半导体碳化硅(SiC) 衬底加工介绍

在单晶生长工艺中获得SiC晶碇之后，接下来进行的是SiC衬底的精细制备过程。这一过程包括以下几个关键步骤：

1. 磨平：首先对SiC晶碇进行磨平处理，以消除表面的不平整和生长过程中可能产生的缺陷。

2. 滚圆：随后进行滚圆工序，目的是使晶碇的边缘变得光滑，为后续的切割工作做准备。

3. 切割：使用精密的切割技术将SiC晶碇分割成多个薄片，这些薄片将作为衬底使用。

4. 研磨（减薄）：对切割后的SiC薄片进行研磨，以减少其厚度，达到所需的衬底规格。

5. 机械抛光：利用机械抛光技术进一步改善衬底表面的光滑度，去除研磨过程中可能产生的损伤层。

6. 化学机械抛光（CMP）：通过化学机械抛光工艺，进一步提升衬底表面的平整度和清洁度，确保衬底的高质量。

7. 清洗：在抛光之后，进行彻底的清洗工序，去除表面残留的抛光液和颗粒，为后续工艺做准备。

8. 检测：最后，对SiC衬底进行全面的质量检测，包括表面质量、厚度均匀性、缺陷密度等，以确保衬底满足高性能电子器件的制造要求。

通过上述工序，可以制备出高质量的SiC衬底，为制造高性能的半导体器件提供坚实的基础。

这是由于 SiC 晶体硬度高、脆性大、化学性质稳定，受加工技术的制约，目前 SiC 衬底的加工损耗极高、效率极低，并且很难获得高表面质量的SiC衬底片,因此,亟需开发先进的衬底加工工艺。SiC衬底的加工主要分为切割、研磨和抛光，下面将展开具体分析。

SiC晶锭切割技术分析

SiC晶锭的切割是SiC衬底制造过程中的关键步骤，它对衬底的表面质量、尺寸精度和成本控制具有决定性作用。切割工艺不仅决定了SiC衬底的表面粗糙度（Ra）、总厚度偏差（TTV）、翘曲度（BOW）和弯曲度（WARP）等关键参数，而且对衬底的最终品质、成品率和生产成本有着深远的影响。此外，切割质量还直接影响到后续的研磨、抛光工序的效率和成本。

目前，SiC晶锭切割技术的研究和发展已经取得了显著进展，主要的切割技术包括砂浆线切割、金刚线切割和激光剥离技术。其中，砂浆线切割因其成熟度和成本效益，已成为业界的主流选择，并在大规模生产中得到广泛应用。

1. 砂浆线切割：这是一种传统的切割技术，通过使用含有磨料的线和砂浆来切割SiC晶锭。尽管这种方法成本较低，但其切割速度较慢，且可能在衬底表面留下较深的损伤层。

2. 金刚线切割：金刚线切割技术使用金刚石颗粒作为磨料，通过高速旋转的线来切割SiC晶锭。这种方法的切割速度快，表面损伤层较浅，有助于提高衬底的质量和成品率。

3. 激光剥离技术：这是一种新兴的切割技术，通过激光束的热效应来分离SiC晶锭。激光剥离技术可以提供非常精确的切割，减少衬底的损伤，但目前成本相对较高，主要用于高端应用

在SiC晶锭切割工艺中，砂浆线切割和金刚线切割是两种主流技术，它们在磨粒的导入方式上存在显著差异。砂浆线切割使用的是游离磨粒，而金刚线切割则通过电镀、树脂粘接、钎焊或机械镶嵌等方法将磨粒固定在切割线上。这种固定方式为金刚线切割技术带来了一系列优势：

1. 加工速度：金刚线切割的速度比砂浆线切割快5倍以上，显著提高了生产效率。

2. 损耗与出片率：金刚线切割的出片率比砂浆线切割高出15%到20%，意味着更低的材料损耗和更高的经济效益。

3. 环保优势：金刚线切割过程中产生的废料和废水较少，对环境的影响更小。

然而，金刚线切割在晶型控制和切割损耗控制方面仍面临挑战。目前，行业普遍采用的策略是以砂浆线切割为主导，金刚线切割作为补充，砂浆线与金刚线的使用比例大约为5:1。

不论是砂浆线切割还是金刚线切割，SiC材料在加工过程中的损耗都是一个重要问题。以砂浆线切割为例，损耗主要体现在以下三个方面：

• 切口损耗：切割过程中的切口损失（Kerf Loss）可达到150-200微米。

• 磨抛损耗：为了修复切割造成的10-50微米的粗糙度和表面/亚表面损伤，需要通过粗磨、精磨和化学机械抛光（CMP）工艺进行处理。

• 背面减薄损耗：为了防止切割过程中SiC衬底的破损，衬底的初始厚度通常设定在350微米左右，这导致器件衬底的电阻较高。在器件制备过程中，需要通过背面减薄工艺将衬底厚度减少至大约100微米，以降低电阻。

