半導體碳化硅（SiC）襯底加工技術詳解
轉：
在單晶生長工藝中獲得SiC晶碇之后，接下來進行的是SiC襯底的精細制備過程。這一過程包括以下幾個關鍵步驟：
1. 磨平：首先對SiC晶碇進行磨平處理，以消除表面的不平整和生長過程中可能產(chǎn)生的缺陷。
2. 滾圓：隨后進行滾圓工序，目的是使晶碇的邊緣變得光滑，為后續(xù)的切割工作做準備。
3. 切割：使用精密的切割技術將SiC晶碇分割成多個薄片，這些薄片將作為襯底使用。
4. 研磨（減薄）：對切割后的SiC薄片進行研磨，以減少其厚度，達到所需的襯底規(guī)格。
5. 機械拋光：利用機械拋光技術進一步改善襯底表面的光滑度，去除研磨過程中可能產(chǎn)生的損傷層。
6. 化學機械拋光（CMP）：通過化學機械拋光工藝，進一步提升襯底表面的平整度和清潔度，確保襯底的高質量。
7. 清洗：在拋光之后，進行徹底的清洗工序，去除表面殘留的拋光液和顆粒，為后續(xù)工藝做準備。
8. 檢測：最后，對SiC襯底進行全面的質量檢測，包括表面質量、厚度均勻性、缺陷密度等，以確保襯底滿足高性能電子器件的制造要求。
通過上述工序，可以制備出高質量的SiC襯底，為制造高性能的半導體器件提供堅實的基礎。
這是由于 SiC 晶體硬度高、脆性大、化學性質穩(wěn)定，受加工技術的制約，目前 SiC 襯底的加工損耗極高、效率極低，并且很難獲得高表面質量的SiC襯底片,因此,亟需開發(fā)先進的襯底加工工藝。SiC襯底的加工主要分為切割、研磨和拋光，下面將展開具體分析。
SiC晶錠切割技術分析
SiC晶錠的切割是SiC襯底制造過程中的關鍵步驟，它對襯底的表面質量、尺寸精度和成本控制具有決定性作用。切割工藝不僅決定了SiC襯底的表面粗糙度（Ra）、總厚度偏差（TTV）、翹曲度（BOW）和彎曲度（WARP）等關鍵參數(shù)，而且對襯底的最終品質、成品率和生產(chǎn)成本有著深遠的影響。此外，切割質量還直接影響到后續(xù)的研磨、拋光工序的效率和成本。
目前，SiC晶錠切割技術的研究和發(fā)展已經(jīng)取得了顯著進展，主要的切割技術包括砂漿線切割、金剛線切割和激光剝離技術。其中，砂漿線切割因其成熟度和成本效益，已成為業(yè)界的主流選擇，并在大規(guī)模生產(chǎn)中得到廣泛應用。
砂漿線切割：這是一種傳統(tǒng)的切割技術，通過使用含有磨料的線和砂漿來切割SiC晶錠。盡管這種方法成本較低，但其切割速度較慢，且可能在襯底表面留下較深的損傷層。
金剛線切割：金剛線切割技術使用金剛石顆粒作為磨料，通過高速旋轉的線來切割SiC晶錠。這種方法的切割速度快，表面損傷層較淺，有助于提高襯底的質量和成品率。
激光剝離技術：這是一種新興的切割技術，通過激光束的熱效應來分離SiC晶錠。激光剝離技術可以提供非常精確的切割，減少襯底的損傷，但目前成本相對較高，主要用于高端應用
在SiC晶錠切割工藝中，砂漿線切割和金剛線切割是兩種主流技術，它們在磨粒的導入方式上存在顯著差異。砂漿線切割使用的是游離磨粒，而金剛線切割則通過電鍍、樹脂粘接、釬焊或機械鑲嵌等方法將磨粒固定在切割線上。這種固定方式為金剛線切割技術帶來了一系列優(yōu)勢：
加工速度：金剛線切割的速度比砂漿線切割快5倍以上，顯著提高了生產(chǎn)效率。
損耗與出片率：金剛線切割的出片率比砂漿線切割高出15%到20%，意味著更低的材料損耗和更高的經(jīng)濟效益。
環(huán)保優(yōu)勢：金剛線切割過程中產(chǎn)生的廢料和廢水較少，對環(huán)境的影響更小。
然而，金剛線切割在晶型控制和切割損耗控制方面仍面臨挑戰(zhàn)。目前，行業(yè)普遍采用的策略是以砂漿線切割為主導，金剛線切割作為補充，砂漿線與金剛線的使用比例大約為5:1。
不論是砂漿線切割還是金剛線切割，SiC材料在加工過程中的損耗都是一個重要問題。以砂漿線切割為例，損耗主要體現(xiàn)在以下三個方面：
切口損耗：切割過程中的切口損失（Kerf Loss）可達到150-200微米。
