碳化硅晶片減薄工藝試驗(yàn)研究

梁津，趙歲花，高岳

(中國電子科技集團(tuán)公司第四十五研究所，北京100176)

隨著半導(dǎo)體行業(yè)的飛速發(fā)展，半導(dǎo)體材料也在更新?lián)Q代。第一代半導(dǎo)體材料以硅為主導(dǎo)，技術(shù)成熟，廣泛應(yīng)用于集成電路行業(yè)；第二代半導(dǎo)體材料以砷化鎵和磷化銦為主導(dǎo)，主要應(yīng)用于信息、光纖通信以及半導(dǎo)體激光器等領(lǐng)域[1]；碳化硅材料作為第三代半導(dǎo)體代表性材料，具有高禁帶寬度，較高的擊穿場強(qiáng)，高熱導(dǎo)率等諸多優(yōu)點(diǎn)，可應(yīng)用于照明、顯示等多個(gè)領(lǐng)域。表1對3代半導(dǎo)體材料的物理特性進(jìn)行了對比。

SiC晶錠經(jīng)過切割、研磨、拋光和CMP拋光幾個(gè)工序后加工成碳化硅晶片[1，2]。其中的研磨工序是用高硬度的磨料對線切割后的碳化硅圓片表面進(jìn)行研磨，從而去除上一道工序在圓片表面留下的切痕和損傷層。為了提高研磨效率，研磨又分成粗研和精研兩道工序。粗研使用粒徑較大的磨粒進(jìn)行研磨，主要是用于去除切片工序給碳化硅圓片表面造成的切痕以及損傷層[3]。精研是用粒徑較小的磨粒進(jìn)行研磨，主要去除粗研留下的損傷層，以及保證研磨后晶片的面型精度，為下一步的拋光做準(zhǔn)備。

表1 3代半導(dǎo)體材料物理特性對比

現(xiàn)有粗研效率在3～10 μm/min，表面粗糙度可達(dá)0.2 μm左右，精研效率在5～40 μm/h，精研后表面粗糙度在0.1 μm左右，精研后碳化硅晶片TTV在3～6 μm。研究發(fā)現(xiàn)碳化硅晶片研磨過程中，研磨熱量較大，熱量不易散發(fā)，容易造成晶片翹曲，平整度變差，同時(shí)碳化硅因內(nèi)部應(yīng)力大而容易斷裂[3，4]。

此外，國內(nèi)外學(xué)者研究嘗試了多種磨削方式，例如超聲振動(dòng)輔助磨削，在線電解修整輔助磨削等，用于提高碳化硅晶片的材料去除率以及表面質(zhì)量[4]。這些磨削方式取得了一定的磨削效果，相對于研磨，這些磨削方式能夠降低磨削力，提高表面質(zhì)量。

采用精密晶圓減薄機(jī)，在現(xiàn)有研磨和其他磨削方式的基礎(chǔ)上，提出用減薄磨削的方式對切割后的碳化硅晶片進(jìn)行厚度去除的工藝方案。通過磨削試驗(yàn)，以兼顧碳化硅晶片材料去除率和表面質(zhì)量為目標(biāo)，研究碳化硅晶片的減薄效果。

1 試驗(yàn)條件

圖1 WG-1211S晶圓減薄機(jī)

減薄試驗(yàn)采用WG-1211S晶圓減薄機(jī)，如圖1所示，可加工50～300 mm（2～12英寸）的晶圓，是單主軸單承片臺結(jié)構(gòu)，同時(shí)承片臺單元設(shè)有繃架機(jī)構(gòu)，如圖2所示，可利用繃架機(jī)構(gòu)減薄不規(guī)則尺寸的產(chǎn)品。設(shè)備裝有在線測量儀，如圖3所示，測量分辨率在0.1 μm，該測量機(jī)構(gòu)是全閉環(huán)控制，對減薄過程中的晶圓進(jìn)行實(shí)時(shí)厚度檢測，以消除減薄過程中的熱膨脹和磨輪損耗的影響，從而保證晶圓厚度的一致性和準(zhǔn)確性。

