何 超，王英民，李 斌，徐 偉，郝唯佑

（中國電子科技集團公司第二研究所，山西太原030024）

SiC晶片加工技術(shù)現(xiàn)狀與趨勢

何 超，王英民，李 斌，徐 偉，郝唯佑

（中國電子科技集團公司第二研究所，山西太原030024）

SiC單晶材料作為第三代半導(dǎo)體襯底材料，在制作高頻、大功率電子器件等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景，而SiC加工技術(shù)對制作襯底材料起到?jīng)Q定作用。介紹了SiC國內(nèi)外加工技術(shù)的研究現(xiàn)狀，分析和對比了切割、研磨、拋光加工工藝的機理及晶片平整度、粗糙度的變化趨勢，并指出SiC單晶片加工過程中存在的問題和未來的發(fā)展趨勢。

SiC晶片；加工技術(shù)；平整度；粗糙度

寬禁帶半導(dǎo)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(yīng)用，發(fā)展SiC器件成為電子產(chǎn)業(yè)發(fā)展的趨勢，現(xiàn)己成為國際關(guān)注的焦點。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(wěn)定性高，傳統(tǒng)加工半導(dǎo)體材料的方法不完全適用于SiC單晶的加工。國際上各專業(yè)公司已對SiC單晶加工的高難度技術(shù)進行了大量研究，但對相關(guān)技術(shù)嚴(yán)格保密。近年來，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)量制約著我國SiC器件的發(fā)展，國內(nèi)必須提升SiC加工技術(shù)來提高SiC單晶襯底的質(zhì)量，實現(xiàn)襯底的實用化和批量化。

SiC晶片的加工過程與傳統(tǒng)半導(dǎo)體單晶材料的加工過程類同，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，但由于其硬度過大，致使所有的加工過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(shè)備的要求也更為嚴(yán)格。

本文對國內(nèi)外SiC單晶的切割、研磨、拋光工藝的研究進展進行簡單描述。

1　　切割

在SiC單晶的加工過程中，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(xù)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(nèi)圓鋸、外圓鋸、帶鋸、線鋸等；線鋸根據(jù)鋸絲的運動方式可以分為往復(fù)式和環(huán)形運動式；根據(jù)磨粒的切割機理又可分為游離磨料線鋸切片加工技術(shù)和金剛石固結(jié)磨料線鋸切片加工技術(shù)。

1.1傳統(tǒng)切割方法

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

內(nèi)圓鋸片用內(nèi)徑圓周上的金剛石磨料做為切割刀刃進行切割，鋸片可以做到0.2 mm的厚度，切片時，內(nèi)圓刀片作高速旋轉(zhuǎn)運動，被切割材料相對于刀片旋轉(zhuǎn)中心做徑向相對運動，實現(xiàn)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，不能進行多片切割［1］，［2］。

這些傳統(tǒng)的鋸切工具受基體的限制不能轉(zhuǎn)彎，或轉(zhuǎn)彎半徑受限，只能切割直線表面，不能切割曲線表面，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將研磨液帶入工件切縫產(chǎn)生切割作用，多采用往復(fù)式結(jié)構(gòu)，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，晶片表面會產(chǎn)生較大的殘余應(yīng)力、微裂紋和較深的損傷層，導(dǎo)致晶片翹曲變形，面型精度不易控制，還增加了后續(xù)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，磨粒難以進入到長而深的切縫；在相同磨料粒度下鋸口損耗大于固結(jié)磨粒線鋸［3-6］。

1.3固結(jié)磨料金剛石線鋸多線切割

固結(jié)磨料金剛石線鋸?fù)ǔ２捎秒婂?、壓嵌和樹脂結(jié)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(fù)式電鍍金剛石線鋸是目前應(yīng)用最廣泛的切割SiC的方法，圖1是往復(fù)式電鍍金剛石線鋸切割SiC晶片的表面平整度。如圖所示，隨著切割進行，晶片的翹曲度變得越來越大，因為隨著鋸絲向下移動，鋸絲與基體接觸面積變大，鋸絲受到基體的切割阻力變大，鋸絲的抖動加大，當(dāng)鋸絲到達晶片最大直徑處，鋸絲與基體接觸地方抖動最大，造成基體的翹曲度最大。切割后期，由于鋸絲速度經(jīng)過加速、穩(wěn)定速度、減速、停止、換向的過程，同時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有限公司開發(fā)出的一種新的無切縫晶片制造工藝，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(jù)晶片所需厚度，用特定波長的激光將晶錠內(nèi)部改性，在晶片表面涂覆犧牲層和聚合物層后，通過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(fù)工藝。

