碳化硅單晶襯底精密加工技術(shù)研究

趙歲花，梁津，王家鵬，衣忠波

(中國電子科技集團(tuán)公司第四十五研究所，北京 100176)

SiC作為第三代半導(dǎo)體材料的核心之一，是半導(dǎo)體界公認(rèn)的“一種未來的材料”，是21世紀(jì)有廣闊發(fā)展?jié)摿Φ男滦桶雽?dǎo)體材料[1]。與Si、GaAs相比，具有禁帶寬、導(dǎo)熱率高、電子飽和漂移速率大、化學(xué)穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)，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(lán)、綠光和紫外光的發(fā)光器件和光電探測(cè)器。

本文簡(jiǎn)單介紹了SiC材料的結(jié)構(gòu)和特性，以及其在半導(dǎo)體領(lǐng)域的應(yīng)用，重點(diǎn)分析研究了SiC單晶襯底精密加工技術(shù)，即減薄-研磨-拋光技術(shù)的方法、原理，以及加工工藝參數(shù)對(duì)襯底加工效率及表面質(zhì)量的影響，對(duì)提高SiC單晶襯底加工工藝具有重要的指導(dǎo)意義。

1 SiC材料的結(jié)構(gòu)和特性

SiC是IV-IV族二元化合物半導(dǎo)體，也是元素周期表中IV族元素中唯一的一種固態(tài)化合物。SiC具有250多種同素異構(gòu)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(jié)構(gòu)，α-SiC為六角密堆積的纖維鋅礦結(jié)構(gòu)，包括6H、4H、15R等。表1為其幾種半導(dǎo)體材料性能參數(shù)。

從表1中可以看出，SiC具有寬禁帶、高熱導(dǎo)率、快的電子飽和漂移速率及好的化學(xué)穩(wěn)定性。這些特性使SiC成為目前發(fā)展最快的高溫寬禁帶半導(dǎo)體材料之一。

表1 SiC材料與Si、GaAs材料性能參數(shù)對(duì)比

SiC是一種寬禁帶半導(dǎo)體，不同的結(jié)晶狀態(tài)具有不同的帶隙，可以用作不同顏色的發(fā)光材料。SiC材料具體特性：

（1）SiC材料的寬禁帶特點(diǎn)，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(dú)特的優(yōu)勢(shì)。

（2）SiC熱導(dǎo)率高，因而具有優(yōu)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(chǎng)，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(yōu)良的微波特性，可以很大程度改良通信、雷達(dá)系統(tǒng)性能。

（5）SiC的高硬度和高化學(xué)穩(wěn)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：?jiǎn)尉L(zhǎng)—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(cè)。

SiC單晶襯底加工工藝決定了其表面質(zhì)量，襯底表面質(zhì)量不高，直接影響器件的制備水平[3]。目前國內(nèi)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(shè)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(jìn)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(shè)備

在減薄過程中，SiC磨屑會(huì)堵塞砂輪表面，使得砂輪去除效果降低，因此需要實(shí)時(shí)對(duì)砂輪表面進(jìn)行修銳。圖3為SiC單晶襯底減薄前狀態(tài)，圖4為SiC單晶襯底減薄后狀態(tài)。

圖3 SiC單晶襯底減薄前狀態(tài)

圖4 SiC單晶襯底減薄后狀態(tài)

減薄對(duì)砂輪和減薄工藝參數(shù)要求較高，如果砂輪選擇或工藝參數(shù)設(shè)置不合理，會(huì)造成減薄效率低下或減薄完后出現(xiàn)裂紋。圖5為砂輪選擇問題造成SiC單晶襯底減薄完后出現(xiàn)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(jìn)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(dá)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(jié)合的方法進(jìn)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(zhuǎn)速60～80 r/min；研磨盤轉(zhuǎn)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(duì)其表面進(jìn)行實(shí)時(shí)修銳，保證SiC單晶襯底的去除率；研磨盤修整系統(tǒng)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(shí)，需要對(duì)研磨盤進(jìn)行離線修整。

研磨壓力、研磨盤轉(zhuǎn)速同樣影響晶片表面研磨質(zhì)量：研磨壓力大時(shí)，磨速快，但TTV值也會(huì)相應(yīng)增大；壓力較小時(shí)，研磨速率變慢；在一定范圍內(nèi)增大研磨盤轉(zhuǎn)速可以提高去除率，但轉(zhuǎn)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(zhì)量來滿足外延生長(zhǎng)器件制備的需要。高質(zhì)量的拋光片表面無任何損傷、變質(zhì)、亞表面無破壞、無表層應(yīng)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(zhuǎn)速等諸多條件決定了拋光質(zhì)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(qiáng)，但襯底表面粗糙度會(huì)升高，表面質(zhì)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(zhuǎn)速增大可以加大材料去除率，但同時(shí)會(huì)增加材料表面粗糙度和亞表面損傷層，影響表面質(zhì)量。因此在拋光時(shí)應(yīng)當(dāng)選擇適當(dāng)?shù)膾伖庖骸伖鈮|、拋光壓力及拋光盤轉(zhuǎn)速。

3 結(jié) 論

目前，SiC研究領(lǐng)域已經(jīng)取得了很大的成績(jī)，但對(duì)于SiC單晶襯底精密加工等技術(shù)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(zhì)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(shù)的發(fā)展，SiC材料的應(yīng)用領(lǐng)域?qū)?huì)更加寬廣，這對(duì)我國半導(dǎo)體行業(yè)的發(fā)展具有重要的意義。

[1] 王輝，琚偉偉，劉香茹，等.半導(dǎo)體SiC材料研究進(jìn)展及其應(yīng)用[J].科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào)，2008，(1)：8～9.

[2] 張鵬.碳化硅單晶襯底超精密拋光關(guān)鍵技術(shù)研究[D].山東：山東大學(xué)，2017.

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

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