圖2 帶繃架機(jī)構(gòu)吸附方式

圖3 在線測量儀位置示意圖

減薄機(jī)根據(jù)in-feed磨削原理進(jìn)行設(shè)計(jì)，晶圓自旋轉(zhuǎn)的同時(shí)，主軸機(jī)構(gòu)帶動(dòng)砂輪旋轉(zhuǎn)，同時(shí)砂輪向下進(jìn)給，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)減薄過程，減薄原理如圖4所示[5，6]。減薄機(jī)的關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)指標(biāo)見表2。

圖4 in-feed磨削原理示意圖

試驗(yàn)過程中，磨削液和冷卻液均為20℃±1℃的去離子水，砂輪選用直徑300 mm的目數(shù)#1200，#2000，#4800陶瓷結(jié)合劑砂輪。碳化硅樣片選擇的是線切割后的100mm(4英寸)碳化硅晶片，初始厚度450μm，進(jìn)過三次減薄試驗(yàn)后，減薄至200μm。

表2 WG-1211S晶圓減薄機(jī)主要技術(shù)指標(biāo)

2 檢測方法

減薄后采用Sigmatech UltraMapS－200BFP晶圓厚度翹曲測量系統(tǒng)對碳化硅晶片進(jìn)行測量。該測量系統(tǒng)可以測量50～200 mm的晶片，厚度測量范圍在50～3 000 μm，擴(kuò)展的翹曲變形范圍達(dá)5 mm，可用于測量晶片的TTV、TIR、WARP，以及BOW值。

采用美國Veeco公司的WYKO NT1100型表面輪廓儀對碳化硅晶片的表面形貌和表面粗糙度值Ra進(jìn)行測量。該儀器利用光學(xué)干涉法對晶片表面進(jìn)行非接觸測量，測量范圍從亞納米級到毫米級。

3 試驗(yàn)過程

將碳化硅晶片用UV膜（160 μm）固定在繃架上，將繃架真空吸附在多孔陶瓷承片臺上，如圖5所示。

圖5 碳化硅晶片磨削前

首先采用目數(shù)1200#的砂輪對碳化硅晶片進(jìn)行減薄，將上一道工序中碳化硅晶片表面的切痕進(jìn)行去除，同時(shí)保證去除效率，減薄厚度在150 μm左右；再次采用目數(shù)2000#的砂輪進(jìn)行減薄試驗(yàn)，將上一步1200#砂輪減薄給晶片帶來的損傷進(jìn)行去除，并減小了內(nèi)應(yīng)力，減薄厚度在70 μm左右；最后采用目數(shù)4800#的砂輪對晶片表面進(jìn)行減薄，將上一步2000#砂輪減薄帶來的損傷進(jìn)行去除，再次減小內(nèi)應(yīng)力，同時(shí)保證面型精度和晶片翹曲度等，減薄厚度在30 μm左右。試驗(yàn)工藝參數(shù)見表3。

表3 試驗(yàn)工藝參數(shù)

4 試驗(yàn)結(jié)果與分析

用WYKO NT1100型表面輪廓儀觀查減薄后的碳化硅晶片表面形貌并測量表面粗糙度Ra值。圖8（a）、（b）、（c）是1200#、2000#、4800#金剛石砂輪減薄后碳化硅晶片的表面形貌，從圖中可以看出，三種目數(shù)的砂輪減薄后，晶片表面紋理均勻細(xì)致，2000#砂輪減薄后晶片的表面紋理比1200#砂輪減薄后晶片的表面紋理淺，但是2000#和4800#號磨削碳化硅晶片表面有破碎和斑點(diǎn)（見圖6（b）、（c）中圓內(nèi)）。

