从碳化硅晶碇到晶片 - 联盟动态中关村天合宽禁带半导体技术创新联盟

碳化硅可以用作电子电力器件、光电器件、射频器件，这些需求形成了整个碳化硅产业。碳化硅产业整个流程图如下所示。碳化硅粉体的合成，这个你已经知道了。碳化硅晶体的生长，你也已经学习了。外延以及制备出MOSFET，你也有了初步的概念。

这时候，就差从晶碇到晶片这一步了。

你可能会问，不就是把一块晶体切成片就行了嘛，有必要分析吗？

有。根据工信部发布《重点新材料首批次应用示范指导目录（2019年版）》，对碳化硅单晶以及晶片提出相应的要求：

而TTV、bow、warp、Ra这些参数没有想象的那么容易实现：

本身晶体的质量决定了之后的加工；
碳化硅的硬度为9.2，只能使用金刚石加工；
简单地使用金刚石加工的话，需要的应力过大反而会造成碳化硅晶片的损坏。

为此，设计了如下整个加工流程：

金刚石线多线切割用于控制warp、控制bow、控制TTV；双面研磨用于去除切割损伤层、提升warp、提升bow、提升TTV、提升LTV；双面抛光用于降低粗糙度小于2nm、显微镜下无深划痕；化学机械抛光用于提升表面质量、粗糙度小于0.2nm、无划痕；清洗封装要求强光灯下无粘。

由此产生对应的碳化硅晶体加工关键技术：

下面，详细介绍其中的步骤。

多线切割

切割后晶片厚度为350um，是为了防止翘曲；一般等做成芯片后，再减薄。

研磨

采用金刚石研磨液进行研磨，研磨液中金刚石粉末粒度影响研磨去除率及研磨表面损伤层，为了达到更好的研磨效果，可以采用粒度较大的研磨液粗研和粒度较小的研磨液精研相结合的方法进行研磨。粗研研磨盘为树脂铜盘/玻璃盘，精研为锡盘。

研磨压力、研磨盘转速同样影响晶片表面研磨质量：研磨压力大时，磨速快，但 TTV 值也会相应增大；压力较小时，研磨速率变慢；在一定范围内增大研磨盘转速可以提高去除率，但转速越高，衬底表面平整度越差。研磨压力一般控制在0.5-0.8 kN（0.025 MPa）；研磨头转速60-80 r/min；研磨盘转速60 r/min 左右。

研磨盘在研磨过程中需要在线对其表面进行实时修锐，保证SiC单晶衬底的去除率；研磨盘修整系统可以使研磨液分布均匀，保证研磨去除效果。研磨盘去除率下降，无法通过在线修整保证去除率时，需要对研磨盘进行离线修整。

化学机械抛光

使用机械作用（压力）和化学/氧化作用（双氧水、pH值）共同作用，使得晶体表面光洁，其中要注重化学作用与机械作用的平衡。抛光液的种类、抛光垫、抛光压力、抛光盘转速等诸多条件决定了抛光质量：

抛光液浓度的影响：抛光液的浓度越高，抛光去除能力越强，但衬底表面粗糙度会升高，表面质量下降，浓度降低，抛光去除能力下降，效率降低；
较硬的抛光垫能获得较好的平面度，较软的抛光垫则可获得缺陷较少的表面；
抛光压力或转速增大可以加大材料去除率，但同时会增加材料表面粗糙度和亚表面损伤层，影响表面质量。

去除量太大时，由于碳化硅材料硬度太大，砂轮片的磨粒在摩擦、挤压的作用下，它的棱角逐渐磨圆变钝，磨屑嵌在砂轮表面的孔隙中，会造成金刚石砂轮堵塞，导致砂轮磨削能力和磨削效率下降，工件表面出现凹凸不平。为了解决此问题，改进了磨削加工工艺，增加了油石在线修整工艺。一方面可以去除堵塞在砂轮表面的磨屑，使磨粒凸出到砂轮表面；另外一方面，当磨轮变钝时，通过修锐使其重新锋利，使磨削切入过程更加容易。

最大切削厚度=2*工件速度/（砂轮速度*砂轮粒度号）*√（径向进给量/砂轮直径）

砂轮的进给量越小，工件的表面粗糙度越好，面形精度越高，在加工过程中，可以根据要达到的表面粗糙度，选择合适的进给量。

一般磨削加工过程分为：高速进给阶段，空进给阶段，P1阶段，P2阶段，P3阶段，高速返回阶段。

采用 Sartorius CP225D 型精密电子天平测量碳化硅晶片抛光前、后的质量，获得碳化硅晶片的材料去除量; 碳化硅晶片的表面形貌特征采用奥林巴斯OLS4100 光学显微镜分析; 采用 Zygo Newview5022型表面轮廓仪测量碳化硅晶片表面粗糙度，在 1 /2晶片直径圆周上取 3 个等分点进行测量取其平均值; 精抛后碳化硅表面粗糙度采用 XE－200 型原子力显微镜检测。

清洗

RCA清洗碳化硅的步骤为：