随着半导体行业对SiC衬底尺寸需求的增长，特别是向8英寸大尺寸的转变，传统的线切割技术，如砂浆线切割，正面临着效率和成本的挑战。以砂浆线切割为例，在切割8英寸SiC晶锭时，所需的工时可能超过300小时，而且后续的磨抛工序总计耗时超过5天。这些因素不仅影响了SiC衬底的快速供应能力，也不利于成本的降低。

为了应对这些挑战，业界正在探索和开发更适合SiC材料特性的新型晶体加工方法。其中，激光剥离技术（Laser Lift-Off, LLO）因其潜在的优势而受到了广泛关注。

激光剥离技术，也称为激光切割或热裂法，主要依赖于激光加工和晶体剥离两个过程。根据激光加工的方式，该技术可以进一步细分为激光烧蚀和激光改质两种方法。激光改质技术中，又可区分为平行改质和垂直改质两种方式，而垂直改质是目前激光剥离技术研究的主流方向。

垂直改质激光剥离的工作原理是利用激光在SiC材料内部形成一个局部的改性层，这个改性层通常是一层薄的损伤层。通过精确控制激光的能量和作用位置，可以在不破坏晶体结构的前提下，创建一个易于分离的界面。之后，通过施加适当的外力，可以实现晶圆的干净剥离，从而获得高质量的SiC衬底。

激光剥离技术的优势在于：

1. 减少切割损伤：由于激光加工的高精度特性，可以在材料内部形成一个非常薄的损伤层，从而减少对衬底的损伤。

2. 提高切割速度：相比传统的线切割技术，激光剥离技术有潜力大幅提高切割速度，缩短生产周期。

3. 降低材料损耗：激光剥离技术可以减少因切割造成的材料损耗，提高材料利用率。

4. 环境友好：激光加工过程不涉及化学砂浆等材料，更为环保。

相较于上述2种切割技术,激光剥离技术理论上具有速度和损耗等优势。但激光剥离技术尚未在SiC实现规模化应用,技术还有待完善,首先是激光能量较大,在形成改性层的同时也会产生烧灼和裂纹,裂纹容易沿激光传播方向扩展，同时在物理剥离时往往也会在 SiC 衬底中产生微裂纹，阻碍了激光剥离技术的应用。

国内方面,北京中电科于2022年10月已实现4英寸、6英寸SiC单晶片的激光剥离,取得突破性进展。激光剥离设备有机结合激光精密加工和晶体可控剥离,实现半导体晶体高可靠切片工艺,可将晶体切割损耗降低60%以上,加工时间减少50%以上,并实现晶体加工整线的高度自动化。

SiC 衬底平坦化工艺技术分析

SiC器件对衬底片的要求包括:表面厚度变化小于1um, Si面表面粗糙度(Ra) s0.3 nm, C面Ra s 0.5 nm,而且表面要保证低的加工损伤和残余应力。由于切割剥离(砂浆线法)后,SiC衬底通常具有150-250um的损伤层,其表面粗糙度和平整度较差,且存在许多线切割留下的切痕,因此,需要采用平坦化工艺对SiC衬底表面加工,最终得到光滑的抛光片供后段外延工艺使用。

目前,国内SiC衬底平坦化加工包括减薄(研磨)、抛光工序。

一、减薄与研磨工艺

SiC衬底的切割损伤层可以通过两种主要的工艺路线进行减薄，即研磨(Lapping)和磨削(Grinding)工艺。

1. 研磨工艺：目前在市场上占有较高的份额。该工艺通常包括两个阶段：粗磨和精磨。在化学机械抛光(CMP)之前，还需要进行单面机械抛光(DMP)的步骤。研磨工艺的优点在于成本相对较低，但它也存在一些缺点，包括工序较为繁琐，自动化水平不高，对于大尺寸晶圆的加工，存在较高的破片风险。此外，研磨工艺的灵活性较低，不利于单片加工。同时，由于需要使用研磨液，它对环境也会产生一定的影响。

