碳化硅襯底精密加工技術(shù)

馮 玢，潘章杰，王 磊，郝建民

(中國電子科技集團公司第四十六研究所，天津 300222)

碳化硅單晶作為第三代寬禁帶半導(dǎo)體材料，具有禁帶寬度大、擊穿電場高、飽和電子漂移速度高、熱導(dǎo)率大等特點，其特殊性能在許多特殊領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用[1]。碳化硅襯底加工技術(shù)是器件制作的重要基礎(chǔ)，只有在成功的加工技術(shù)的支持下，才能將碳化硅材料的性能發(fā)揮出來。然而，由于碳化硅晶體具有高硬、高脆、耐磨性好、化學(xué)性質(zhì)極其穩(wěn)定的特點，使得碳化硅晶片的精密加工非常困難，利用常規(guī)晶體材料的加工技術(shù)和工藝，無法獲得高質(zhì)量的碳化硅晶片。

1 實驗原理

我們根據(jù)碳化硅材料的固有特性，借鑒成熟半導(dǎo)體材料的加工技術(shù)，經(jīng)過大量的工藝試驗，突破了碳化硅材料加工的關(guān)鍵工藝。圖1所示為碳

化硅材料精密加工技術(shù)主要加工工藝流程圖。

圖1 碳化硅襯底精密加工技術(shù)主要工藝流程

1.1 多線切割工藝原理

多線切割工藝就是將晶錠（見圖2）按照一定的晶向，將晶錠切割成表面平整、厚度均勻一的切割片，以便于后面的研磨加工。其基本原理是優(yōu)質(zhì)鋼線在晶錠表面高速來回運動，附著在鋼絲上的切割液中的金剛石顆粒對晶錠產(chǎn)生劇烈摩擦，使得材料碎裂并從母體表面脫落，達到切割的效果。切割設(shè)備實際運行過程中，鋼線經(jīng)導(dǎo)線輪引導(dǎo)，在主軸所在的槽輪上形成一張網(wǎng)，而晶錠固定在工作臺上，并通過工作臺的上升實現(xiàn)進給。如圖3所示。

圖2 75mm碳化硅晶錠

圖3 多線切割設(shè)備

1.2 研磨工藝原理

研磨工藝就是去除切割工藝加工造成的損傷層、刀痕、表面不平整等缺陷，得到均勻平整的表面，為后面的晶片拋光工藝奠定良好的基礎(chǔ)。研磨機上下鑄鐵研磨盤在電機的帶動下分別以順、逆時針方向轉(zhuǎn)動，晶片置于游星輪片槽內(nèi)并隨其進行公轉(zhuǎn)和自轉(zhuǎn)運動，氣缸通過上盤控制研磨壓力，研磨液充滿兩磨盤之間的空隙。研磨過程中，晶片與研磨料顆粒相對運動并發(fā)生大量微碰撞和摩擦，使得晶片表面出現(xiàn)微裂紋并延伸至表面以下，形成表面損傷層。這些微裂紋不斷延伸，如果互相交叉，則其包圍區(qū)域的碳化硅材料會脫落，形成微小的溝槽或凹坑，達到材料去除目的[2]。我們采用的是雙面研磨工藝，與單面研磨工藝相比，因為減少了粘蠟、翻面等工序，能提高加工效率，同時獲得幾何尺寸更好的晶片。

1.3 拋光工藝原理

拋光工藝包含粗拋光和細拋光兩個工藝。粗拋光為機械拋光，原理與研磨工藝類似，但采用磨料硬度比碳化硅材料高的金剛石拋光液和耐磨的聚氨酯材料拋光墊，粗拋光能去除研磨工藝造成的損傷層，進一步降低晶片表面的損傷層厚度，為細拋光做好準(zhǔn)備。細拋光為化學(xué)機械拋光（CMP），原理是在拋光機盤上粘上具有多孔結(jié)構(gòu)的拋光墊，通過其吸附的拋光液中氧化劑、催化劑等物質(zhì)在一定的溫度下與晶片表面物質(zhì)反應(yīng)，晶片表面與拋光墊緊貼并發(fā)生高速相對運動，在拋光液磨料的摩擦作用下晶片表面的反應(yīng)物被不斷剝離，露出新鮮表面。整個過程當(dāng)中拋光液不斷流動，帶走反應(yīng)產(chǎn)物，補充新鮮反應(yīng)物，使得新裸露的表面又被氧化，產(chǎn)物再次被剝離下來，如此循環(huán)反復(fù)，達到材料去除的目的，獲得超光滑的表面[3]。細拋光主要用于去除粗拋光殘余的劃痕和亞表面損傷層，降低晶片表面粗糙度，獲得更完美的晶片表面。

2 實驗方案

2.1 實驗材料

多線切割工藝實驗材料為4個由本單位自主研發(fā)的75mm(3英寸)碳化硅晶錠，切割工藝完成的晶片直接用于研磨實驗，之后晶片用于拋光實驗。實驗時從每個晶錠切割下來的晶片中隨機抽取3片晶片用于實驗數(shù)據(jù)采集。

