突破硬度瓶颈：碳化硅衬底加工的核心技术与未来趋势

DT半导体材料 2024-10-25 18:05

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作为半导体行业的重要衬底材料，碳化硅单晶凭借其卓越的热、电性能，在高温、高频、大功率以及抗辐射的集成电子器件领域展现出广泛的应用潜力。碳化硅衬底的加工精度对器件的性能起到关键性作用，因此在外延应用中对其表面质量的要求格外严格。由于碳化硅硬度高、易碎且化学稳定性强，传统加工手段往往难以满足这些要求，导致高质量碳化硅晶片的加工效率较低。

碳化硅单晶的加工主要包括切片、薄化和抛光等步骤。全球范围内，碳化硅制造和加工技术仍在发展中，成熟度有限，这在一定程度上限制了碳化硅器件市场的扩展。因此，为充分发挥碳化硅衬底的优异特性，关键在于开发能够实现高表面质量的加工技术。

碳化硅单晶的切片

传统的切割工具如内圆锯片和金刚石带锯因切缝宽且转弯半径受限，导致出片率偏低，难以满足碳化硅晶体切割的需求。现阶段的碳化硅切片方法主要包括固结磨料切割、游离磨料切片、激光切割、冷分离以及电火花切片等。固结磨料多线锯切割是目前加工碳化硅单晶最常用的方法。此外，激光切割、冷分离和电火花切片等技术对碳化硅材料的切割也较为有效，其原理见下图。

SiC 单晶的切片技术 ( a) 固结磨料线锯切片( b) 激光切片( c) 冷分离( d) 电火花切片图源：公开网络

固结磨料线锯切片方法是将金刚石磨料固定在金属丝上，通过锯丝的往复式运动实现切割，如上图所示。该方法具有磨粒分布均匀、加工效率高、污染小等优点。激光切割则利用激光在碳化硅晶体内形成改性层，从而分离晶片，目前处于研究阶段。

冷分离技术具有材料利用率高、节能环保的特点，其原理是利用激光在晶锭内部形成角质层，表面涂覆特制分离材料后冷冻收缩，从而实现晶圆剥离。电火花切片通过脉冲放电对碳化硅单晶进行腐蚀切割，具备较高的精度和生产率。该技术使加工后的碳化硅晶片表面较为光滑，但切缝宽且表面损伤层的后续处理工艺仍需进一步改进。

不同切割工艺的性能对比图源：公开网络

表层裂纹损伤与切片质量密不可分。在4H-SiC切片加工中，易形成两类表层裂纹：亚表面侧向裂纹和中位裂纹。这些裂纹不仅增加了后续加工难度，还可能延展至断裂。不当的锯切参数、磨粒尺寸、工件进给速度和锯丝速度控制等因素都可能导致裂纹损伤。

在碳化硅衬底的外延生长和器件制造中，晶体取向显著影响加工质量和器件性能。为减少方向敏感性引发的切片裂纹，需在切片前进行晶体取向检测。一般碳化硅晶锭沿SiC{0001}面生长，平行于晶锭生长方向的SiC晶面切割能有效减少螺型位错密度，提升切片品质。切片过程的关键在于精确调控锯切参数：降低进给量和进给力有助于缓解磨粒法向压力；增大锯丝速度可以减少切向压力，减少磨粒磨损和脱落的几率。然而，锯丝损耗和效率仍需平衡。此外，维持冷却液充足且分布均匀，有助于降低残余热应力、减小锯丝振动，避免磨粒应力不均引发不稳定的应力场。

锯切 4H-SiC 晶片表层裂纹损伤图源：公开网络

碳化硅晶片的薄化

由于碳化硅的断裂韧性较低，在减薄过程中容易产生裂纹，使得晶片的减薄较为困难。碳化硅晶片的减薄通常通过磨削和研磨来完成，其中自旋转磨削是一种典型的磨削方式。在此过程中，晶片自旋转的同时，主轴带动砂轮旋转并向下进给，从而实现减薄。虽然自旋转磨削能提升加工效率，但砂轮随着使用时间增长容易钝化，使用寿命短，且晶片表面和亚表面容易产生损伤，影响加工精度和效率。为解决这些问题，研究人员开发了多种辅助技术，如砂轮在线修整和新型软磨料砂轮技术，其中主要包括超声振动辅助磨削和在线电解修整辅助磨削。超声辅助磨削通过振动降低磨削力和砂轮磨损，从而改善加工质量，尤其适合硬脆材料的薄化加工。在线电解修整辅助磨削则通过电解产生绝缘氧化膜来减缓砂轮磨损，并利用大量电解脱落的磨粒形成类似游离磨料的研磨作用，从而提升磨削表面质量。

