詳解碳化硅晶片的磨拋工藝方案

當前世界上的半導體元件，絕大多數是以第一代半導體材料硅基半導體為主，約占95%的份額，但是隨著(zhù)電動(dòng)汽車(chē)，5G通訊等新興技術(shù)的發(fā)展，以氮化鎵，碳化硅為代表新型基材越來(lái)越受到重視。第三代半導體，以碳化硅為代表，其具有禁帶寬度大，擊穿電場(chǎng)高，飽和電子漂移速度高，導熱率大等特點(diǎn)，特別是在1200V的高壓環(huán)境中，有著(zhù)明顯的優(yōu)勢。

SIC晶體具有與GaN材料高匹配的晶格常數和熱膨脹系數以及優(yōu)良的熱導率，是GaN基的理想襯底材料，如LED,LD。因此，SiC襯底加工技術(shù)是器件制作的重要基礎，其表面加工的質(zhì)量和精度，直接會(huì )影響外延薄膜的質(zhì)量以及器件的性能，所以碳化硅襯底材料的加工要求晶片表面超光滑，無(wú)缺陷，無(wú)損傷，表面粗糙度在納米以下。

但是，碳化硅晶體具有高硬度，高脆性，耐磨性好，化學(xué)穩定性好等特點(diǎn)，這又使得碳化硅晶片的加工變得非常困難。

碳化硅襯底的加工主要分為以下幾個(gè)工序，切割，粗磨，精磨，粗拋，精拋（CMP）。

1.切割

切割是將SiC晶棒沿著(zhù)一定的方向切割成晶體薄片的過(guò)程。將SiC晶棒切成翹曲度小，厚度均勻的晶片，目前常規的切割方式是多線(xiàn)砂漿切割

2.研磨

研磨工藝是去除切割過(guò)程中造成碳化硅晶片的表面刀紋以及表面損傷層，修復切割產(chǎn)生的變形。由于SiC的高硬度，研磨過(guò)程中必須使用高硬度的磨料（如碳化硼或金剛石粉）研磨SiC切片的晶體表面。

常規的研磨工藝一般分為粗磨和精磨。

1)常規雙面磨工藝

目前國內較多的碳化硅襯底廠(chǎng)商已經(jīng)在規?；a(chǎn)的工藝方案。

a)粗磨：采用鑄鐵盤(pán)+單晶金剛石研磨液雙面研磨的方式

該工藝可以有效的去除線(xiàn)割產(chǎn)生的損傷層，修復面型，降低TTV，Bow，Warp，去除速率穩定，一般能達到0.8-1.2um/min的去除率。但該工藝加工后的晶片表面是亞光面, 粗糙度較大，一般在50nm左右，對后工序的去除要求較高。     

b)精磨：采用聚氨酯發(fā)泡Pad+多晶金剛石研磨液雙面研磨的方式

該工藝加工后的晶片表面粗糙度低，能達到Ra<3nm，這更有利于碳化硅襯底片后工序的拋光，但劃傷不良一直存在。且該工藝使用的是爆炸法工藝制備的多晶金剛石，其生產(chǎn)難度大，產(chǎn)量低，價(jià)格極高。      

2)團聚金剛石雙面研磨工藝

國內部分襯底廠(chǎng)家也導入了一種新工藝，團聚金剛石研磨工藝。該工藝良率更高，成本更低，精磨損傷層更低，更有利于拋光。該工藝也分粗磨和精磨兩步。這個(gè)工藝，國內比較知名是深圳中機，其團聚產(chǎn)品能覆蓋粗磨，精磨等全工序。

a)粗磨：1.5um團聚金剛石研磨液+蜂窩樹(shù)脂Pad，雙面研磨工藝

該工藝采用的金剛石是團聚金剛石磨料，1.5um的金剛石原晶，去除速率一般穩定在0.8-1.2um/min，面粗在20nm左右

b)精磨：0.2um團聚金剛石研磨液+樹(shù)脂Pad/聚氨酯發(fā)泡Pad，雙面研磨工藝

該工藝采用的金剛石是0.2um原晶的團聚金剛石磨料，加工后的面粗在3nm以?xún)取?/p>

3)砂輪單面減薄工藝

部分碳化硅襯底廠(chǎng)商采用砂輪減薄，目前常用的砂輪有2000#粗磨，8000#精磨。該工藝方案加工靈活，穩定性高，工藝精簡(jiǎn)。但由于減薄過(guò)程中晶片是在真空條件下，不利于Bow/Warp的修復。此外國產(chǎn)精磨砂輪磨耗比大，加工成本高，多依賴(lài)進(jìn)口。

目前該工藝在日本較為成熟，甚至已經(jīng)用到了30000#精拋砂輪，加工后的晶圓片表面粗糙度能達到2nm以?xún)?。加工后的碳化硅襯底片可以直接進(jìn)行最后一道CMP拋光。

3.拋光

通常碳化硅襯底廠(chǎng)的拋光工藝分為粗拋和精拋

1)粗拋：常用的粗拋工藝采用高錳酸鉀氧化鋁粗拋液搭配無(wú)紡布粗拋墊，通常采用的是杜邦的SUBA800。高錳酸鉀起到氧化腐蝕作用，納米氧化鋁顆粒起到機械磨削的作用，加工后的碳化硅襯底片表面粗糙度能達到0.2nm以?xún)取?span style="text-align: center;">             

2)精拋：通常采用100nm以?xún)鹊难趸钂伖庖捍钆浜谏枘岵季珤亯|使用，使用單面拋光機對碳化硅襯底片的Si面進(jìn)行拋光。常見(jiàn)的CMP精拋液是AB組份，拋光液通常是搭配雙氧水使用，其中雙氧水起到氧化腐蝕的作用。該工藝加工后的碳化硅襯底片表面粗糙度能達到0.1nm以?xún)?。常用?lái)檢測精拋后碳化硅襯底片劃傷的設備是Candela 8520。

化學(xué)機械拋光是通過(guò)化學(xué)腐蝕和機械磨損協(xié)同作用，實(shí)現工件表面材料去除及平坦化的過(guò)程。晶片在拋光液的作用下發(fā)生化學(xué)氧化作用，表面生成化學(xué)反應層，隨后該反應軟化層在磨粒的機械作用下被除去。