】
由于 SiC 的不同晶面具有不同的原子排列结构，在进行研磨和抛光过程中，本论文针对不同晶面逐个调节并优化了工艺参数使得不同晶面均达到原子级平整度。SiC的晶面取向决定了材料去除率(MRR)和抛光后的最终表面质量。通过对Si和C面的MRR机制进行了分析和探索，并根据此机制对(1-105) 面以一定参数进行抛光，使得(1-105)晶面的表面粗糙度低至0.06 nm以下。另外，我们对不同晶面研磨和抛光过程中的影响因素和原理进行讨论和分析，实验结果表明不同晶面在研磨、机械抛光和CMP过程中MRR不同。对于研磨和机械抛光过程，其MRR的主要决定因素为材料硬度，因此具有不同硬度的晶面其MRR也不相同，即：C面>Si面>(1-105)面。对于CMP过程，MRR和最终表面质量主要受硅原子与悬浮液的化学反应速率、抛光布的纤维质地和材料、悬浮液颗粒尺寸和流量以及抛光时间的影响。与Si面相比，(1-105)面由于表面具有更多的悬挂键，这导致其具有更高的化学活性，因此(1-105)面的MRR比Si面快近18倍。本论文研究结果表明，根据SiC不同晶面的不同物理和化学性质，可以有效调整工艺参数使任意晶面达到高质量石墨烯生长所需衬底的粗糙度要求。这一结果为碳化硅用于下一代宽带隙半导体和基于外延石墨烯的电子器件提供了研究基础并扩展了其应用前景。
【图文导读】
图 1 丝绸抛光布(a)和绒抛光布(b)的SEM图像。
图 2 CMP悬浮液中SiO2颗粒的SEM图像(a,b)。
图 3 Si面经过9h (a,b)二氧化硅悬浮液CMP后的AFM图。
图 4 N面（(1-105)面）经过25 min (a)和30 min (b)二氧化硅悬浮液CMP后的AFM图。
【文章题目】
A general strategy for polishing SiC wafers to atomic smoothness with arbitrary facets 论文通讯作者为马雷教授，第一作者为博士生纪佩璇。相关研究成果刊登于Materials Science in Semiconductor Processing 144 (2022) 106628. https://doi.org/10.1016/j.mssp.2022.106628