圖1 SiC晶片線切割后的平整度

圖2冷分離技術(shù)

該工藝中使用的聚合物層通過采用受專利保護的工藝把標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)聚合物和其它化學(xué)品相結(jié)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(xù)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(tǒng)線鋸切割時，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?？蛻舨恍枰獜?fù)雜的基礎(chǔ)設(shè)施，例如不需要污泥儲存、輸送和回收設(shè)施。日本方面也對激光切割技術(shù)進行了研究，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。

圖3切縫損失

圖4激光切割技術(shù)

通過以上切割工藝的簡述，對各切割工藝對比分析，如表1所示。

表1切割工藝對比

隨著半導(dǎo)體材料的直徑逐漸增大，傳統(tǒng)切割技術(shù)已經(jīng)被淘汰，而往復(fù)式金剛石線鋸技術(shù)是目前應(yīng)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(yù)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(yù)定厚度，同時晶片的翹曲、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(jù)磨粒大小可以分為粗磨和精磨，粗磨主要是去除切割時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面，單面研磨過程中，襯底用蠟粘在鋼盤上，通過施加壓力，襯底基片發(fā)生微變形，上表面被壓平；經(jīng)過磨削過程后，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(fù)到原來的形狀，造成被磨平的下表面也發(fā)生變形，這就造成了兩個表面發(fā)生翹曲變形，平面度變差。在晶片研磨過程中，磨盤在非常短的研磨時間內(nèi)就發(fā)生下凹，同時晶片呈凸面，為保證磨盤的平整度，需要對研磨盤進行修整。由于單面研磨效率低、晶片平整度較差，不適合大規(guī)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(jié)磨料研磨盤進行單面減薄，通過真空吸附固定晶片，晶片和金剛石砂輪同時旋轉(zhuǎn)，金剛石砂輪以一定速度向下運動逐步減薄晶片，到指定厚度要求，翻轉(zhuǎn)晶片背面繼續(xù)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(wěn)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。

圖5單面減薄技術(shù)

2.4雙面研磨

雙面研磨具有上、下兩個研磨盤，可以同時研磨襯底的兩個面，雙面研磨可保證加工襯底的表面質(zhì)量。雙面研磨盤首先施壓工件最高點，使該處發(fā)生變形并逐漸被磨平，高點被逐漸磨平后，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(fù)的程度也相同，這樣能實現(xiàn)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，隨著磨料粒徑的減小，表面粗糙度也會降低。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以內(nèi)，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的研磨坑以及直線痕跡，主要是磨料去除作用產(chǎn)生的。

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，而且表面無任何損傷、變質(zhì)，亞表面無破壞，無表層應(yīng)力。

3.1機械拋光

SiC晶體的硬度極高，同時化學(xué)性質(zhì)十分穩(wěn)定，常溫下SiC與其他物質(zhì)難于發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，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，去除研磨過程中產(chǎn)生的劃痕、麻坑、桔皮等表面缺陷，進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(jù)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，降低顆粒度，改變相應(yīng)的工藝參數(shù)，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以內(nèi)，晶片表面的粗糙度在0.25 nm左右，圖中少量白點為表面顆粒污染物。

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(yīng)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，克服化學(xué)拋光和機械拋光的缺點，同時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；無表面、亞表面損傷等。

目前，國外各公司通過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以內(nèi)。國內(nèi)已經(jīng)對CMP從機械作用、化學(xué)作用和流體力學(xué)等多方面進行了研究，但CMP過程的重要參數(shù)，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題還沒有完全研究清楚，特別是對于SiC的反應(yīng)機理還需進一步研究［9］。圖8為CMP后晶片的平整度和粗糙度，接近國外晶片水平。

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)量的過程，加工過程中SiC晶片的平整度和粗糙度如表2所示。

表2加工過程中SiC晶片的平整度及粗糙度

4　　國內(nèi)外加工技術(shù)現(xiàn)狀

目前，國際上實現(xiàn)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(tǒng)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)開發(fā)出200 mm（8英寸）產(chǎn)品，其他SiC生產(chǎn)廠商已轉(zhuǎn)向開發(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、晶體加工和器件研制開發(fā)產(chǎn)業(yè)，相關(guān)儀器設(shè)備的生產(chǎn)開發(fā)也得到長足的發(fā)展。