磨拋損耗：為了修復切割造成的10-50微米的粗糙度和表面/亞表面損傷，需要通過粗磨、精磨和化學機械拋光（CMP）工藝進行處理。
背面減薄損耗：為了防止切割過程中SiC襯底的破損，襯底的初始厚度通常設定在350微米左右，這導致器件襯底的電阻較高。在器件制備過程中，需要通過背面減薄工藝將襯底厚度減少至大約100微米，以降低電阻。
隨著半導體行業(yè)對SiC襯底尺寸需求的增長，特別是向8英寸大尺寸的轉變，傳統(tǒng)的線切割技術，如砂漿線切割，正面臨著效率和成本的挑戰(zhàn)。以砂漿線切割為例，在切割8英寸SiC晶錠時，所需的工時可能超過300小時，而且后續(xù)的磨拋工序總計耗時超過5天。這些因素不僅影響了SiC襯底的快速供應能力，也不利于成本的降低。
為了應對這些挑戰(zhàn)，業(yè)界正在探索和開發(fā)更適合SiC材料特性的新型晶體加工方法。其中，激光剝離技術（Laser Lift-Off, LLO）因其潛在的優(yōu)勢而受到了廣泛關注。
激光剝離技術，也稱為激光切割或熱裂法，主要依賴于激光加工和晶體剝離兩個過程。根據(jù)激光加工的方式，該技術可以進一步細分為激光燒蝕和激光改質兩種方法。激光改質技術中，又可區(qū)分為平行改質和垂直改質兩種方式，而垂直改質是目前激光剝離技術研究的主流方向。
垂直改質激光剝離的工作原理是利用激光在SiC材料內(nèi)部形成一個局部的改性層，這個改性層通常是一層薄的損傷層。通過精確控制激光的能量和作用位置，可以在不破壞晶體結構的前提下，創(chuàng)建一個易于分離的界面。之后，通過施加適當?shù)耐饬?，可以實現(xiàn)晶圓的干凈剝離，從而獲得高質量的SiC襯底。
激光剝離技術的優(yōu)勢在于：
減少切割損傷：由于激光加工的高精度特性，可以在材料內(nèi)部形成一個非常薄的損傷層，從而減少對襯底的損傷。
提高切割速度：相比傳統(tǒng)的線切割技術，激光剝離技術有潛力大幅提高切割速度，縮短生產(chǎn)周期。
降低材料損耗：激光剝離技術可以減少因切割造成的材料損耗，提高材料利用率。
環(huán)境友好：激光加工過程不涉及化學砂漿等材料，更為環(huán)保。
相較于上述2種切割技術,激光剝離技術理論上具有速度和損耗等優(yōu)勢。但激光剝離技術尚未在SiC實現(xiàn)規(guī)?；瘧?技術還有待完善,首先是激光能量較大,在形成改性層的同時也會產(chǎn)生燒灼和裂紋,裂紋容易沿激光傳播方向擴展，同時在物理剝離時往往也會在 SiC 襯底中產(chǎn)生微裂紋，阻礙了激光剝離技術的應用。
國內(nèi)方面,北京中電科于2022年10月已實現(xiàn)4英寸、6英寸SiC單晶片的激光剝離,取得突破性進展。激光剝離設備有機結合激光精密加工和晶體可控剝離,實現(xiàn)半導體晶體高可靠切片工藝,可將晶體切割損耗降低60%以上,加工時間減少50%以上,并實現(xiàn)晶體加工整線的高度自動化。
SiC 襯底平坦化工藝技術分析
SiC器件對襯底片的要求包括:表面厚度變化小于1um, Si面表面粗糙度(Ra) s0.3 nm, C面Ra s 0.5 nm,而且表面要保證低的加工損傷和殘余應力。由于切割剝離(砂漿線法)后,SiC襯底通常具有150-250um的損傷層,其表面粗糙度和平整度較差,且存在許多線切割留下的切痕,因此,需要采用平坦化工藝對SiC襯底表面加工,最終得到光滑的拋光片供后段外延工藝使用。
目前,國內(nèi)SiC襯底平坦化加工包括減薄(研磨)、拋光工序。
一、減薄與研磨工藝
SiC襯底的切割損傷層可以通過兩種主要的工藝路線進行減薄，即研磨(Lapping)和磨削(Grinding)工藝。
研磨工藝：目前在市場上占有較高的份額。該工藝通常包括兩個階段：粗磨和精磨。在化學機械拋光(CMP)之前，還需要進行單面機械拋光(DMP)的步驟。研磨工藝的優(yōu)點在于成本相對較低，但它也存在一些缺點，包括工序較為繁瑣，自動化水平不高，對于大尺寸晶圓的加工，存在較高的破片風險。此外，研磨工藝的靈活性較低，不利于單片加工。同時，由于需要使用研磨液，它對環(huán)境也會產(chǎn)生一定的影響。
