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碳化硅单晶衬底切、磨、抛材料整体解决方案

2022-10-28浏览量：1932

信息导读：

　　苏州博来纳润电子材料有限公司张泽芳/文

　　半导体产业是现代科技发展的原始驱动力，代表一个国家科学技术发展最高水平。第一代Si基半导体产业在过去半个多世纪引领发达国家经济高速发展，构建了坚实的规模与技术壁垒，中国在过去十几年奋起直追，但前行路途仍充满艰难与挑战。第三代SiC基宽禁带半导体全球目前整体处于发展初期阶段，我国与国际巨头公司之间的整体技术差距相对较小，有可能实现弯道超车。碳化硅晶圆是一种由碳和硅两种元素组成的化合物半导体单晶材料，具备禁带宽度大、热导率高、临界击穿场强高、电子饱和漂移速率高等特点，可有效突破传统硅基半导体器件及其材料的物理极限，开发出更适应高压、高温、高功率、高频等条件的新一代半导体器件。

　　SiC根据其电学性上质分为导电型和半绝缘型两种，其中半绝缘型（电阻率＞105Ω.cm）碳化硅衬底能够制得碳化硅基氮化镓异质外延片，可进一步制成HEMT等微波射频器件，应用于5G通信、信号接收器等为代表的射频领域；导电型（电阻率15~30mΩ.cm）碳化硅衬底则可制得碳化硅同质外延片，可进一步制成肖特基二极管、MOSFET、IGBT等功率器件，应用在新能源汽车、“新基建”为代表的电力电子领域。碳化硅在民用、军用领域均具有明确且可观的市场前景。

　　据CASA Research整理，2019年有6家国际巨头宣布了12项扩产，主要为衬底产能的扩张，其中最大的项目为美国Cree公司投资近10亿美元的扩产计划。根据Yole数据，导电型碳化硅衬底市场规模取得较快增长，2018年至2020年，全球导电型碳化硅衬底市场规模从1.73亿美元增长至亿美元增长至2.76亿美元，复合增长率为26.36%。根据Yole预计，受益于碳化硅功率器件在电动汽车等下游应用的增长，导电型碳化硅衬底市场未来将快速发展。

　　不论导电型还是半绝缘型，其应用中SiC衬底的表面超光滑是必备条件。SiC表面的不平整会导致其表面同质外延的SiC薄膜和异质外延的GaN薄膜位错密度的增加，从而影响器件性能。上述应用领域的快速发展要求SiC晶片表面能达到原子级平整且表面几乎无微观缺陷，SiC晶片的超精密平整技术研究对于促进第三代半导体技术的发展具有极其重要的意义。

　　衬底是所有半导体芯片的底层材料，起到物理支撑、导热、导电等作用；数据显示，衬底成本大约占晶片加工总成本的50%，外延片占25%，器件晶圆制造环节20%，封装测试环节5%。SiC衬底不止贵，生产工艺还复杂，与硅相比，SiC很难处理。SiC单晶衬底加工过程包括单晶多线切割、研磨、抛光、清洗最终得到满足外延生长的衬底片。SiC是世界上硬度排名第三的物质，不仅具有高硬度的特点，高脆性、低断裂韧性也使得其磨削加工过程中易引起材料的脆性断裂从而在材料表面留下表面破碎层，且产生较为严重的表面与亚表层损伤，影响加工精度。所以在研磨、锯切和抛光阶段，挑战也非常大，其加工难主要体现在：(1)硬度大，莫氏硬度分布在9.2～9.6；(2)化学稳定性高，几乎不与任何强酸或强碱发生反应；(3)加工设备尚不成熟。

　　因此，碳化硅衬底切割、研磨、加工的耗材还需不断发展和完善。下面我们对各工序产品进行逐一介绍。

　　碳化硅单晶衬底多线切割液

　　目前切割碳化硅的主流方法是砂浆线切割(游离磨粒线切割)，砂浆线切割(游离磨粒线切割)是指在加工过程中切割线往复高速运动，在晶棒和切割线处喷入切割液，高速运动的切割线将磨料带到加工区域，实现材料的切割。砂浆线切割(游离磨粒线切割)法出品率高，锯切损耗小，表面质量好。

　　砂浆线切割(游离磨粒线切割)的线切割液主要由油性线切割液和金刚石粉组成。线切割液提供粉末的分散与传输。金刚石粉末分散在线切割液之后，随着线切割液的运动而均匀分布在钢线之上，通过切割液中的游离磨粒与工件之间滚动-压痕机理来进行碳化硅的切割。

　　在切割过程中，线切割液品质十分重要，需满足以下性能：

　　①分散性好：能够让金刚石粉末长时间分散悬浮在液体之中。

　　②优异的散热性能：在使用过程中保持稳定的温度范围。

　　③稳定性好：加工过程中粘度稳定，泡沫抑制性能优异。

　　④易冲洗、使用寿命长。

　　碳化硅单晶衬底研磨液

　　研磨的目的是去除切割过程中造成的SiC切片表面的刀痕以及表面损伤层。由于SiC的高硬度，研磨过程中必须使用高硬度的磨料（如碳化硼或金刚石粉）研磨SiC切片的晶体表面。研磨根据工艺的不同可分为粗磨和精磨。

