SiC抛光又有新技术,效率可提升10倍

原创 第三代半导体风向 2024-07-04 17:55


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在追求高性能电子器件的今天,碳化硅以其卓越的物理和电学性能,成为了制造电力电子器件的理想材料。然而,碳化硅衬底在抛光工艺上还面临着成本、环保等方面的难题,一直是制约其广泛应用的瓶颈。

传统CMP(化学机械抛光)需要使用大量的抛光液材料,抛光液成本占抛光环节成本比例较大,这不仅增加了生产成本,也对造成了负担。

近日,日本立命馆大学(Ritsumeikan University)一研究团队开发了一种新型的ECMP(电化学机械抛光)技术,可带来3大技术优势:

● 环保高效:ECMP技术避免了使用有害的液体化学物质,减少了对环境的影响;

● 高材料去除率:该技术实现了约15µm/h的材料去除率(MRR),是传统CMP的10倍

● 表面质量高:通过ECMP处理的碳化硅衬底表面光滑,粗糙度可降至亚纳米级别。

采用ECMP进行的材料去除工艺示意图

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技术原理

电化学机械抛光是一种新型的衬底表面处理技术,在ECMP过程中,碳化硅衬底作为阳极,与抛光板(阴极)之间夹着SPE/CeO2复合材料衬垫。当施加偏置电压时,碳化硅表面与SPE发生电解反应,形成一层易于去除的氧化膜,这层氧化膜随后被衬垫中的CeO2颗粒去除。

ECMP抛光装置的示意图

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具体实验验证:

在实验过程中,研究团队首先研究了电解电流密度对碳化硅衬底材料去除率的影响,发现MRR与电解电流密度成正比,且在一定的电流密度下达到饱和:

● 在电解电流密度低于10 mA/cm²时,MRR随电流密度的增加而增加,法拉第效率接近100%

● 超过15 mA/cm²后,MRR达到饱和状态,法拉第效率开始下降,表明电流密度的进一步提高并没有带来更高的材料去除效率。

电解电流密度对ECMP的碳化硅(0001)的MRR和法拉第效率的影响

随后,他们进一步的实验探讨了机械条件,即抛光压力和旋转速率的乘积(P×RR),对MRR的影响。实验在恒定的电解电流密度(25 mA/cm²)下进行:

● MRR随着机械条件的增强而线性增加,在最高的机械条件下几乎达到了法拉第电解定律预测的理想MRR值(14.8 µm/h)。

● 这一结果表明,在较高的机械条件下,CeO2颗粒更有效地去除氧化膜,减少了碳化硅表面形成的氧化物层的厚度,从而提高了法拉第效率

ECMP的机械条件(MC)对碳化硅(0001)的MRR的影响

此外,研究团队利用X射线光电子能谱(XPS)分析了不同ECMP条件下处理的表面,结果显示在高机械条件下,经过ECMP和随后的无电解抛光,Si 2p光谱中没有明显的Si4+峰,表明表面残留的氧化物被有效去除

最后,研究团队进行了衬底表面形貌和粗糙度观察以及均匀性评估,结果如下:

● ECMP处理6分钟后,表面粗糙度从50 nm Sa显著降低到0.68 nm Sa,显示出非常光滑的表面。

● 在低电解电流密度下进行ECMP处理,然后进行无电解抛光,可以获得粗糙度为0.084 nm Sa的超光滑表面

ECMP对碳化硅表面形态的改变(左)、经ECMP处理的碳化硅(0001)表面的AFM图像(右)

● 所开发的ECMP方法能有效地在整个晶片上均匀去除SiC表面,获得平均粗糙度低至0.68 nm的光滑表面。

实验验证表明,ECMP技术不仅提高了碳化硅衬底的抛光效率,而且通过精确控制电解和机械条件,实现了表面粗糙度的显著降低和表面质量的大幅提升,为碳化硅衬底的绿色制造提供了强有力的技术支持。

·END·

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