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    碳化硅單晶襯底整體解決方案

    碳化硅單晶襯底整體解決方案

    • 分類:產品知識
    • 作者:小星
    • 來源:
    • 發布時間:2023-12-19
    • 訪問量:0

    【概要描述】研磨的目的是去除切割過程中造成的SiC切片表面的刀痕以及表面損傷層。由于SiC的高硬度,研磨過程中必須使用高硬度的磨料(如碳化硼或金剛石粉)研磨SiC切片的晶體表面。研磨根據工藝的不同可分為粗磨和精磨。

    碳化硅單晶襯底整體解決方案

    【概要描述】研磨的目的是去除切割過程中造成的SiC切片表面的刀痕以及表面損傷層。由于SiC的高硬度,研磨過程中必須使用高硬度的磨料(如碳化硼或金剛石粉)研磨SiC切片的晶體表面。研磨根據工藝的不同可分為粗磨和精磨。

    • 分類:產品知識
    • 作者:小星
    • 來源:
    • 發布時間:2023-12-19
    • 訪問量:0
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      半導體產業是現代科技發展的原始驅動力,代表一個國家科學技術發展最高水平。第一代Si基半導體產業在過去半個多世紀引領發達國家經濟高速發展,構建了堅實的規模與技術壁壘,中國在過去十幾年奮起直追,但前行路途仍充滿艱難與挑戰。第三代SiC基寬禁帶半導體全球目前整體處于發展初期階段,我國與國際巨頭公司之間的整體技術差距相對較小,有可能實現彎道超車。碳化硅晶圓是一種由碳和硅兩種元素組成的化合物半導體單晶材料,具備禁帶寬度大、熱導率高、臨界擊穿場強高、電子飽和漂移速率高等特點,可有效突破傳統硅基半導體器件及其材料的物理極限,開發出更適應高壓、高溫、高功率、高頻等條件的新一代半導體器件。

      SiC根據其電學性上質分為導電型和半絕緣型兩種,其中半絕緣型(電阻率>105Ω.cm)碳化硅襯底能夠制得碳化硅基氮化鎵異質外延片,可進一步制成HEMT等微波射頻器件,應用于5G通信、信號接收器等為代表的射頻領域;導電型(電阻率15~30mΩ.cm)碳化硅襯底則可制得碳化硅同質外延片,可進一步制成肖特基二極管、MOSFET、IGBT等功率器件,應用在新能源汽車、“新基建”為代表的電力電子領域。碳化硅在民用、軍用領域均具有明確且可觀的市場前景。

      據CASA Research整理,2019年有6家國際巨頭宣布了12項擴產,主要為襯底產能的擴張,其中最大的項目為美國Cree公司投資近10億美元的擴產計劃。根據Yole數據,導電型碳化硅襯底市場規模取得較快增長,2018年至2020年,全球導電型碳化硅襯底市場規模從1.73億美元增長至億美元增長至2.76億美元,復合增長率為26.36%。根據Yole預計,受益于碳化硅功率器件在電動汽車等下游應用的增長,導電型碳化硅襯底市場未來將快速發展。

      不論導電型還是半絕緣型,其應用中SiC襯底的表面超光滑是必備條件。SiC表面的不平整會導致其表面同質外延的SiC薄膜和異質外延的GaN薄膜位錯密度的增加,從而影響器件性能。上述應用領域的快速發展要求SiC晶片表面能達到原子級平整且表面幾乎無微觀缺陷,SiC晶片的超精密平整技術研究對于促進第三代半導體技術的發展具有極其重要的意義。

      襯底是所有半導體芯片的底層材料,起到物理支撐、導熱、導電等作用;數據顯示,襯底成本大約占晶片加工總成本的50%,外延片占25%,器件晶圓制造環節20%,封裝測試環節5%。SiC襯底不止貴,生產工藝還復雜,與硅相比,SiC很難處理。SiC單晶襯底加工過程包括單晶多線切割、研磨、拋光、清洗最終得到滿足外延生長的襯底片。SiC是世界上硬度排名第三的物質,不僅具有高硬度的特點,高脆性、低斷裂韌性也使得其磨削加工過程中易引起材料的脆性斷裂從而在材料表面留下表面破碎層,且產生較為嚴重的表面與亞表層損傷,影響加工精度。所以在研磨、鋸切和拋光階段,挑戰也非常大,其加工難主要體現在:(1)硬度大,莫氏硬度分布在9.2~9.6;(2)化學穩定性高,幾乎不與任何強酸或強堿發生反應;(3)加工設備尚不成熟。

      因此,碳化硅襯底切割、研磨、加工的耗材還需不斷發展和完善。下面我們對各工序產品進行逐一介紹。

      01

      碳化硅單晶襯底多線切割液

      目前切割碳化硅的主流方法是砂漿線切割(游離磨粒線切割),砂漿線切割(游離磨粒線切割)是指在加工過程中切割線往復高速運動,在晶棒和切割線處噴入切割液,高速運動的切割線將磨料帶到加工區域,實現材料的切割。砂漿線切割(游離磨粒線切割)法出品率高,鋸切損耗小,表面質量好。

      砂漿線切割(游離磨粒線切割)的線切割液主要由油性線切割液和金剛石粉組成。線切割液提供粉末的分散與傳輸。金剛石粉末分散在線切割液之后,隨著線切割液的運動而均勻分布在鋼線之上,通過切割液中的游離磨粒與工件之間滾動-壓痕機理來進行碳化硅的切割。

      在切割過程中,線切割液品質十分重要,需滿足以下性能:

     ?、俜稚⑿院茫耗軌蜃尳饎偸勰╅L時間分散懸浮在液體之中。

     ?、趦灝惖纳嵝阅埽涸谑褂眠^程中保持穩定的溫度范圍。

     ?、鄯€定性好:加工過程中粘度穩定,泡沫抑制性能優異。

     ?、芤讻_洗、使用壽命長。

      02

      碳化硅單晶襯底研磨液

      研磨的目的是去除切割過程中造成的SiC切片表面的刀痕以及表面損傷層。由于SiC的高硬度,研磨過程中必須使用高硬度的磨料(如碳化硼或金剛石粉)研磨SiC切片的晶體表面。研磨根據工藝的不同可分為粗磨和精磨。

      粗磨主要是去除切割造成的刀痕以及切割引起的變質層,使用粒徑較大的磨粒,提高加工效率。精磨主要是去除粗磨留下的表面損傷層,改善表面光潔度,并控制表面面形和晶片的厚度,利于后續的拋光,因此使用粒徑較細的磨粒研磨晶片。

      為獲得高效的研磨速率,SiC單晶襯底研磨液,需具有以下性能:

     ?、賾腋⌒院?,能分散高硬度磨料,并保持體系穩定。

     ?、诟呷コ俾?,減少工藝步驟。

     ?、垩心ズ骃iC表面均勻(Ra<1 nm),不容易產生深劃傷,提高良率及減少后續拋光時間。

      03

      碳化硅單晶襯底拋光液

      經傳統研磨工藝,使用微小粒徑的金剛石或碳化硼研磨液,對SiC晶片進行機械拋光加工后,晶片表面的平面度大幅改善,但加工表面存在很多劃痕,且有較深的殘留應力層和機械損傷層。

      為進一步提高晶片的表面質量,改善表面粗糙度及平整度,使其表面質量特征參數符合后序加工中的精度要求,超精密拋光是SiC表面加工工序中非常關鍵的一個環節,其中化學機械拋光(CMP)技術是目前實現SiC晶片全局平坦化最有效的方法。CMP是通過化學腐蝕和機械磨損協同作用,實現工件表面材料去除及平坦化的過程。

      拋光液是CMP的關鍵耗材之一,拋光液中的氧化劑與碳化硅單晶襯底表面發生化學反應,生成很薄的剪切強度很低的化學反應膜,反應膜在磨粒的機械磨削作用下被去除,從而露出新的表面,接著又繼續生成新的反應膜,如此周而復始的進行,是表面逐漸被拋光修平,實現拋光的目的。拋光液的質量對拋光速率及拋光質量有著重要作用,要求:

     ?、倭鲃有院?,易循環,低殘留、易清洗;

     ?、趹腋⌒阅芎?,不宜沉淀和結塊;

     ?、廴コ矢?,不產生表面損傷;

      04

      碳化硅單晶襯底拋光墊

      拋光墊作為CMP系統的重要組成部分,其主要功能是:

     ?、侔褣伖庖河行Ь鶆虻剌斔偷綊伖鈮|的不同區域,因為在拋光過程中,晶片邊緣總是優先得到拋光液,中心部位總是難得到拋光液,如果拋光布墊中的孔被堵塞,則拋光液不能有效地傳輸到中心部位,則邊緣的化學作用將高于中心部位,中心部位拋光速率慢,從而使晶片拋光的平行度不好,因此拋光中必須保證拋光布墊的表面有很好的傳輸能力;

     ?、趯伖夂蟮姆磻?、碎屑等順利排出,這樣才能使表面下的晶片裸露出來繼續反應,然后再脫離表面,周而復始,從而達到去除作用;

     ?、劬S持拋光墊表面的拋光液薄膜,以便化學反應充分進行;

     ?、芴峁┮欢ǖ臋C械載荷,保持拋光過程的平穩、表面不變形,以便獲得較好的晶片表面形貌。

      用于碳化硅襯底粗拋主要用無紡布拋光墊,精拋用阻尼布拋光墊。

      無紡布拋光墊是一種復合型材料,其制備工藝為將無紡布或編織布與聚氨酯通過浸漬工藝復合起來,獲得了具有不同物化參數(硬度、壓縮率等)的產品。一般情況下,其硬度介于聚氨酯拋光墊和阻尼布拋光墊之間,在實現一定剛性的同時,也保留了相當的彈性,保證拋光墊與碳化硅襯底充分接觸摩擦。且拋光墊內部的纖維結構呈三維貫通狀,更有利于拋光液的儲存和流動,最終滿足對碳化硅的高去除和平坦化需求。

      阻尼布拋光墊一般是雙層結構,上層的多孔聚氨酯膜是通過將聚氨酯樹脂涂覆在特定的基材上經濕式凝固、水洗烘干得到,下層的基材通常選用pet膜或者無紡布,兩者復合在一起即成為最終的成品。阻尼布拋光墊硬度較軟,能很好地與拋光工件進行貼合,同時表面布滿微孔,承載拋光液,共同完成對晶圓表面的最終修飾,達到低缺陷,低粗糙度的要求。

      最終,經化學機械拋光之后SiC單晶襯底表面能達到原子級平整且表面幾乎無微觀缺陷,具體指標為:粗糙度Ra <0.2nm,翹曲度Bow <-5 μm,翹曲度Warp<10 μm,局部厚度差LTV<1.5 μm,全局厚度差TTV<5 m,邊緣 duboff/ rolloff控制在 +/-1mm,劃痕深度<1nm。

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