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前言

SiC是目前最成熟的寬帶隙半導(dǎo)體材料，與第一、二代半導(dǎo)體材料相比，SiC晶體具有禁帶寬度大、熱導(dǎo)率高、電子飽和速率大等優(yōu)點(diǎn)，在高功率、高溫半導(dǎo)體器件具有廣泛的應(yīng)用前景。目前，SiC器件的發(fā)展已經(jīng)取得一定成果，而SiC襯底加工精度直接影響器件性能，因此對(duì)SiC晶片表面質(zhì)量的要求極為嚴(yán)格。

SiC單晶硬度高、脆性大，表面加工相當(dāng)耗時(shí)且效率低，傳統(tǒng)的加工方法完全不適用于SiC單晶的加工，這也在一定程度上制約了碳化硅器件市場(chǎng)的發(fā)展。為了滿足高性能半導(dǎo)體器件對(duì)高精度、高質(zhì)量、高產(chǎn)量SiC襯底的要求，開(kāi)發(fā)高表面質(zhì)量碳化硅晶片加工技術(shù)是關(guān)鍵所在。

SiC單晶的加工過(guò)程主要分為切割、研磨、拋光。由于SiC硬度過(guò)大，致使所有的加工過(guò)程和工藝均需使用高硬度材料和特殊的工藝技術(shù)，對(duì)加工設(shè)備的要求也更為嚴(yán)格。本文對(duì)SiC單晶加工工藝的研究進(jìn)展進(jìn)行了分析。

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SiC單晶切割技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

切割加工是SiC單晶加工的關(guān)鍵工序，切割晶片的彎曲度Bow、翹曲度Warp、總厚度變化TTV決定了后續(xù)研磨、拋光的加工水平。SiC襯底切割技術(shù)是將SiC晶錠沿著一定的方向切割成翹曲度小、厚度均勻的晶片[1]。

目前，碳化硅晶片切割常用的加工技術(shù)有三種：

（1）固結(jié)金剛石多線鋸切割技術(shù)，是將金剛石磨粒通過(guò)電鍍、釬焊的方法固結(jié)在不銹鋼切割線上，通過(guò)金剛石線的高速往復(fù)運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)碳化硅晶體的切割。

（2）游離磨料多線鋸切割技術(shù)，是配置金剛石懸浮切削液，利用不銹鋼線將切削液帶入鋸縫，通過(guò)不銹鋼線的往復(fù)運(yùn)動(dòng)，促使金剛石磨料達(dá)到“滾動(dòng)-壓痕”機(jī)制以達(dá)到材料去除目的。

（3）激光隱形切割技術(shù)，是將激光在材料內(nèi)部聚焦，破壞焦點(diǎn)附近的分子鍵，在焦點(diǎn)區(qū)域形成改質(zhì)層，當(dāng)垂直于改制層施加壓力時(shí)，晶圓沿著改質(zhì)層分離[11,12]。

2.1 多線切割

隨著半導(dǎo)體行業(yè)快速發(fā)展，客戶對(duì)于降低切割成本、提高生產(chǎn)效率的要求越來(lái)越高，多線切割技術(shù)的應(yīng)用也逐漸成熟，砂漿線切割技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用于絕大部分碳化硅襯底廠商，金剛線切割技術(shù)也成為了主流迭代方案。

砂漿切割為游離磨料切割，游離磨料線鋸切割加工是切割線、切削液中的磨料與工件三者相互作用的復(fù)雜過(guò)程，其切割機(jī)理是利用線鋸的快速運(yùn)動(dòng)將切削液中的磨料顆粒帶入鋸縫，從而使磨料顆粒達(dá)到“滾動(dòng)－壓痕”機(jī)制以去除材料[2,3]。

該方法可加工較薄的晶圓（切片厚度＜0.3mm），且切割的產(chǎn)率高、材料耗損小，目前已經(jīng)廣泛用于單晶和多晶碳化硅片的加工。

金剛線切割技術(shù)的切割速度和切片良率均優(yōu)于砂漿切割，有效降低了生產(chǎn)成本。固結(jié)金剛石線鋸切割技術(shù)是將高硬度、高耐磨性的金剛石磨粒通過(guò)電鍍、樹(shù)脂粘接、釬焊或機(jī)械鑲嵌等方法固結(jié)在切割線上，通過(guò)金剛線的高速運(yùn)動(dòng)完成對(duì)SiC晶體的切割。山東大學(xué)孟磊[4]利用自制的環(huán)形電鍍金剛石線鋸加工機(jī)床對(duì)碳化硅晶體進(jìn)行切割實(shí)驗(yàn)，研究了鋸絲速度和恒進(jìn)給力與鋸切力、材料去除率、鋸切表面粗糙度的關(guān)系，得出了增加鋸絲速度，減小工件進(jìn)給速度可以有效降低表面粗糙度的結(jié)論。

