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SiC晶片加工技術(shù)現狀與趨勢
2022-03-27 09:46:21.0

2022-03-27 09:46:21.0 | 分類(lèi): | 瀏覽量:2916

寬禁帶半導體材料碳化硅SiC單晶因其優(yōu)異的性能在制作抗輻射、高頻、大功率和高密度集成電子器件等方面得到了廣泛的應用,發(fā)展SiC器件成為電子產(chǎn)業(yè)發(fā)展的趨勢,現己成為國際關(guān)注的焦點(diǎn)。目前,SiC器件的發(fā)展已經(jīng)取得一定成效,但高質(zhì)量SiC襯底的產(chǎn)量一直很低,主要受SiC單晶加工技術(shù)的制約。SiC單晶的硬度極高,化學(xué)穩定性高,傳統加工半導體材料的方法不完全適用于SiC單晶的加工。國際上各專(zhuān)業(yè)公司已對SiC單晶加工的高難度技術(shù)進(jìn)行了大量研究,但對相關(guān)技術(shù)嚴格保密。近年來(lái),我國加強了SiC單晶材料和器件的研制,而SiC加工技術(shù)和晶片的質(zhì)量制約著(zhù)我國SiC器件的發(fā)展,國內必須提升SiC加工技術(shù)來(lái)提高SiC單晶襯底的質(zhì)量,實(shí)現襯底的實(shí)用化和批量化。

SiC晶片的加工過(guò)程與傳統半導體單晶材料的加工過(guò)程類(lèi)同,主要分為:切割→粗研磨→精研磨→粗拋光(機械拋光)→精拋光(化學(xué)機械拋光)→檢測等多道工序,但由于其硬度過(guò)大,致使所有的加工過(guò)程和工藝均需使用高硬度材料和特殊的工藝技術(shù),對加工設備的要求也更為嚴格。

本文對國內外SiC單晶的切割、研磨、拋光工藝的研究進(jìn)展進(jìn)行簡(jiǎn)單描述。

1  切割

在SiC單晶的加工過(guò)程中,切割加工是第一道工序,占有很重要的地位,切割晶片的彎曲度Bow、翹曲度Warp、總厚度變化TTV決定了后續研磨、拋光的加工水平。切割工具按照形狀可以分為金剛石內圓鋸、外圓鋸、帶鋸、線(xiàn)鋸等;線(xiàn)鋸根據鋸絲的運動(dòng)方式可以分為往復式和環(huán)形運動(dòng)式;根據磨粒的切割機理又可分為游離磨料線(xiàn)鋸切片加工技術(shù)和金剛石固結磨料線(xiàn)鋸切片加工技術(shù)。

1.1傳統切割方法

外圓鋸鋸切深度受到鋸片直徑限制,切割過(guò)程中鋸片易產(chǎn)生振擺和跑偏,噪音大、鋸片剛性差。

內圓鋸片用內徑圓周上的金剛石磨料做為切割刀刃進(jìn)行切割,鋸片可以做到0.2 mm的厚度,切片時(shí),內圓刀片作高速旋轉運動(dòng),被切割材料相對于刀片旋轉中心做徑向相對運動(dòng),實(shí)現對材料的切片。

金剛石帶鋸需要頻繁停止、換向,切削速度非常低,一般不超過(guò)2 m/s。機械磨損大,維修費用高,受到鋸條寬度的限制,切割曲率半徑不能太小,不能進(jìn)行多片切割[1],[2]。

這些傳統的鋸切工具受基體的限制不能轉彎,或轉彎半徑受限,只能切割直線(xiàn)表面,不能切割曲線(xiàn)表面,切縫較寬,出片率較低,不適用SiC晶體切割。

1.2游離磨料鋼絲鋸多線(xiàn)切割

游離磨料的鋼絲鋸切片技術(shù)是利用鋼絲的快速運動(dòng)將研磨液帶入工件切縫產(chǎn)生切割作用,多采用往復式結構,是目前用于多片高效切割單晶硅較為成熟的技術(shù),但用于SiC切割的研究較少。游離磨料線(xiàn)鋸能加工厚度小于300 μm的晶片,鋸口損耗少,很少產(chǎn)生崩片,表面質(zhì)量較好,但由于靠磨粒的滾壓釬入作用的材料去除機理,晶片表面會(huì )產(chǎn)生較大的殘余應力、微裂紋和較深的損傷層,導致晶片翹曲變形,面型精度不易控制,還增加了后續加工量;切割能力受磨漿影響較大,必須保持磨粒的銳利性和磨漿的濃度,磨漿的處理和回收成本高;切割大尺寸坯料時(shí),磨粒難以進(jìn)入到長(cháng)而深的切縫;在相同磨料粒度下鋸口損耗大于固結磨粒線(xiàn)鋸[3-6]。