相比之下，我國目前在SiC領(lǐng)域的研究起步較晚，國內(nèi)從事寬禁帶半導(dǎo)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)過多年的努力，國內(nèi)SiC單晶加工方面，取得了可喜的成績，國內(nèi)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(nèi)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，能夠加工出基本滿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，存在一些問題，國際上對SiC理論和工藝都進行嚴(yán)密技術(shù)封鎖，很難進行借鑒；缺少工藝的改進和優(yōu)化理論研究和支持；國外進口設(shè)備和配件價格高，國內(nèi)對加工設(shè)備在設(shè)備設(shè)計、制造5結(jié)束

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

隨著第三代半導(dǎo)體的不斷發(fā)展，SiC單晶基片的直徑不斷增大，同時對晶片表面加工質(zhì)量的要求也越來越高，晶片加工技術(shù)是繼SiC單晶生長之后的又一高難度技術(shù)，針對現(xiàn)有加工技術(shù)中存在的難題，需要進一步研究切割、研磨、拋光過程中的機理理論，探索SiC單晶片加工的工藝方法和路線。同時，借鑒國外新的加工技術(shù)，采用更先進的超精密加工工藝和設(shè)備，從而制備出高質(zhì)量的襯底。

［1］ China Grinding Wheel Corporation.Brazed Beads with a Diamond Grid for Wire Sawing［J］.Industrial Diamond Review，1998，58（4）：134-136.

［2］ Owen J V.Band saws Join the Mainstream［J］.Manufacturing Engineering，1997，118（2）：7.

［3］ S.Nishijima，YIzumi，S.Takeda，et al.Recycling of abrasives from wasted slurry by superconducting magnetic separation［J］.IEEE Transactions on Applied Superconductivity，2003，13（2）：1596-1599.

［4］ L.Zhu，L.Kao.Computer simulation in back lapping of wire saw sliced semiconductor wafers［R］.Tuscaloosa：The University of Alabama，2003：1235-1240.

［5］K.Ishikawa，H.Suwabe，S.Itoh.Study on slurry in slicing characteristicsatmulti-wire-saw［J］.ProceedingsofASPE，2003，（30）：475-478.

［6］H.Suwabe，K.Ishikawa，A.Kitajima.A study on slurry actions and slicing characteristics of mufti-wire-saw［J］. Proceedings of ASPE，2001，（25）：477-480.

［7］ W.LClark，A.J.Shih，R.L.Lemaster，et al.Fixed abrasive diamond wire machining-Part II：experiment design and results［J］.International Journal of Machine Tools and Manufacture，2003，43（5）：533-542.

［8］Craig W.Hardin，Jun Qu，Albert J.Shih.Fixed abrasive diamond wire saw slicing of single-crystal silicon carbide wafers［J］.Materials and Manufacturing Processes，2004，19（2）：355-367.

［9］ Hocheng H，Tsai H Y，Tsai M S.Effects of kinematic variables on nonuniformity in chemical mechanical planarization［J］.International Journal of Machine Tools& Manufacture，2000，40（11）：1651-1669.

［10］Viktor A M，Traugott E F.Tribochemical polishing［J］. Annual Review of Materials Science，2000，30（1）：27-51.

［11］Hooper B J，Byrne q Galligan S.Pad conditioning in chemical mechanical polishing［J］.Journal of Materials Processing Technology，2002，123（1）：107-113.

［12］Wook-Bae Kim，Sung-Jun Park，Byung-Kwon Min.Surface finishing technique for small parts using dielectrophoretic effects of abrasive particles［J］.Journal of Materials Processing Technology，2004，147（1）：377-384

Recent Development and Perspective of SiC Wafer Machining

HE Chao，WANG Yingmin，LI Bin，XU Wei，HAO Weiyou
（The 2ndResearch Institute of CETC，Taiyuan，030024，China）

As the third generation of semiconductor materials，SiC has a broad application prospect in many fields of producing high frequency，high power electronic devices，the machining technology of SiC plays an decisive role on producing substrate wafer.In this paper，the abroad and domestic development of SiC machining technology is introduced，the theory of slicing，lapping，polishing process and the variation of wafer flatness and roughness is analysised and compared，the issue and future development of SiC wafer machining is described.

SiC wafer；Machining technology；Flatness；Roughness

TM23

A

1004-4507（2016）06-0001-07

2016-03-05

國家自然科學(xué)基金項目（61404117）；國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃863重大專項資助項目（2014AA041401）；山西省自然科學(xué)基金（2014011016-8）