碳化硅單晶襯底精密加工技術研究

趙歲花，梁津，王家鵬，衣忠波

(中國電子科技集團公司第四十五研究所，北京 100176)

SiC作為第三代半導體材料的核心之一，是半導體界公認的“一種未來的材料”，是21世紀有廣闊發展潛力的新型半導體材料[1]。與Si、GaAs相比，具有禁帶寬、導熱率高、電子飽和漂移速率大、化學穩定性好等優點，被用于制作高溫、高頻、抗輻射、大功率和高密度集成電子器件。利用其寬禁帶的特性還可以制作藍、綠光和紫外光的發光器件和光電探測器。

本文簡單介紹了SiC材料的結構和特性，以及其在半導體領域的應用，重點分析研究了SiC單晶襯底精密加工技術，即減薄-研磨-拋光技術的方法、原理，以及加工工藝參數對襯底加工效率及表面質量的影響，對提高SiC單晶襯底加工工藝具有重要的指導意義。

1 SiC材料的結構和特性

SiC是IV-IV族二元化合物半導體，也是元素周期表中IV族元素中唯一的一種固態化合物。SiC具有250多種同素異構類型，其中最為重要的兩種為 β-SiC 和 α-SiC。β-SiC，即 3C-SiC，為立方密堆積的閃鋅礦結構，α-SiC為六角密堆積的纖維鋅礦結構，包括6H、4H、15R等。表1為其幾種半導體材料性能參數。

從表1中可以看出，SiC具有寬禁帶、高熱導率、快的電子飽和漂移速率及好的化學穩定性。這些特性使SiC成為目前發展最快的高溫寬禁帶半導體材料之一。

表1 SiC材料與Si、GaAs材料性能參數對比

SiC是一種寬禁帶半導體，不同的結晶狀態具有不同的帶隙，可以用作不同顏色的發光材料。SiC材料具體特性：

（1）SiC材料的寬禁帶特點，大大降低了SiC器件的泄露電流，加上SiC的耐高溫特性，使得SiC器件在高溫電子工作方面具有獨特的優勢。

（2）SiC熱導率高，因而具有優良的散熱性能，有助于提高器件的功率密度和集成度。

（3）SiC具有很高的臨界擊穿電場，可做成具有較高耐壓容量、工作頻率和電流密度的器件。

（4）SiC兩倍于Si的電子漂移速度使其具有優良的微波特性，可以很大程度改良通信、雷達系統性能。

（5）SiC的高硬度和高化學穩定性使其具有高耐磨性[2]。

2 SiC單晶襯底精密加工工藝

SiC器件制造流程為：單晶生長—單晶切割—單晶襯底精密加工—襯底外延—電路制作—晶圓背面精密加工—晶圓劃切—粘片鍵合—封裝—檢測。

SiC單晶襯底加工工藝決定了其表面質量，襯底表面質量不高，直接影響器件的制備水平[3]。目前國內SiC單晶襯底精密加工工序包括減薄—研磨—拋光三步精密加工。

2.1 SiC單晶襯底減薄加工

SiC單晶襯底減薄采用專用減薄設備，由于SiC材料硬度大，用于普通硅晶圓的砂輪無法減薄SiC襯底，需要使用SiC專用砂輪進行減薄。圖1為SiC單晶襯底專用砂輪。圖2為SiC單晶襯底減薄裝置。

圖1 SiC單晶襯底專用減薄砂輪

圖2 SiC單晶襯底減薄設備

在減薄過程中，SiC磨屑會堵塞砂輪表面，使得砂輪去除效果降低，因此需要實時對砂輪表面進行修銳。圖3為SiC單晶襯底減薄前狀態，圖4為SiC單晶襯底減薄后狀態。

圖3 SiC單晶襯底減薄前狀態

圖4 SiC單晶襯底減薄后狀態

減薄對砂輪和減薄工藝參數要求較高，如果砂輪選擇或工藝參數設置不合理，會造成減薄效率低下或減薄完后出現裂紋。圖5為砂輪選擇問題造成SiC單晶襯底減薄完后出現裂紋的情況。

圖5 SiC單晶襯底減薄裂紋

2.2 SiC單晶襯底研磨加工

SiC單晶襯底研磨采用金剛石研磨液進行研磨，研磨液中金剛石粉末粒度影響研磨去除率及研磨表面損傷層，為了達到更好的研磨效果，可以采用粒度較大的研磨液粗研和粒度較小的研磨液精研相結合的方法進行研磨。粗研研磨盤為樹脂銅盤，精研為錫盤。研磨壓力一般控制在0.5～0.8 kN；研磨頭轉速60～80 r/min；研磨盤轉速60 r/min左右。圖6為SiC單晶襯底研磨示意圖。

圖6 SiC單晶襯底研磨示意圖

研磨盤在研磨過程中需要在線對其表面進行實時修銳，保證SiC單晶襯底的去除率；研磨盤修整系統可以使研磨液分布均勻，保證研磨去除效果。研磨盤去除率下降，無法通過在線修整保證去除率時，需要對研磨盤進行離線修整。

研磨壓力、研磨盤轉速同樣影響晶片表面研磨質量：研磨壓力大時，磨速快，但TTV值也會相應增大；壓力較小時，研磨速率變慢；在一定范圍內增大研磨盤轉速可以提高去除率，但轉速越高，襯底表面平整度越差。

2.3 SiC單晶襯底拋光加工

SiC單晶襯底拋光是為了得到高的表面質量來滿足外延生長器件制備的需要。高質量的拋光片表面無任何損傷、變質、亞表面無破壞、無表層應力。圖7為SiC單晶襯底拋光裝置示意圖。

圖7 SiC單晶襯底拋光裝置示意圖

拋光液的種類、拋光墊、拋光壓力、拋光盤轉速等諸多條件決定了拋光質量[4]。（1）拋光液濃度的影響：拋光液的濃度越高，拋光去除能力越強，但襯底表面粗糙度會升高，表面質量下降，濃度降低，拋光去除能力下降，效率降低；（2）較硬的拋光墊能獲得較好的平面度，較軟的拋光墊則可獲得缺陷較少的表面；（3）拋光壓力或轉速增大可以加大材料去除率，但同時會增加材料表面粗糙度和亞表面損傷層，影響表面質量。因此在拋光時應當選擇適當的拋光液、拋光墊、拋光壓力及拋光盤轉速。

3 結 論

目前，SiC研究領域已經取得了很大的成績，但對于SiC單晶襯底精密加工等技術仍舊存在一些難題有待解決。其中提高SiC單晶襯底減薄效率，減小碎片率，降低加工成本，提高加工各階段的表面加工質量，都是需要逐步解決的問題。隨著SiC單晶襯底精密加工技術的發展，SiC材料的應用領域將會更加寬廣，這對我國半導體行業的發展具有重要的意義。

[1] 王輝，琚偉偉，劉香茹，等.半導體SiC材料研究進展及其應用[J].科技創新導報，2008，(1)：8～9.

[2] 張鵬.碳化硅單晶襯底超精密拋光關鍵技術研究[D].山東：山東大學，2017.

[3] 王慶倉，張曉東，蘇建修，等.SiC單晶片化學機械研磨試驗研究[J].表面技術，2015，44(4)，137～140.

[4] 李寶珠.碳化硅單晶拋光片加工技術研究[D].天津：天津大學，2008.