1.3固結磨料金剛石線(xiàn)鋸多線(xiàn)切割

固結磨料金剛石線(xiàn)鋸通常采用電鍍、壓嵌和樹(shù)脂結合等方法將金剛石磨粒鑲嵌在鋼絲基體上制備而成。電鍍金剛石線(xiàn)鋸切片具有切縫更窄、切片質(zhì)量更好、效率更高、污染更小、能切割高硬度材料等優(yōu)勢[7,8]。

往復式電鍍金剛石線(xiàn)鋸是目前應用最廣泛的切割SiC的方法,圖1是往復式電鍍金剛石線(xiàn)鋸切割SiC晶片的表面平整度。如圖所示,隨著(zhù)切割進(jìn)行,晶片的翹曲度變得越來(lái)越大,因為隨著(zhù)鋸絲向下移動(dòng),鋸絲與基體接觸面積變大,鋸絲受到基體的切割阻力變大,鋸絲的抖動(dòng)加大,當鋸絲到達晶片最大直徑處,鋸絲與基體接觸地方抖動(dòng)最大,造成基體的翹曲度最大。切割后期,由于鋸絲速度經(jīng)過(guò)加速、穩定速度、減速、停止、換向的過(guò)程,同時(shí)基體碎屑難以隨冷卻液流走,晶片表面質(zhì)量較差。鋸絲換向和速度發(fā)生變化,鋸絲上大顆粒的金剛石是造成切痕的主要原因。

1.4冷分離技術(shù)

冷分離技術(shù)cold split是由德國Siltectra有限公司開(kāi)發(fā)出的一種新的無(wú)切縫晶片制造工藝,如圖2所示,晶錠表面經(jīng)粗拋光或酸洗工藝處理后,達到50 nm以下的表面粗糙度和大于90%的透光率,根據晶片所需厚度,用特定波長(cháng)的激光將晶錠內部改性,在晶片表面涂覆犧牲層和聚合物層后,通過(guò)快速冷卻將晶片剝離,最后去掉聚合物層和犧牲層得到晶片,剩余晶錠可回收和重復工藝。


圖1 SiC晶片線(xiàn)切割后的平整度

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圖2冷分離技術(shù)

該工藝中使用的聚合物層通過(guò)采用受專(zhuān)利保護的工藝把標準工業(yè)聚合物和其它化學(xué)品相結合,厚度小于5 mm,從錠塊上直接剝離晶片,晶片表面損傷層為3~5 μm,最大切割晶片厚度1 mm,總厚度變化TTV小于1 μm,晶片后續加工基本不需要研磨,只需要少量的清洗,就可以達到良好的晶片質(zhì)量。

如圖3所示,傳統線(xiàn)鋸切割時(shí),不同材料和晶片尺寸切縫損失10%~40%,冷分離技術(shù)可減少材料損失90%以上,切縫損失小于1%,從相同的錠塊上可以多產(chǎn)出大約33%的晶片??蛻?hù)不需要復雜的基礎設施,例如不需要污泥儲存、輸送和回收設施。日本方面也對激光切割技術(shù)進(jìn)行了研究,如圖4所示,同樣采用激光剝離技術(shù)從SiC晶體上剝離出晶片,該技術(shù)處于研究階段。

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圖3切縫損失

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4激光切割技術(shù)

通過(guò)以上切割工藝的簡(jiǎn)述,對各切割工藝對  比分析,如表1所示。

1切割工藝對比

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隨著(zhù)半導體材料的直徑逐漸增大,傳統切割技術(shù)已經(jīng)被淘汰,而往復式金剛石線(xiàn)鋸技術(shù)是目前應用前景最好的切割工藝。激光切割技術(shù)作為一種新型方法,具有很大的優(yōu)勢,預計將是今后切割的主要方法。

2研  磨

研磨的目的是去除晶片切割后表面的刀痕、劃痕和表面損傷層等缺陷,達到預定厚度,同時(shí)晶片的翹曲、彎曲、總厚度變化、表面粗糙度降至最小。

2.1粗磨精磨

研磨根據磨粒大小可以分為粗磨和精磨,粗磨主要是去除切割時(shí)的刀痕及切割引起的加工變質(zhì)層,提高加工效率,使用較大的磨粒;精磨去除粗磨留下的加工損傷層,改變表面粗糙度,提高表面質(zhì)量,使用粒徑更小的磨粒。

2.2單面研磨

單面研磨一次只能磨削襯底的一個(gè)面,單面研磨過(guò)程中,襯底用蠟粘在鋼盤(pán)上,通過(guò)施加壓力,襯底基片發(fā)生微變形,上表面被壓平;經(jīng)過(guò)磨削過(guò)程后,下表面被磨平;去除壓力之后,襯底發(fā)生微變形,上表面基本恢復到原來(lái)的形狀,造成被磨平的下表面也發(fā)生變形,這就造成了兩個(gè)表面發(fā)生翹曲變形,平面度變差。在晶片研磨過(guò)程中,磨盤(pán)在非常短的研磨時(shí)間內就發(fā)生下凹,同時(shí)晶片呈凸面,為保證磨盤(pán)的平整度,需要對研磨盤(pán)進(jìn)行修整。由于單面研磨效率低、晶片平整度較差,不適合大規模生產(chǎn)。