2. 磨削工艺：作为研磨工艺的替代方法，磨削工艺通常可以提供更高的材料去除率，并且可以更好地控制晶圆的厚度和平整度。磨削工艺可以采用不同的磨料和磨削技术，如金刚石砂轮磨削，以实现更精细和均匀的表面处理。磨削工艺在自动化和灵活性方面具有优势，适合于单片加工，并且可以更好地适应大尺寸晶圆的加工需求。

粗磨是使用粒径较大的磨粒进行研磨,主要是用于去除切片表面损伤层,速率为3-10um/min,表面粗糙度可达0.2um左右;精磨是用粒径较小的磨粒进行研磨,主要去除粗研留下的损伤层,保证衬底面型精度(WARP、BOW、TTV, LTV等) ,效率在5-40um/h,表面粗糙度在0.1um左右, TTV在3-6μm。

而新近推出的减薄(Grinding)工艺路线有望实现对传统研磨工艺的替代,其优点在于可以省去DMP环节,加工工艺更精简;采用磨轮使得加工速度更快;而且加工面型控制能力强,更适合大尺寸晶圆加工;灵活性更好,可以实现单片加工;而且由于无需采用研磨液,加工过程更环保。以北京中电科设备设备为例，6/8英寸SiC减薄后的晶圆片厚度均匀性(TTV) s 2um,衬底片TTV s 3um;翘曲度(WARP) s 30um;表面弯曲程度(BOW)s±15um; UPH24片/小时(激光剥离面@单面去除80um), UPH27片/小时(多线切割面@双面去除各70μm)。

现阶段,减薄工艺的不足在于磨轮耗材的成本较高,据了解,北京中电科正在通过对众多关键技术的自主开发,以及联合国内企业对金刚石磨轮耗材进行工艺适配,以进一步解决磨轮耗材的品质和成本问题。

二、抛光工艺

经过减薄或研磨后, SiC衬底表面损伤深度通常为2-5um,还需要通过抛光工艺来获得超光滑表面,大多数的抛光技术都具有共同原理都是围绕结合"化学+机械"的复合工艺,即先用浆料将SiC损伤层表面进行氧化,再通过磨粒和抛光垫的机械摩擦去除软化后的氧化层。

目前,业界已经发展出多种抛光技术,例如化学机械抛光(CMP)、电化学抛光(ECMP)、常压等离子体辅助磨粒(PAR)、光催化辅助化学机械抛光(PCMP)等,目的都是为了增强抛光效果,例如改善表面粗糙度、提高材料去除率(MRR)。化学增效方法主要有电化学、磁流变、等离子体、光催化等,机械增效方法主要有超声辅助、混合磨粒和固结磨粒抛光等方法。

到目前为止,新兴的CMP效率提升技术仍处于从实验室到工厂的工业验证阶段,主流的SiC衬底工艺仍是CMP,其抛光效果主要受工艺参数、抛光液、抛光垫三方面参数的影响。

相对较低的材料去除率仍然是CMP的主要问题,与硅衬底CMP每分钟几微米的MRR相比,目前SiC衬底CMP的MRR仅为每小时几微米,尽管现有的CMP方法可以用来生产合格的4H-SiC衬底,但低MRR意味着CMP步骤需要大量的加工时间和成本。为了提升CMP效率,目前业界已经发展出双面、批量抛光技术,以往4H-SiC衬底Si面或C面的CMP工时需要3-5小时,通过先进的抛光技术,可以实现1小时完成单批10片衬底的CMP抛光。

此外,一些新的CMP技术也引起了业界的关注和讨论。例如目前,早稻田大学通过氩/氢气氛氢蚀刻解决了台阶聚束现象,可将聚束台阶从5~ 10nm恢复到1 ~ 1.5nm,有望省去CMP工艺。为了省去研磨和抛光工艺,关西大学和丰田通商联合开发了"Dynamic AGE-ing"非接触式热工艺,先讲SiC衬底放入超高温气相环境中进行调整表面原子排列,再通过热刻蚀去除损伤层,再进行MOCVD外延沉积时BPD缺陷密度可以从1000-7000个/cm2 降至 0.06-0.015 个 /cm2。

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