金刚石2英寸都难！第四代半导体到底卡在哪？——访清华大学天津高端装备研究院润滑技术研究所常务副所长戴媛静

2026年10月20日，由中国粉体网主办的“2026半导体与光学材料超精密加工技术及应用大会”在江苏苏州成功举办！大会期间，中国粉体网邀请到多位业内专家学者做客“对话”栏目。

本期为您分享的是清华大学天津高端装备研究院润滑技术研究所常务副所长戴媛静的专访。

清华大学天津高端装备研究院润滑技术研究所 常务副所长戴媛静

粉体网：戴老师您好，您的研究涉及硅衬底、碳化硅、单晶金刚石等不同半导体材料。它们的硬度、化学稳定性存在差别，那么抛光时的难点有什么不同？

戴老师：事实上，硅衬底作为第一代半导体衬底，它的难度并不在于抛光上的化学反应性或硬度难度。它目前做到12英寸，特别是到现在7纳米的线宽，难度主要在于整个12英寸尺度的情况下，怎么保证整个片的全局平整度，包括TTV、表面缺陷、表面后清洗，这个才是它工艺上的难度。

而对于碳化硅或者金刚石，目前还处于产业的前期，或者还处于孵化阶段。它的难度主要在于难加工性，比较硬，化学惰性比较强。它的难度可能还是主要集中在原理的探索，而不是说工艺上面。当然，碳化硅目前已经做到了8英寸，某种程度上，它就介于硅和金刚石之间的一个难度。

粉体网：单晶金刚石是如何实现原子级去除的？

戴老师：单晶金刚石实现原子级去除，我们是通过耦合一个物理场。什么意思呢？如果只用传统硅基底的CMP方法去做，由于金刚石的化学惰性以及它作为最硬材料的特性，基本上是行不通的，去除速率非常低。所以我们通过物理场，比如用等离子体轰击它的表面。在高活性等离子体的轰击下，同时带来一定的冲击和温度，可以强行让SP3的稳定结构变成SP2的非晶态或石墨化结构。这样一来，它的反应活性大大增强，硬度大大降低，我们才能够实现有效的化学抛光去除。

粉体网：CMP常被概括为“化学作用”和“机械作用”的协同，实际操作中如何判断这个平衡点在哪里？

戴老师：我刚才在报告里也提到，目前CMP的过程，我认为还是一个黑盒的过程。什么意思呢？虽然说很多学者做了非常多年的研究，但还是“公说公有理，婆说婆有理”，大家在机理研究上还没有达到完全一致。而且在某种程度上，公式推导上也没有一个公式能够让大家普遍认可，认为它符合这个公式推导，可以产生亚纳米的抛光结果。目前还是通过实验研究去做一些工艺摸索，通过后续表面质量的控制，相当于是半经验性地摸索出一个最佳的抛光工艺和抛光参数。

但未来，我觉得我们可以借助AI模型的力量。比如把前期的很多文献、专利、书籍，包括我们手中能够掌握的一些实测数据，输入到AI模型里面去。我相信这个AI模型未来可以大大加快我们对材料和工艺的探索过程，甚至这个模型也能给我们总结出一个可行度、可信度比较高的机理解释。

粉体网：CMP抛光中划痕和亚表面损伤是良率的“头号杀手”，您在实际研究中如何发现并控制这些隐性损伤？

戴老师：如果是在实验室阶段，我们还是通过表面分析，比如做切片分析，看看它的亚表面损伤层厚度。但如果到了工艺层次，最终可能还是通过一些宏观缺陷的控制，来对应到后期的一些微观缺陷。

在成熟的大硅片加工过程中，工艺稳定性就很重要。一旦12英寸大硅片的工艺稳定下来，那么就会默认在这个工艺不变的情况下，表面缺陷和亚表面损伤就处于可控状态。这也是通过非常多前期的经验总结，比如加工以后封装，再做后道工序时的良率，反推回来的经验总结。

所以说，为什么在大的Fab厂里面，它的工艺稳定性是不容侵犯的，也就是说不能随随便便去调整工艺。因为一旦调整工艺，可能产生的结果就不是这一道工艺能够解决的，有可能会影响后面好几道工艺，从而影响整个最后晶圆的良率。

粉体网：CMP技术从实验室到量产线，最大的“鸿沟”在哪里？

戴老师：这个得分不同的衬底来看。对于成熟的硅产线来说，其实基本上实验室里做相关研究的人已经非常少了，工艺已经非常稳定。但如果是碳化硅或者金刚石这类先进半导体衬底，目前难点就不一样了。

碳化硅目前已经做到8英寸量产，它的难点还是在于整个的成本控制。如果我用碳化硅衬底来做芯片，成本是硅基底的几倍甚至十倍以上，基本上是很难进行商务推广的。除了一些极小领域必须用它之外，大部分领域如果能用硅，硅便宜，肯定还是用硅。所以碳化硅目前我觉得它的卡脖子点还是在于整个工序的成本控制，必须把它做到跟硅片差不多，或者比它贵一点点，才有可能大规模推广。

至于金刚石，毋庸置疑，瓶颈还在长晶上。至少我认为，半导体级别的单晶金刚石目前还非常少，国内我觉得可能还没有，国外有可能会有那么一点。2英寸尚且如此，那么4英寸、8英寸甚至12英寸，我觉得目前还比较遥远，这个应该是它的瓶颈点。因为如果晶片、晶圆都长不出来，切磨抛是难，但现在都没有材料可以抛。所以说，金刚石衬底关键点还是要克服它的长晶工艺，特别是高质量单晶晶圆的长晶工艺。这个我觉得是目前第四代半导体最重要的、要攻克的一个难关。

粉体网：感谢戴老师接受我们的采访。

戴老师：谢谢大家。