　　粗磨主要是去除切割造成的刀痕以及切割引起的变质层，使用粒径较大的磨粒，提高加工效率。精磨主要是去除粗磨留下的表面损伤层，改善表面光洁度，并控制表面面形和晶片的厚度，利于后续的抛光，因此使用粒径较细的磨粒研磨晶片。

　　为获得高效的研磨速率，SiC单晶衬底研磨液，需具有以下性能：

　　①悬浮性好，能分散高硬度磨料，并保持体系稳定。

　　②高去除速率，减少工艺步骤。

　　③研磨后SiC表面均匀（Ra＜1 nm），不容易产生深划伤，提高良率及减少后续抛光时间。

　　碳化硅单晶衬底抛光液

　　经传统研磨工艺，使用微小粒径的金刚石或碳化硼研磨液，对SiC晶片进行机械抛光加工后，晶片表面的平面度大幅改善，但加工表面存在很多划痕，且有较深的残留应力层和机械损伤层。

　　为进一步提高晶片的表面质量，改善表面粗糙度及平整度，使其表面质量特征参数符合后序加工中的精度要求，超精密抛光是SiC表面加工工序中非常关键的一个环节，其中化学机械抛光（CMP）技术是目前实现SiC晶片全局平坦化最有效的方法。CMP是通过化学腐蚀和机械磨损协同作用，实现工件表面材料去除及平坦化的过程。

　　抛光液是CMP的关键耗材之一，抛光液中的氧化剂与碳化硅单晶衬底表面发生化学反应，生成很薄的剪切强度很低的化学反应膜，反应膜在磨粒的机械磨削作用下被去除，从而露出新的表面，接着又继续生成新的反应膜，如此周而复始的进行，是表面逐渐被抛光修平，实现抛光的目的。抛光液的质量对抛光速率及抛光质量有着重要作用，要求：

　　①流动性好，易循环，低残留、易清洗；

　　②悬浮性能好，不宜沉淀和结块；

　　③去除率高，不产生表面损伤；

　　碳化硅单晶衬底抛光垫

　　抛光垫作为CMP系统的重要组成部分，其主要功能是：

　　①把抛光液有效均匀地输送到抛光垫的不同区域，因为在抛光过程中，晶片边缘总是优先得到抛光液，中心部位总是难得到抛光液，如果抛光布垫中的孔被堵塞,则抛光液不能有效地传输到中心部位，则边缘的化学作用将高于中心部位，中心部位抛光速率慢，从而使晶片抛光的平行度不好，因此抛光中必须保证抛光布垫的表面有很好的传输能力；

　　②将抛光后的反应物、碎屑等顺利排出，这样才能使表面下的晶片裸露出来继续反应，然后再脱离表面,周而复始，从而达到去除作用；

　　③维持抛光垫表面的抛光液薄膜，以便化学反应充分进行；

　　④提供一定的机械载荷，保持抛光过程的平稳、表面不变形，以便获得较好的晶片表面形貌。

　　用于碳化硅衬底粗抛主要用无纺布抛光垫，精抛用阻尼布抛光垫。

　　无纺布抛光垫是一种复合型材料，其制备工艺为将无纺布或编织布与聚氨酯通过浸渍工艺复合起来，获得了具有不同物化参数（硬度、压缩率等）的产品。一般情况下，其硬度介于聚氨酯抛光垫和阻尼布抛光垫之间，在实现一定刚性的同时，也保留了相当的弹性，保证抛光垫与碳化硅衬底充分接触摩擦。且抛光垫内部的纤维结构呈三维贯通状，更有利于抛光液的储存和流动，最终满足对碳化硅的高去除和平坦化需求。

　　阻尼布抛光垫一般是双层结构，上层的多孔聚氨酯膜是通过将聚氨酯树脂涂覆在特定的基材上经湿式凝固、水洗烘干得到，下层的基材通常选用pet膜或者无纺布，两者复合在一起即成为最终的成品。阻尼布抛光垫硬度较软，能很好地与抛光工件进行贴合，同时表面布满微孔，承载抛光液，共同完成对晶圆表面的最终修饰，达到低缺陷，低粗糙度的要求。

　　最终，经化学机械抛光之后SiC单晶衬底表面能达到原子级平整且表面几乎无微观缺陷，具体指标为：粗糙度Ra ＜0.2nm，翘曲度Bow ＜-5 μm，翘曲度Warp＜10 μm，局部厚度差LTV＜1.5 μm，全局厚度差TTV＜5 m，边缘 duboff/ rolloff控制在 +/-1mm，划痕深度＜1nm。

　　企业介绍

　　苏州博来纳润电子材料有限公司成立于2021年，坐落在地理位置优越，处在中国经济最发达、最具活力的长江三角洲经济腹地——张家港，是一个以自主创新为本，集研发、生产、销售及技术服务为一体的制造型企业。其子公司和兄弟公司包括上海映智研磨材料有限公司、徐州永泽新材料科技有限公司、临汾博利士纳米材料有限公司等。公司积极致力于半导体CMP材料国产化，是CMP材料整体解决方案提供商。