基于Fe3O4/CeO2光催化芬顿反应的碳化硅晶圆化学机械抛光浆料及其作用机理研究

doi:10.16552/j.cnki.issn1001-1625.2026.0173

硅酸盐通报 ›› 2026, Vol. 45 ›› Issue (8): 2876-2881.DOI: 10.16552/j.cnki.issn1001-1625.2026.0173

基于Fe₃O₄/CeO₂光催化芬顿反应的碳化硅晶圆化学机械抛光浆料及其作用机理研究

李旺阳(), 吕功, 王凯悦()

太原科技大学材料科学与工程学院，太原 030024

收稿日期:2026-02-25 修订日期:2026-03-24 出版日期:2026-08-15 发布日期:2026-09-01
通信作者: 王凯悦，博士，教授。E-mail：wangkaiyue8@163.com
作者简介:李旺阳（2000—），男，硕士研究生。主要从事碳化硅化学机械抛光方面的研究。E-mail：liwy1228@163.com
基金资助:
山西省重点研发计划项目(202402030201003);山西省科技重大专项“揭榜挂帅”项目(202301030201001)

Fe₃O₄/CeO₂ Photocatalytic Fenton Reaction-Based Chemical Mechanical Polishing Slurry for Silicon Carbide Wafers and Its Mechanism

LI Wangyang(), LYU Gong, WANG Kaiyue()

School of Materials Science and Engineering，Taiyuan University of Science and Technology，Taiyuan 030024，China

Received:2026-02-25 Revised:2026-03-24 Published:2026-08-15 Online:2026-09-01

摘要/Abstract

摘要：

碳化硅（SiC）晶圆在航空航天、5G通信等领域应用广泛。化学机械抛光（CMP）是实现SiC晶圆超光滑表面的主要方法。然而，现有化学机械抛光浆料存在合成工艺复杂、成本高等问题。本研究通过构建Fe₃O₄/CeO₂光催化芬顿反应体系，开发了一种适用于SiC晶圆C面的高效化学机械抛光工艺。XPS价态分析结果表明，体系表面Fe³⁺/Fe²⁺之间形成的电子转移循环可有效促进羟基自由基的持续生成，进而增强对SiC表面的氧化作用。优化结果显示，光催化抛光浆料的材料去除率达到1 068 nm/h，抛光后表面粗糙度降低至0.2 nm。研究结果为SiC材料的高效、绿色超精密加工提供了新的思路。

关键词: 碳化硅, 四氧化三铁, 氧化铈, 芬顿反应, 化学机械抛光, 光催化

Abstract:

Silicon carbide （SiC） wafers， owing to their excellent physicochemical properties， are widely used in aerospace， 5G communications， and other fields. Chemical mechanical polishing （CMP） is an important method for achieving an ultra-smooth surface on SiC wafers. However， conventional polishing slurries still have drawbacks such as complex synthesis processes and high application costs. To address these issues， this study developed a Fe₃O₄/CeO₂ photocatalytic Fenton reaction system and an efficient CMP process suitable for the C-face of SiC wafers. SEM and AFM characterization results show that， after treatment with the photocatalytic polishing slurry， the surface quality of SiC is significantly improved， yielding an ultra-smooth surface. XPS valence-state analysis reveals that the electron transfer cycle formed between Fe³⁺/Fe²⁺ on the catalyst surface effectively promotes the continuous generation of hydroxyl radicals， thereby enhancing the oxidation of the SiC surface. Optimization results show that the material removal rate of the photocatalytic polishing slurry reaches 1 068 nm/h， while the surface roughness after polishing is reduced to 0.2 nm. These findings provide a new approach to the efficient， green， and ultra-precision machining of SiC materials.

Key words: SiC, Fe₃O₄, CeO₂, Fenton reaction, chemical mechanical polishing, photocatalyst

中图分类号:

TN305.2

李旺阳, 吕功, 王凯悦. 基于Fe₃O₄/CeO₂光催化芬顿反应的碳化硅晶圆化学机械抛光浆料及其作用机理研究[J]. 硅酸盐通报, 2026, 45(8): 2876-2881.

LI Wangyang, LYU Gong, WANG Kaiyue. Fe₃O₄/CeO₂ Photocatalytic Fenton Reaction-Based Chemical Mechanical Polishing Slurry for Silicon Carbide Wafers and Its Mechanism[J]. BULLETIN OF THE CHINESE CERAMIC SOCIETY, 2026, 45(8): 2876-2881.

