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单晶碳化硅（4H-SiC）不仅具有宽禁带、高击穿场、高导热、高温度稳定性和低介电常数等优良的热、电子性能,而且具有与氮化镓相近的晶格常数和热膨胀系数等优越的特性,可广泛的应用在高温、高频、高功率以及抗辐射电子器件等领域。随着单晶碳化硅生产成本的降低,硅芯片可能被碳化硅取代,解决芯片材料自身性能的瓶颈问题,为电子业带来革命性的变革。然而,由于单晶碳化硅受到生长和切割机制的限制,其表面粗糙度和精度较差,无法满足上述领域对碳化硅表面超光滑、高精度和低损伤的质量要求。表面平坦化技术已经成为单晶碳化硅应用于高新技术领域所需的关键技术之一。单晶碳化硅的高硬度和化学惰性给目前常用的加工技术带来了诸多的挑战。机械抛光的材料去除机理为机械破碎去除,容易对碳化硅引入划痕和亚表面损伤等。基于化学和机械协同作用提出的化学机械抛光、催化剂刻蚀、电化学机械抛光和等离子体辅助抛光等抛光技术面临着材料去除率低、试剂易分解和抛光系统组成复杂等问题。为此,探索化学和机械协同作用下碳化硅的微观去除机理和相关新技术是实现碳化硅平坦化的关键。本课题以化学和机械协同作用去除碳化硅材料为出发点,从化学热力学、化学动力学和光催化氧化理论入手,提出全新的光催化辅助抛光单晶碳化硅的方法,实现单晶碳化硅高效、超精密、低损伤的抛光。（1）对碳化硅氧化反应进行化学热力学和化学动力学理论研究。应用Materials Studio和LAMMPS分子动力学模拟软件论证了碳化硅被常见氧化剂和羟基自由基·OH氧化的可行性,并计算了氧化速率;揭示了合理选择氧化剂、提高温度、增加表面能、引入机械作用等方式是加快碳化硅氧化速率的有效措施;在此基础上,提出了光催化辅助抛光单晶碳化硅的新工艺,机械作用引入的晶格畸变和羟基自由基·OH的强氧化性是碳化硅被氧化的驱动力,磨料的机械摩擦作用是实现氧化层材料去除的有力支撑。（2）研制高效稳定的光催化辅助抛光单晶碳化硅用抛光液。理论分析和试验研究表明,光催化剂的浓度为0.75g/L,过氧化氢浓度为0.66mol/L,电压为15V,pH值为3,分散剂为10wt%硅溶胶时抛光液的氧化性最强、稳定性最好。此外,紫外分光光度仪检测到二羟基苯甲酸捕获抛光液中羟基自由基·OH的生成产物。在此基础上,分析了抛光液对单晶碳化硅的静态腐蚀性和抛光效果,抛光液静态腐蚀后的碳化硅表面含有大量的凸起和麻坑,能谱分析检测出新的元素氧。奥林巴斯三维激光显微镜、原子力显微镜和X射线电子能谱仪分析表明抛光后的碳化硅表面平坦、光滑,0.353×0.265mm区域表面粗糙度Ra为0.348nm,抛光过程中碳化硅表面被氧化,表面含有Si-C、Si-C-O、Si-O和C-O等官能团。（3）搭建光催化辅助抛光碳化硅晶片的抛光装置和摩擦力的测量装置,研究光催化辅助抛光工艺。建立单颗磨粒的受力模型,理论分析与试验结果表明,材料去除率的试验值与基于单颗磨粒的受力模型的计算值相近,研磨工序达到的极限表面粗糙度Ra为8nm左右。在研究抛光工艺参数对摩擦力、材料去除率和表面质量的影响规律基础上,得出较佳的抛光工艺为:抛光压力为0.025MPa,抛光转速为60r/min,磨料为5wt%的SiO2,抛光垫为合成纤维聚合物抛光垫。采用优化的抛光工艺抛光碳化硅后,表面粗糙度Ra为0.218nm,材料去除率为1.18μm/h。（4）研究机械和化学的相互促进作用,揭示光催化辅助抛光碳化硅的材料去除机理。原子压痕试验表明抛光过程中碳化硅表面0～25nm深度的硬度有所降低。X射线光电子能谱和透射电子显微镜表征碳化硅表面组成成分和亚表面结构。结果表明,抛光后的碳化硅表面存在Si-C、Si-C-O、Si-O、Si4C4O4、C-O和C=O等多种形式的官能团。碳化硅的表层和亚表层的损伤较小,没有明显裂纹,非晶层厚度为几个纳米,氧化层厚度的极限值约为4～6nm。理论分析与试验研究表明,磨料的机械作用有利于化学反应,碳化硅表面化学反应生成的氧化层有利于机械去除,抛光过程中依靠化学和机械协同作用去除材料。光催化辅助抛光碳化硅的材料去除机理为:机械活化作用降低碳化硅原子间的结合能和反应活化能,抛光液中的羟基自由基·OH逐步氧化碳化硅晶片表面。机械划擦作用使碳化硅表面的氧化层去除,露出新的表面,保证化学反应的进行。