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(shù)是以第一代半導體材料硅基半導體為主，約占95%的份額，但是隨著電動汽車，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，擊穿電場高，飽和電子漂移速度高，導熱率大等特點，特別是在1200V的高壓環(huán)境中，有著明顯的優(yōu)勢。

SIC晶體具有與GaN材料高匹配的晶格常數(shù)和熱膨脹系數(shù)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(chǔ)，其表面加工的質(zhì)量和精度，直接會影響外延薄膜的質(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，無缺陷，無損傷，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，化學穩(wěn)定性好等特點，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晶棒沿著一定的方向切割成晶體薄片的過程。將SiC晶棒切成翹曲度小，厚度均勻的晶片，目前常規(guī)的切割方式是多線砂漿切割

2.研磨

研磨工藝是去除切割過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(guī)的研磨工藝一般分為粗磨和精磨。

1)常規(guī)雙面磨工藝

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

a)粗磨：采用鑄鐵盤+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割產(chǎn)生的損傷層，修復面型，降低TTV，Bow，Warp，去除速率穩(wěn)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，價格極高。      

2)團聚金剛石雙面研磨工藝

國內(nèi)部分襯底廠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。這個工藝，國內(nèi)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(wěn)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以內(nèi)。

3)砂輪單面減薄工藝

部分碳化硅襯底廠商采用砂輪減薄，目前常用的砂輪有2000#粗磨，8000#精磨。該工藝方案加工靈活，穩(wěn)定性高，工藝精簡。但由于減薄過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，多依賴進口。

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以內(nèi)。加工后的碳化硅襯底片可以直接進行最后一道CMP拋光。

3.拋光

通常碳化硅襯底廠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以內(nèi)。             

2)精拋：通常采用100nm以內(nèi)的氧化硅拋光液搭配黑色阻尼布精拋墊使用，使用單面拋光機對碳化硅襯底片的Si面進行拋光。常見的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以內(nèi)。常用來檢測精拋后碳化硅襯底片劃傷的設(shè)備是Candela 8520。

化學機械拋光是通過化學腐蝕和機械磨損協(xié)同作用，實現(xiàn)工件表面材料去除及平坦化的過程。晶片在拋光液的作用下發(fā)生化學氧化作用，表面生成化學反應(yīng)層，隨后該反應(yīng)軟化層在磨粒的機械作用下被除去。