研磨工艺方面，可分为单面和双面研磨技术，适用于不同尺寸的碳化硅晶片。研磨过程中常用的磨料包括碳化硼和金刚石，研磨分为粗磨和精磨两个阶段。粗磨的主要目的是去除切片过程中形成的刀痕和表面损伤层，通常使用较大颗粒的磨料；而精磨则通过较细颗粒的磨料去除粗磨残留的表面损伤层，进一步改善表面粗糙度。

(a) 超声振动辅助磨削(b) 在线电解修整辅助磨削图源：公开网络

研究显示，碳化硅晶片的薄化过程中，材料去除率受磨料粒径、密度、研磨盘转速和研磨压力等参数的影响显著。在研磨工艺中，需要对压力参数进行精确控制，以确保磨粒拥有足够的机械能完成材料去除。若研磨压力和转速不足，去除率会偏低，影响加工效率；而若压力过大，晶片的几何精度可能降低，并增加破损风险，影响成品率。磨料的硬度和粒径越大，晶片表面粗糙度也越大。此外，过硬的研磨盘会对工件表面造成损伤并增加污染，而较软的研磨盘允许更多磨料滑动，虽有助于提高表面光洁度，但可能降低平面度。

未来薄化工艺的发展重点在于开发新型砂轮（例如改进磨料和砂轮结合剂的材料）、优化研磨液和研磨盘（如半固着磨料盘），并提升工艺参数的控制水平。此外，研究表明，当碳化硅去除深度小于500纳米时，碳化硅材料会在高压条件下发生相变，以延性模式去除，相比于脆性断裂模式，延性域模式的加工损伤深度更低。因此，延性域磨削技术将成为薄化工艺的发展趋势之一。为提高大尺寸碳化硅晶片的成品率，未来还需进一步优化单面研磨技术，以降低破损风险。

碳化硅晶片的抛光

碳化硅晶片的抛光工艺包括粗抛和精抛两个阶段。粗抛主要采用机械抛光，旨在提升抛光的加工效率，当前对碳化硅单晶衬底的研究重点在于优化工艺参数，以改善表面粗糙度并提高材料去除效率。现阶段，针对碳化硅晶片的双面抛光工艺研究较少，具体参数仍需进一步优化。

精抛则通常采用单面抛光，其中化学机械抛光（CMP）是广泛应用的技术。该方法结合化学腐蚀和机械磨损，能够去除材料表面并实现平整化。抛光液促使晶片表面发生氧化反应，形成的软化层在磨粒的机械作用下易于去除。作为单晶衬底加工的最后一道工序，CMP工艺在保证碳化硅衬底表面实现超光滑且无缺陷方面至关重要。目前，不同精抛技术的参数和效果对比如下表所示。

SiC 精抛工艺对比图源：公开网络

当化学机械抛光（CMP）过程中的机械和化学作用达到平衡时，抛光效果可以达到最佳状态。CMP的性能主要受到工艺参数、抛光液和抛光垫三方面的影响，其中抛光液和抛光垫是CMP的主要耗材。为了确保抛光工艺的稳定性，需对这些耗材的性能进行优化，以实现可重复的高效抛光。未来的研究方向包括改进抛光液的成分，开发具备自催化功能的抛光垫，以提高整体工艺效率。

在新型抛光技术方面，诸如PAP和CMRF等方法虽然具备一定优势，但因需要大功率高温设备而使系统成本较高，操作性也较差。因此，当前主流的碳化硅晶片精抛技术仍以CMP为主。针对碳化硅CMP过程，材料去除率的建模以及催化和电化学增效的机理仍有待深入研究。未来的优化方向是通过结合碳化硅的氧化理论与催化化学，采用复合增效技术提升抛光效率，例如超声辅助电化学机械抛光、磁流变－催化复合辅助抛光，以及固结磨粒－超声－催化抛光等方法，以同时加速碳化硅表层氧化和氧化层的机械去除速度，从而提升工艺质量和效率。