金剛石線鋸切割碳化硅原理圖

2.2 激光切割技術(shù)[10]

激光切割技術(shù)早期已經(jīng)應(yīng)用于硅晶錠的切割，在碳化硅領(lǐng)域的應(yīng)用剛起步，目前主要有水導(dǎo)激光、KABRA、冷切割和改質(zhì)切割技術(shù)。

水導(dǎo)激光切割技術(shù)又稱激光微射流技術(shù)，它的原理是在激光通過(guò)一個(gè)壓力調(diào)制的水腔時(shí)，將激光束聚焦在一個(gè)噴嘴上；從噴嘴中噴出低壓水柱，在水與空氣的界面處由于折射率的原因可以形成光波導(dǎo)，使得激光沿水流方向傳播，從而通過(guò)高壓水射流引導(dǎo)加工材料表面進(jìn)行切割。目前國(guó)際上主要的激光水柱集中在150mm-200mm左右，對(duì)大尺寸的SiC晶圓切割，還有一定的技術(shù)瓶頸，但是6英寸以內(nèi)的已無(wú)技術(shù)瓶頸。

KABRA切割技術(shù)是利用具有極好聚焦能力的光學(xué)系統(tǒng)將激光透過(guò)碳化硅的表面聚焦晶片內(nèi)部，在特定位置形成改性層之后可從晶錠上剝離出晶片。該技術(shù)較為成熟，更適合應(yīng)用于大尺寸晶圓的切割。

冷切割技術(shù)是先用激光照射晶錠形成剝落層，使碳化硅材料內(nèi)部體積膨脹，從而產(chǎn)生拉伸應(yīng)力形成一層非常窄的微裂紋，然后通過(guò)聚合物冷卻步驟將微裂紋處理為一個(gè)主裂紋，最終將晶圓與剩余的晶錠分開(kāi)。2018年11月英飛凌以1.24億歐元收購(gòu)了具有冷切割技術(shù)的公司Siltectra，英飛凌冷切割（Cold split）技術(shù)能將碳化硅器件成本降低近30%。

改質(zhì)切割是一種將碳化硅晶錠快速分離成單個(gè)晶圓的激光技術(shù)，又稱QCB。該過(guò)程是使用皮秒激光束在晶錠內(nèi)部形成改質(zhì)層，使晶圓可以通過(guò)輕微外力沿激光掃描路徑精確分離。

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SiC單晶薄化技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

SiC斷裂韌性較低，在薄化過(guò)程中易開(kāi)裂，導(dǎo)致碳化硅晶片的減薄非常困難。SiC切片的薄化主要通過(guò)磨削與研磨實(shí)現(xiàn)[5]。

金剛石單面減薄技術(shù)是一種新型單面研磨技術(shù)，采用金剛石固結(jié)磨料研磨盤進(jìn)行單面減薄，通過(guò)真空吸附固定晶片，晶片和金剛石砂輪同時(shí)旋轉(zhuǎn)，金剛石砂輪以一定速度向下運(yùn)動(dòng)逐步減薄晶片，到指定厚度要求，翻轉(zhuǎn)晶片背面繼續(xù)減薄。

研磨工藝可分為單面和雙面研磨，小尺寸碳化硅晶片單雙面研磨技術(shù)相繼被開(kāi)發(fā)。研磨根據(jù)磨粒大小可分為粗磨和精磨，粗磨主要是去除切片造成的刀痕以及切片引起的變質(zhì)層，使用粒徑較大的磨粒；精磨目的是去除粗磨留下的表面損傷層，改善表面粗糙度，使用粒徑較細(xì)的磨粒。研磨加工碳化硅切片表面時(shí)，使用的磨料通常為碳化硼或金剛石[6]。國(guó)內(nèi)較多的碳化硅襯底廠商采用的規(guī)?；a(chǎn)工藝，采用鑄鐵盤+單晶金剛石研磨液雙面研磨的方式。