2.3單面減薄技術(shù)

金剛石單面減薄技術(shù)是一種新型單面研磨技術(shù),如圖5所示,采用金剛石固結磨料研磨盤(pán)進(jìn)行單面減薄,通過(guò)真空吸附固定晶片,晶片和金剛石砂輪同時(shí)旋轉,金剛石砂輪以一定速度向下運動(dòng)逐步減薄晶片,到指定厚度要求,翻轉晶片背面繼續減薄。100 mm晶片減薄后可以達到Bow小于5 μm,TTV小于2 μm的平整度,粗糙度小于1nm,該技術(shù)采用單片加工,穩定性、一致性好,研磨去除率高,相比普通雙面研磨,其研磨效率可提高50%以上。

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圖5單面減薄技術(shù)

2.4雙面研磨

雙面研磨具有上、下兩個(gè)研磨盤(pán),可以同時(shí)研磨襯底的兩個(gè)面,雙面研磨可保證加工襯底的表面質(zhì)量。雙面研磨盤(pán)首先施壓工件最高點(diǎn),使該處發(fā)生變形并逐漸被磨平,高點(diǎn)被逐漸磨平后,襯底所受壓力逐漸減小,襯底均勻受力,使各處變形一致,上、下表面都被磨平。研磨完成后去除壓力,各處由于受相同壓力作用,恢復的程度也相同,這樣能實(shí)現非常小的翹曲變形,平面度也較好。

用不同粒度的磨料研磨后,晶片表面粗糙度不同,隨著(zhù)磨料粒徑的減小,表面粗糙度也會(huì )降低。如圖6所示,用5 μm的磨料雙面研磨的晶片平整度和厚度誤差可以控制在5 μm以?xún)?,晶片表面用AFM測其粗糙度Rq在100 nm左右,晶片表面存在深度380 nm的研磨坑以及直線(xiàn)痕跡,主要是磨料去除作用產(chǎn)生的。

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圖6雙面研磨晶片的平整度和粗糙度

3拋  光

拋光要完全去除研磨坑以及晶片表面納米量級上的微小起伏,提高拋光片的表面光潔度,而且表面無(wú)任何損傷、變質(zhì),亞表面無(wú)破壞,無(wú)表層應力。

3.1機械拋光

SiC晶體的硬度極高,同時(shí)化學(xué)性質(zhì)十分穩定,常溫下SiC與其他物質(zhì)難于發(fā)生化學(xué)反應,因此需要機械拋光去除晶片表面的微小研磨坑,降低表面損傷層,去除研磨過(guò)程中產(chǎn)生的劃痕、麻坑、桔皮等表面缺陷,進(jìn)一步降低晶片表面粗糙度,提高晶片平整度,提高晶片表面質(zhì)量。依據晶片表面去除原理,為了得到高質(zhì)量的拋光表面,需要改變磨料的種類(lèi),降低顆粒度,改變相應的工藝參數,選擇足夠的硬度的拋光料和拋光布。如圖7所示,用1 μm的磨料雙面拋光的晶片,其平整度和厚度誤差可以控制在10 μm以?xún)?,晶片表面的粗糙度?.25 nm左右,圖中少量白點(diǎn)為表面顆粒污染物。

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圖7機械拋光晶片的平整度和粗糙度

3.2化學(xué)機械拋光

化學(xué)機械拋光 (CMP)技術(shù)是借助超微粒子的研磨作用以及拋光液的化學(xué)腐蝕作用在被研磨的介質(zhì)表面上形成光潔平坦平面,CMP的基本原理是,首先拋光液的化學(xué)反應作用使晶片表面形成軟質(zhì)層,磨粒和軟質(zhì)層的摩擦力再將其去除。該方法具有很多優(yōu)點(diǎn),克服化學(xué)拋光和機械拋光的缺點(diǎn),同時(shí)獲得全局和局部平坦化;獲得高精度的加工表面粗糙度和平面度;無(wú)表面、亞表面損傷等。

目前,國外各公司通過(guò)CMP加工SiC晶片Si面可獲得粗糙度為0.15 nm的表面質(zhì)量,晶片平整度達到10 μm以?xún)?。國內已?jīng)對CMP從機械作用、化學(xué)作用和流體力學(xué)等多方面進(jìn)行了研究,但CMP過(guò)程的重要參數,如拋光壓力、拋光液的溫度及其pH值、晶片與拋光墊之間的相對運動(dòng)速度等對晶片表面材料去除率和非均勻性的影響等方面的許多問(wèn)題還沒(méi)有完全研究清楚,特別是對于SiC的反應機理還需進(jìn)一步研究[9]。圖8為CMP后晶片的平整度和粗糙度,接近國外晶片水平。