從圖7中可以看出，輪廓儀測量了0～10 μm范圍內(nèi)晶片表面的高度變化。在4～5 μm之間，晶片表面高度由0.02 μm左右變化至0.11 μm左右，也就是圖7左圖中亮斑（圓內(nèi)）所在位置，該現(xiàn)象表明，亮斑是高于晶片表面的凸起。導(dǎo)致亮斑產(chǎn)生的原因分析可能砂輪目數(shù)越高，自銳性越差，在磨削碳化硅這種高硬度材料時(shí)，砂輪上的金剛石磨粒極易磨損和鈍化，加上磨削區(qū)域溫度較高，導(dǎo)致砂輪齒中結(jié)合劑的部分被高溫?zé)齻?，如圖8中砂輪齒上的黑色區(qū)域所示（圖8圓內(nèi)區(qū)域），結(jié)合劑不能及時(shí)帶著鈍化的磨粒一起脫落，進(jìn)一步導(dǎo)致鈍化的磨粒繼續(xù)參與磨削碳化硅晶片，由于磨削能力不足，鈍化的磨粒對碳化硅晶片表面的擠壓，造成了圖7中亮斑的形成。

圖6 金剛石砂輪減薄后碳化硅晶片表面形貌

圖7 4800#砂輪減薄后碳化硅晶片表面形貌

按圖9的測量方式測量晶片表面9點(diǎn)的粗糙度值，1200#、2000#、4800#金剛石砂輪減薄后碳化硅晶片的表面粗糙度值Ra范圍分別是：45～55 nm、25～35 nm和6～15 nm。從測量數(shù)據(jù)可以看出，隨著金剛石砂輪目數(shù)的增加，減薄后晶片表面質(zhì)量逐漸變好，但是亮斑的存在會使晶片表面質(zhì)量變差。

圖8 被燒傷的金剛石砂輪表面

圖9 減薄后碳化硅晶片表面粗糙度測量點(diǎn)

用Sigmatech UltraMapS－200BFP晶圓厚度翹曲測量系統(tǒng)對最終減薄后的碳化硅晶片進(jìn)行測量，測量值見表4。從表4中可以看出，最終減薄后，晶片平均厚度在210 μm左右，距離目標(biāo)厚度200 μm差10 μm，TTV為2.05 μm，比碳化硅晶片研磨后的TTV值要小，晶片的翹曲度值為34.75 μm，彎曲度值在20 μm以內(nèi)。

表4 減薄后碳化硅晶片厚度翹曲等測量值

5 結(jié)束語

在碳化硅晶片制作過程中，通常采用研磨對碳化硅晶片進(jìn)行厚度去除，我們采用減薄的方式代替研磨工序?qū)M(jìn)行厚度去除，并進(jìn)行試驗(yàn)比較分析。用WG-1211S晶圓減薄機(jī)對線切割后的100 mm碳化硅晶片進(jìn)行厚度去除，利用三種不同目數(shù)的砂輪將晶片從450 μm減薄至200 μm。最終晶片減薄至210 μm，TTV為2.05 μm，4800#金剛石砂輪減薄后晶片的表面粗糙度值Ra在6～15 nm，根據(jù)表3中的工藝參數(shù)得出1200#砂輪減薄效率在6～7.3 μm/min，2000#砂輪的減薄效率在2.5～3.6 μm/min，4800#砂輪的減薄碳化硅晶片效率在1～1.5 μm/min，跟研磨碳化硅晶片的效率以及晶片表面質(zhì)量和TTV等相比，減薄的方式能實(shí)現(xiàn)切割后碳化硅晶片的厚度去除。

[1]梁曉輝.碳化硅磨削去除機(jī)理及亞表面裂紋研究[D].哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2013.

[2]陳國美.碳化硅晶片超精密拋光工藝及機(jī)理研究[D].江南大學(xué)，2017.

[3]范超幸.碳化硅的金剛石高效精密磨削機(jī)理和實(shí)驗(yàn)研究[D].哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2006.

[4]王健，鄭非非，董志剛，等.碳化硅磨削亞表面損傷檢測方法[J].金剛石與磨料磨具工程，2015，35(4)：60-65.

[5]田業(yè)冰.大尺寸硅片磨削平整化理論與工藝技術(shù)的研究[D].大連理工大學(xué)，2007.

[6]田業(yè)冰.硅片超精密磨削表面質(zhì)量和材料去除率的研究[D].大連理工大學(xué)，2005.