研磨工藝成本相對(duì)較低，但工序繁瑣（在CMP之前還需要DMP加工），靈活性低，自動(dòng)化水平不高，對(duì)于大尺寸晶圓的加工，存在較高的破片風(fēng)險(xiǎn)。此外，由于需要使用研磨液，對(duì)環(huán)境也會(huì)產(chǎn)生一定的影響。減薄工藝的出現(xiàn)，使替代傳統(tǒng)研磨工藝成為了可能。由于無(wú)需DMP加工，減薄工藝采用磨輪加工，使得生產(chǎn)速度更快，面型控制能力更強(qiáng)，適合大尺寸晶圓加工。

4

SiC單晶拋光技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

SiC晶片的拋光工藝可分為粗拋和精拋。其中，粗拋為機(jī)械拋光，目的在于提高拋光的加工效率；精拋為單面拋光，化學(xué)機(jī)械拋光是應(yīng)用最為廣泛的拋光技術(shù)。碳化硅單晶襯底機(jī)械拋光的關(guān)鍵研究方向在于優(yōu)化工藝參數(shù)，改善晶片表面粗糙度，提高材料去除率[7]。

碳化硅單晶拋光片加工標(biāo)準(zhǔn)

4.1 機(jī)械拋光

從磨料運(yùn)動(dòng)方式來(lái)看，傳統(tǒng)機(jī)械磨拋技術(shù)經(jīng)歷了從游離磨料研磨到固結(jié)磨料磨削的發(fā)展過(guò)程，碳化硅襯底的磨拋技術(shù)也隨之不斷發(fā)展和進(jìn)步。在游離磨料工藝中，主要采用三體摩擦方式，SiC材料表面會(huì)產(chǎn)生微裂紋，形成亞表面損傷。此外，工藝參數(shù)多、游離磨料的分散不穩(wěn)定性對(duì)拋光效果均有較大的影響。李娟[8]等人研究表明通過(guò)游離磨料工藝對(duì)SiC材料進(jìn)行處理，可獲得平整度為±3μm，表面粗糙度Ra＜5nm的晶片表面。固結(jié)磨料化學(xué)機(jī)械拋光技術(shù)中不僅磨料的等高性較好，而且參與拋光的磨料增多，從而提高了材料去除率。在應(yīng)用傳統(tǒng)的固結(jié)磨料工藝拋光時(shí)，采用二體摩擦方式，通過(guò)磨料的切削、耕犁斷開(kāi)Si-C 原子之間的共價(jià)鍵，使得材料去除[9]。

4.2 化學(xué)機(jī)械拋光

作為單晶襯底加工的最后一道工藝，化學(xué)機(jī)械拋光是實(shí)現(xiàn)碳化硅襯底全局平坦化的常用方法，也是保證被加工表面實(shí)現(xiàn)超光滑、無(wú)缺陷損傷的關(guān)鍵工藝。化學(xué)機(jī)械拋光（CMP）結(jié)合化學(xué)腐蝕與機(jī)械研磨作用，通過(guò)拋光液中的化學(xué)試劑與SiC表面反應(yīng)生成軟化層，再以機(jī)械研磨去除表層，實(shí)現(xiàn)高精度平坦化。具體流程中，晶片與拋光墊在壓力下相對(duì)運(yùn)動(dòng)，拋光液中的納米磨料（如SiO2）參與剪切作用，有效削弱Si-C共價(jià)鍵，提升去除效率。

目前報(bào)道的典型精拋工藝技術(shù)對(duì)比如表所示[5]。

SiC精拋工藝對(duì)比

小結(jié)

單晶加工技術(shù)作為SiC單晶生長(zhǎng)之后的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，其難度不容小覷。鑒于當(dāng)前加工技術(shù)面臨的諸多挑戰(zhàn)，有必要深入探究切割、研磨、拋光等環(huán)節(jié)的機(jī)理與理論，并積極探索適用于SiC單晶片加工的工藝方法及路線。此外，我們還應(yīng)積極借鑒國(guó)外先進(jìn)的加工技術(shù)，引入更為尖端的超精密加工工藝與設(shè)備，以期制備出高品質(zhì)的襯底材料。

參考來(lái)源：
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