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圖8化學(xué)機械拋光晶片的平整度和粗糙度

除了上述拋光技術(shù)和工藝外,電化學(xué)拋光、催化劑輔助拋光或催化劑輔助刻蝕、摩擦化學(xué)拋光等其他拋光工藝技術(shù)被相繼提出,但這些方法尚處于研究階段,且由于SiC材料本身的特性,發(fā)展較為緩慢[10-12]。

SiC加工是逐步降低翹曲度和粗糙度、提高表面質(zhì)量的過(guò)程,加工過(guò)程中SiC晶片的平整度和粗糙度如表2所示。

表2加工過(guò)程中SiC晶片的平整度及粗糙度

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4  國內外加工技術(shù)現狀

目前,國際上實(shí)現SiC單晶拋光片商品化的公司基本分布在美國、歐洲、日本,主要有美國的Cree公司、Bandgap公司、Dow Corning公司、II-VI公司、Instrinsic公司、日本的Nippon公司、Sixon公司、芬蘭的Okmetic公司、德國的SiCrystal公司等。全球主要SiC晶片制造商是美國Cree公司,占到95%的市場(chǎng)份額,是全球SiC晶片行業(yè)的先行者,其SiC單晶材料的技術(shù)水平完全代表了國際水平。目前,直徑150 mm(6英寸)的襯底和外延器件產(chǎn)品已經(jīng)批量生產(chǎn),最早可投產(chǎn)150 mm產(chǎn)品的是Cree公司,年產(chǎn)量達到18噸,采用與傳統工藝不同的加工工藝,其襯底的加工平整度、粗糙度和表面質(zhì)量處于領(lǐng)先水平。到目前為止,Cree已經(jīng)開(kāi)發(fā)出200 mm(8英寸)產(chǎn)品,其他SiC生產(chǎn)廠(chǎng)商已轉向開(kāi)發(fā)200 mm產(chǎn)品,并能提供樣品??傊?,歐美和日本己形成較為完善的SiC生長(cháng)、晶體加工和器件研制開(kāi)發(fā)產(chǎn)業(yè),相關(guān)儀器設備的生產(chǎn)開(kāi)發(fā)也得到長(cháng)足的發(fā)展。

相比之下,我國目前在SiC領(lǐng)域的研究起步較晚,國內從事寬禁帶半導體單晶材料制備和加工技術(shù)研究始于2000年以后,主要集中在科學(xué)院、高等院校和研究所等有關(guān)單位,主要有中國電子科技集團公司第四十六研究所、山東大學(xué)、西安理工大學(xué)、中科院物理所和中科院硅酸鹽所等。經(jīng)過(guò)多年的努力,國內SiC單晶加工方面,取得了可喜的成績(jì),國內已經(jīng)研制出100 mm摻雜半絕緣4H-SiC單晶,n型4H-SiC、6H-SiC單晶可以批量化生產(chǎn),天科合達和天閱已經(jīng)研制出了150 mm SiC單晶。在SiC晶片的加工技術(shù)方面,國內相關(guān)單位初步探索出了單晶切割、研磨、拋光加工的工藝條件和路線(xiàn),能夠加工出基本滿(mǎn)足器件制備要求的樣片,但晶片表面加工質(zhì)量與國外相比仍然有較大差距,存在一些問(wèn)題,國際上對SiC理論和工藝都進(jìn)行嚴密技術(shù)封鎖,很難進(jìn)行借鑒;缺少工藝的改進(jìn)和優(yōu)化理論研究和支持;國外進(jìn)口設備和配件價(jià)格高,國內對加工設備在設備設計、制造5結  束

觀(guān)念,加工精度、設備材質(zhì)等方面的研究與國外存在較大差距;國內基本上使用國外高精度的儀器,檢測設備和檢測方法有待完善。

隨著(zhù)第三代半導體的不斷發(fā)展,SiC單晶基片的直徑不斷增大,同時(shí)對晶片表面加工質(zhì)量的要求也越來(lái)越高,晶片加工技術(shù)是繼SiC單晶生長(cháng)之后的又一高難度技術(shù),針對現有加工技術(shù)中存在的難題,需要進(jìn)一步研究切割、研磨、拋光過(guò)程中的機理理論,探索SiC單晶片加工的工藝方法和路線(xiàn)。同時(shí),借鑒國外新的加工技術(shù),采用更先進(jìn)的超精密加工工藝和設備,從而制備出高質(zhì)量的襯底。

作者: 何超 轉載自: 碳化硅SiC半導體材料

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