图/表 6

图1 CMP工艺设备示意图

Fig.1 Schematic diagram of CMP device

图2 不同组分浓度对去除率及表面粗糙度的影响

Fig.2 Effects of different componet concentrations on MRR and Ra

图3 SiC晶圆CMP前后SEM照片

Fig.3 SEM images for SiC wafer before and after CMP

图4 AFM测量的CMP前后SiC表面2D形貌和3D形貌

Fig.4 2D， 3D morphology measured by AFM of SiC surface before and after CMP

图5 CMP 前后抛光浆料的XPS谱

Fig.5 XPS spectra of polishing slurry before and after CMP

图6 SiC CMP机理示意图

Fig.6 Schematic diagram of SiC CMP mechanism

参考文献 14

[1]	张天宇，王子睿，朱睿，等. 4H-SiC CMP中基于ReaxFF-MD的氧化去除机理［J］. 金刚石与磨料磨具工程， 2025， 45（6）： 846-855.
	ZHANG T Y， WANG Z R， ZHU R， et al. Oxidation removal mechanism based on ReaxFF-MD in 4H-SiC CMP［J］. Diamond & Abrasives Engineering， 2025， 45（6）： 846-855 （in Chinese）.
[2]	YANG S Y. Atomic-scale insights into the abrasive concentration effects on 6H-SiC removal in CMP［J］. Tribology International， 2026， 214： 111277.
[3]	王子睿，樊成，黄冬梅，等. 基于激光技术的硬脆材料SiC表面抛光的研究进展［J］. 激光与光电子学进展， 2024， 61（23）： 2300002.
	WANG Z R， FAN C， HUANG D M， et al. Research progress on polishing hard and brittle silicon-carbide material surfaces using laser technology［J］. Laser & Optoelectronics Progress， 2024， 61（23）： 2300002 （in Chinese）.
[4]	邓家云，潘继生，张棋翔，等. 单晶SiC基片的化学机械抛光技术研究进展［J］. 金刚石与磨料磨具工程， 2020， 40（1）： 79-91.
	DENG J Y， PAN J S， ZHANG Q X， et al. Research progress in chemical mechanical polishing of single crystal SiC substrates［J］. Diamond & Abrasives Engineering， 2020， 40（1）： 79-91 （in Chinese）.
[5]	阎秋生，徐少平，路家斌，等. 单晶SiC化学机械抛光液化学反应参数研究［J］. 机械设计与制造， 2017（9）： 98-100+104.
	YAN Q S， XU S P， LU J B， et al. Study on chemical reaction parameters of CMP solution for single-crystal SiC［J］. Machinery Design & Manufacture， 2017（9）： 98-100+104 （in Chinese）.
[6]	ZHANG P J， LEI H， ZHANG Z F， et al. Synthesis of Al₂O₃@MnO₂ composite abrasives and their chemical mechanical polishing performance on silicon carbide （SiC）［J］. Ceramics International， 2024， 50（11）： 19935-19944.
[7]	CUI D X， ZHANG B G， XIAN W H， et al. Comparative study on MnO₂， Mn₂O₃， and Mn₃O₄： Enhancing chemical-mechanical polishing properties of 4H-SiC silicon wafers［J］. Materials Science in Semiconductor Processing， 2025， 191： 109359.
[8]	SHEN Y， WANG H X， GUO X G， et al. Environment-friendly chemical mechanical polishing using NaHCO₃-activated H₂O₂ slurry for highly efficient finishing of 4H-SiC （0001） surface［J］. Journal of Manufacturing Processes， 2024， 109： 213-221.
[9]	LI Y Z， WU L， WANG K K， et al. Nitrogen-rich conjugated microporous polymers with improved cobalt （II） density for highly efficient electrocatalytic oxygen evolution［J］. ACS Applied Materials & Interfaces， 2024， 16（7）： 8903-8912.
[10]	田宇星，李雪芝，杨帅波. 选区激光熔化制备的多孔钛电解质等离子抛光工艺研究［J］. 电镀与涂饰， 2025， 44（6）： 76-86.
	TIAN Y X， LI X Z， YANG S B. Plasma electrolytic polishing of porous titanium prepared by selective laser melting［J］. Electroplating & Finishing， 2025， 44（6）： 76-86 （in Chinese）.
[11]	冯昱森，赵智炎，于颜豪，等. 纳秒激光复合离子束刻蚀技术的CVD金刚石抛光研究［J］. 激光杂志， 2025， 46（1）： 214-221.
	FENG Y S， ZHAO Z Y， YU Y H， et al. Research on CVD diamond polishing based on nanosecond laser composite ion beam etching technology［J］. Laser Journal， 2025， 46（1）： 214-221 （in Chinese）.
[12]	CHEN S D， LEI H. Improvement in the planarization of 4H-SiC（0001） achieved by photo-assisted chemical mechanical polishing （P-CMP） using nano TiO₂-based composite abrasive with heterostructure［J］. Friction， 2025， 13（7）： 9440993.
[13]	LU J B， CHEN R， LIANG H Z， et al. The influence of concentration of hydroxyl radical on the chemical mechanical polishing of SiC wafer based on the Fenton reaction［J］. Precision Engineering， 2018， 52： 221-226.
[14]	李英朋，占　稳. 二氧化铈磨料在典型化学机械抛光场景中的界面摩擦机制［J/OL］. 摩擦学学报（中英文）， 2026： 1-31 （2026-03-13）［2026-03-19］.
	LI Y P， ZHAN W. Interfacial tribological mechanisms of ceria abrasives in typical chemical mechanical polishing scenarios［J/OL］. Tribology， 2026： 1-31 （2026-03-13）［2026-03-19］. （in Chinese）.