磨削工藝：作為研磨工藝的替代方法，磨削工藝通常可以提供更高的材料去除率，并且可以更好地控制晶圓的厚度和平整度。磨削工藝可以采用不同的磨料和磨削技術，如金剛石砂輪磨削，以實現(xiàn)更精細和均勻的表面處理。磨削工藝在自動化和靈活性方面具有優(yōu)勢，適合于單片加工，并且可以更好地適應大尺寸晶圓的加工需求。
粗磨是使用粒徑較大的磨粒進行研磨,主要是用于去除切片表面損傷層,速率為3-10um/min,表面粗糙度可達0.2um左右;精磨是用粒徑較小的磨粒進行研磨,主要去除粗研留下的損傷層,保證襯底面型精度(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。
而新近推出的減薄(Grinding)工藝路線有望實現(xiàn)對傳統(tǒng)研磨工藝的替代,其優(yōu)點在于可以省去DMP環(huán)節(jié),加工工藝更精簡;采用磨輪使得加工速度更快;而且加工面型控制能力強,更適合大尺寸晶圓加工;靈活性更好,可以實現(xiàn)單片加工;而且由于無需采用研磨液,加工過程更環(huán)保。以北京中電科設備設備為例，6/8英寸SiC減薄后的晶圓片厚度均勻性(TTV) s 2um,襯底片TTV s 3um;翹曲度(WARP) s 30um;表面彎曲程度(BOW)s±15um; UPH24片/小時(激光剝離面@單面去除80um), UPH27片/小時(多線切割面@雙面去除各70μm)。
現(xiàn)階段,減薄工藝的不足在于磨輪耗材的成本較高,據(jù)了解,北京中電科正在通過對眾多關鍵技術的自主開發(fā),以及聯(lián)合國內(nèi)企業(yè)對金剛石磨輪耗材進行工藝適配,以進一步解決磨輪耗材的品質和成本問題。
二、拋光工藝
經(jīng)過減薄或研磨后, SiC襯底表面損傷深度通常為2-5um,還需要通過拋光工藝來獲得超光滑表面,大多數(shù)的拋光技術都具有共同原理都是圍繞結合"化學+機械"的復合工藝,即先用漿料將SiC損傷層表面進行氧化,再通過磨粒和拋光墊的機械摩擦去除軟化后的氧化層。
目前,業(yè)界已經(jīng)發(fā)展出多種拋光技術,例如化學機械拋光(CMP)、電化學拋光(ECMP)、常壓等離子體輔助磨粒(PAR)、光催化輔助化學機械拋光(PCMP)等,目的都是為了增強拋光效果,例如改善表面粗糙度、提高材料去除率(MRR)?；瘜W增效方法主要有電化學、磁流變、等離子體、光催化等,機械增效方法主要有超聲輔助、混合磨粒和固結磨粒拋光等方法。
到目前為止,新興的CMP效率提升技術仍處于從實驗室到工廠的工業(yè)驗證階段,主流的SiC襯底工藝仍是CMP,其拋光效果主要受工藝參數(shù)、拋光液、拋光墊三方面參數(shù)的影響。
相對較低的材料去除率仍然是CMP的主要問題,與硅襯底CMP每分鐘幾微米的MRR相比,目前SiC襯底CMP的MRR僅為每小時幾微米,盡管現(xiàn)有的CMP方法可以用來生產(chǎn)合格的4H-SiC襯底,但低MRR意味著CMP步驟需要大量的加工時間和成本。為了提升CMP效率,目前業(yè)界已經(jīng)發(fā)展出雙面、批量拋光技術,以往4H-SiC襯底Si面或C面的CMP工時需要3-5小時,通過先進的拋光技術,可以實現(xiàn)1小時完成單批10片襯底的CMP拋光。
此外,一些新的CMP技術也引起了業(yè)界的關注和討論。例如目前,早稻田大學通過氬/氫氣氛氫蝕刻解決了臺階聚束現(xiàn)象,可將聚束臺階從5~ 10nm恢復到1 ~ 1.5nm,有望省去CMP工藝。為了省去研磨和拋光工藝,關西大學和豐田通商聯(lián)合開發(fā)了"Dynamic AGE-ing"非接觸式熱工藝,先講SiC襯底放入超高溫氣相環(huán)境中進行調整表面原子排列,再通過熱刻蝕去除損傷層,再進行MOCVD外延沉積時BPD缺陷密度可以從1000-7000個/cm2 降至 0.06-0.015 個 /cm2。