2.2 實驗設(shè)備和檢測設(shè)備

多線切割工藝實驗在進口高性能多線切割機上實施，研磨工藝在國產(chǎn)雙面研磨機上實施，拋光工藝在中電科技集團公司第四十五研究所生產(chǎn)的單面拋光機上實施。晶片幾何參數(shù)由幾何參數(shù)測試儀測試得出，晶片表面質(zhì)量通過強光燈、微分干涉顯微鏡、原子力顯微鏡（AFM）和掃描電鏡（SEM）檢測來評價。

2.3 實驗條件

實驗條件見表1。

表1 碳化硅加工工藝實驗條件

3 實驗結(jié)果與討論

3.1 實驗結(jié)果

晶片幾何參數(shù)見圖 4、5、6、7。

圖4 晶片的厚度值

圖5 晶片的TTV值

圖6 晶片的Warp值

圖7 晶片的Bow值

晶片表面質(zhì)量見圖 8、9、10、11。

圖8 研磨晶片表面微分干涉測圖

3.2 結(jié)果討論

3.2.1 晶片幾何參數(shù)

晶片的切割、研磨、拋光工序都能影響晶片的幾何參數(shù)，尤其是切割和研磨工序的關(guān)鍵參數(shù)，必須經(jīng)過反復(fù)的試驗和改進。

圖9 粗拋后拋光片AFM檢測圖

圖10 CMP拋光后拋光片AFM檢測圖

圖11 CMP拋光后拋光片SEM檢測圖

多線切割工序必須有合適的切割速度、供線速度、砂漿粒度。若切割速度過慢，切割晶片表面局部發(fā)亮（晶片表面均勻性較差），切割耗時過長，嚴(yán)重影響切割效率；若切割速度過快，切割過程中易發(fā)生拱線現(xiàn)象，嚴(yán)重拱線可能導(dǎo)致斷線，切割晶片幾何參數(shù)也較差。經(jīng)多次實驗，最佳切割速度為1～8mm/h。對于供線速度，若太慢，則切割過程中切割線經(jīng)多次磨耗后切割力急劇下降，切口變小，極易產(chǎn)生夾線，嚴(yán)重夾線可能導(dǎo)致斷線，影響晶片的質(zhì)量甚至碎片；若太快，則會增加切割成本，導(dǎo)致不必要的浪費。經(jīng)多次實驗，最佳供線速度：2～30mm∕min。而對于砂漿粒度，若過小，則切割中切割力不足，易發(fā)生拱線夾線等現(xiàn)象，嚴(yán)重時可能導(dǎo)致斷線，切割片表面易留下較重的切割刀痕，影響晶片幾何尺寸；若砂漿粒度過大，則切割效率較高，但切割片磨耗較大，切割片表面粗糙度較大，幾何參數(shù)較差。經(jīng)多次實驗，最佳砂漿粒度：3～25μm。

研磨工序必須有合適的研磨壓力和轉(zhuǎn)速。壓力和轉(zhuǎn)速過小，則晶片去除率不足，影響研磨加工效率；若過大，則晶片幾何尺寸變差，且晶片容易被壓碎，影響加工成品率。經(jīng)多次實驗最佳研磨壓力：100～500 g∕cm2，10～50 r/min。

由圖4可以看出，切割片厚度約在500μm，切割片經(jīng)研磨后厚度明顯變薄，去除量達到幾十微米，拋光工序也有幾微米的厚度去除量。由圖可以看出，各個晶片的厚度比較均勻，展現(xiàn)出良好的工藝狀態(tài)。由圖5、6、7可以看出，晶片的TTV、Warp、Bow值切割后相對較大，而經(jīng)研磨處理后達到最低值，即幾何尺寸最好的狀態(tài)。由于拋光工序采用的是單面拋光加工方式，所以拋光幾何參數(shù)值略有回升。

3.2.2 晶片表面質(zhì)量

由圖8研磨后晶片表面的微分干涉顯微鏡干涉圖片可見，經(jīng)研磨后晶片表面損傷層均勻，切割片表面的線痕、局部發(fā)亮等區(qū)域已經(jīng)被完全去除。圖9為粗拋后拋光片AFM檢測圖，由于采用金剛石拋光液進行純機械拋光，晶片表面有大量劃痕，粗糙度Ra降到約2 nm，強光燈檢測表面光滑發(fā)亮，沒有崩邊、麻坑等缺陷。由圖10、圖11細拋后AFM和SEM檢測圖可見，細拋后的晶片表面已經(jīng)完全平整，粗拋工序殘留下的損傷層已經(jīng)被完全去除粗糙度Ra降到約0.2 nm，達到后續(xù)外延工藝開盒即用的晶片粗糙度的要求。

4 結(jié) 論

經(jīng)過反復(fù)的調(diào)試和大量試驗的驗證，本工藝各個工藝參數(shù)較為合理，能夠穩(wěn)定制備出了幾何尺寸參數(shù)良好、表面質(zhì)量優(yōu)良的碳化硅晶片。

[1]Yasseen AA，Zorman CA，Mehregany.Roughness reduction of 3C-SiC surfaces using SiC-Based mechanical polishing slurries[J].Journal of the Electrochemical Society，1999，146(1):327-330.

[2]王志芳.晶片研磨速率及損傷層的研究[J].紅外與激光工程，2006，第35卷(增刊):188-191.

[3]M Jing，NO Wood，R Komanduri.Chemo-mechanical polishing(CMP)of silicon nitride(Si3N4)work material with various abrasive[J].Wear，1998，220(1):59-71.