[1]	冯柏评, 于普良, 穆泽龙, 刘源泂, 丁鑫, 吴九林. SiC裂纹扩展的多尺度损伤分析与实验研究[J]. 硅酸盐通报, 2026, 45(8): 2863-2875.
[2]	李玉祥, 赵蓉, 鲁勃, 闫文丽, 马翌博, 范海宏, 程峰. 纳米TiO₂在水中分散稳定性的影响因素及光催化性能研究[J]. 硅酸盐通报, 2026, 45(7): 2540-2548.
[3]	盛海龙, 耿永娟, 周安杰, 李绍纯. 银负载与羟基化协同改性氮化硼及其光催化性能研究[J]. 硅酸盐通报, 2026, 45(7): 2531-2539.
[4]	祁志宏, 李恪, 沈宏芳, 马聪聪, 马慧. 分散剂对溶胶-凝胶法制备La(TiMnCoNiCu)O₃高熵氧化物可见光催化活性的影响[J]. 硅酸盐通报, 2026, 45(4): 1433-1444.
[5]	龚非凡, 王君, 吴渊, 高盛楠, 王觅堂. SrBiB微晶玻璃制备及其性能调控研究[J]. 硅酸盐通报, 2026, 45(3): 1018-1030.
[6]	杨帅, 李霞, 姚梦琴, 刘飞. N掺杂TiO₂的制备及其光催化降解四环素的性能研究[J]. 硅酸盐通报, 2026, 45(2): 684-694.
[7]	刘佳鑫, 刘莉, 王爽, 张诗晟, 朱庆霞. 醋酸纤维素/羟基磷灰石复合膜的二氧化钛表面改性研究[J]. 硅酸盐通报, 2025, 44(8): 3079-3087.
[8]	刘桐, 黄世谋, 郝恩强, 曹羽希, 朱聪聪. 厚度减薄调控Bi₄NbO₈Cl的内建电场以增强光催化活性的研究[J]. 硅酸盐通报, 2025, 44(7): 2701-2709.
[9]	王竞一, 杨一帆, 段国林. SiC多孔陶瓷的绿色制备及性能优化[J]. 硅酸盐通报, 2025, 44(5): 1869-1877.
[10]	丁界雄, 柳馨, 铁生年, 铁健, 蒋自鹏, 王雅慧, 王培义, 汪清海. 简易水热法制备磁性Fe₃O₄纳米颗粒及其磁性能研究[J]. 硅酸盐通报, 2025, 44(5): 1899-1910.
[11]	李跃军, 曹铁平, 孙大伟. Bi/TiO₂:Sm³⁺复合纤维的制备及可见光催化降解抗生素洛美沙星[J]. 硅酸盐通报, 2025, 44(5): 1918-1926.
[12]	赵美萱, 韦梦兰, 王艺濛, 滕飞, 欧晓霞. KCl改性石墨相氮化碳光催化降解亚甲基蓝的协同机制研究[J]. 硅酸盐通报, 2025, 44(10): 3880-3890.
[13]	张栩熙, 张舸, 包建勋, 崔聪聪, 郭聪慧, 李伟, 张巍, 朱万利, 徐传享, 曹琪, 董斌超, 周立勋, 李易霖. 碳化硅多孔介质内渗硅过程的仿真研究[J]. 硅酸盐通报, 2024, 43(9): 3424-3437.
[14]	黄海铭, 杜静, 谢捷洋, 陈情泽, 朱润良. 硅灰制备硅/碳化硅纳米复合材料及其储锂性能研究[J]. 硅酸盐通报, 2024, 43(8): 3053-3062.
[15]	李伟, 张舸, 崔聪聪, 包建勋, 郭聪慧. 增材制造SiC陶瓷反射镜的研究进展[J]. 硅酸盐通报, 2024, 43(7): 2661-2671.

基于Fe₃O₄/CeO₂光催化芬顿反应的碳化硅晶圆化学机械抛光浆料及其作用机理研究

Fe₃O₄/CeO₂ Photocatalytic Fenton Reaction-Based Chemical Mechanical Polishing Slurry for Silicon Carbide Wafers and Its Mechanism

RichHTML

PDF (PC)