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SiC晶片加工技術現狀與趨勢
2022-03-27 09:46:21.0

2022-03-27 09:46:21.0 | 分類: | 瀏覽量:1074

寬禁帶半導體材料碳化硅SiC單晶因其優異的性能在制作抗輻射、高頻、大功率和高密度集成電子器件等方面得到了廣泛的應用,發展SiC器件成為電子產業發展的趨勢,現己成為國際關注的焦點。目前,SiC器件的發展已經取得一定成效,但高質量SiC襯底的產量一直很低,主要受SiC單晶加工技術的制約。SiC單晶的硬度極高,化學穩定性高,傳統加工半導體材料的方法不完全適用于SiC單晶的加工。國際上各專業公司已對SiC單晶加工的高難度技術進行了大量研究,但對相關技術嚴格保密。近年來,我國加強了SiC單晶材料和器件的研制,而SiC加工技術和晶片的質量制約著我國SiC器件的發展,國內必須提升SiC加工技術來提高SiC單晶襯底的質量,實現襯底的實用化和批量化。

SiC晶片的加工過程與傳統半導體單晶材料的加工過程類同,主要分為:切割→粗研磨→精研磨→粗拋光(機械拋光)→精拋光(化學機械拋光)→檢測等多道工序,但由于其硬度過大,致使所有的加工過程和工藝均需使用高硬度材料和特殊的工藝技術,對加工設備的要求也更為嚴格。

本文對國內外SiC單晶的切割、研磨、拋光工藝的研究進展進行簡單描述。

1  切割

在SiC單晶的加工過程中,切割加工是第一道工序,占有很重要的地位,切割晶片的彎曲度Bow、翹曲度Warp、總厚度變化TTV決定了后續研磨、拋光的加工水平。切割工具按照形狀可以分為金剛石內圓鋸、外圓鋸、帶鋸、線鋸等;線鋸根據鋸絲的運動方式可以分為往復式和環形運動式;根據磨粒的切割機理又可分為游離磨料線鋸切片加工技術和金剛石固結磨料線鋸切片加工技術。

1.1傳統切割方法

外圓鋸鋸切深度受到鋸片直徑限制,切割過程中鋸片易產生振擺和跑偏,噪音大、鋸片剛性差。

內圓鋸片用內徑圓周上的金剛石磨料做為切割刀刃進行切割,鋸片可以做到0.2 mm的厚度,切片時,內圓刀片作高速旋轉運動,被切割材料相對于刀片旋轉中心做徑向相對運動,實現對材料的切片。

金剛石帶鋸需要頻繁停止、換向,切削速度非常低,一般不超過2 m/s。機械磨損大,維修費用高,受到鋸條寬度的限制,切割曲率半徑不能太小,不能進行多片切割[1],[2]

這些傳統的鋸切工具受基體的限制不能轉彎,或轉彎半徑受限,只能切割直線表面,不能切割曲線表面,切縫較寬,出片率較低,不適用SiC晶體切割。

1.2游離磨料鋼絲鋸多線切割

游離磨料的鋼絲鋸切片技術是利用鋼絲的快速運動將研磨液帶入工件切縫產生切割作用,多采用往復式結構,是目前用于多片高效切割單晶硅較為成熟的技術,但用于SiC切割的研究較少。游離磨料線鋸能加工厚度小于300 μm的晶片,鋸口損耗少,很少產生崩片,表面質量較好,但由于靠磨粒的滾壓釬入作用的材料去除機理,晶片表面會產生較大的殘余應力、微裂紋和較深的損傷層,導致晶片翹曲變形,面型精度不易控制,還增加了后續加工量;切割能力受磨漿影響較大,必須保持磨粒的銳利性和磨漿的濃度,磨漿的處理和回收成本高;切割大尺寸坯料時,磨粒難以進入到長而深的切縫;在相同磨料粒度下鋸口損耗大于固結磨粒線鋸[3-6]

1.3固結磨料金剛石線鋸多線切割

固結磨料金剛石線鋸通常采用電鍍、壓嵌和樹脂結合等方法將金剛石磨粒鑲嵌在鋼絲基體上制備而成。電鍍金剛石線鋸切片具有切縫更窄、切片質量更好、效率更高、污染更小、能切割高硬度材料等優勢[7,8]

往復式電鍍金剛石線鋸是目前應用最廣泛的切割SiC的方法,圖1是往復式電鍍金剛石線鋸切割SiC晶片的表面平整度。如圖所示,隨著切割進行,晶片的翹曲度變得越來越大,因為隨著鋸絲向下移動,鋸絲與基體接觸面積變大,鋸絲受到基體的切割阻力變大,鋸絲的抖動加大,當鋸絲到達晶片最大直徑處,鋸絲與基體接觸地方抖動最大,造成基體的翹曲度最大。切割后期,由于鋸絲速度經過加速、穩定速度、減速、停止、換向的過程,同時基體碎屑難以隨冷卻液流走,晶片表面質量較差。鋸絲換向和速度發生變化,鋸絲上大顆粒的金剛石是造成切痕的主要原因。

1.4冷分離技術

冷分離技術cold split是由德國Siltectra有限公司開發出的一種新的無切縫晶片制造工藝,如圖2所示,晶錠表面經粗拋光或酸洗工藝處理后,達到50 nm以下的表面粗糙度和大于90%的透光率,根據晶片所需厚度,用特定波長的激光將晶錠內部改性,在晶片表面涂覆犧牲層和聚合物層后,通過快速冷卻將晶片剝離,最后去掉聚合物層和犧牲層得到晶片,剩余晶錠可回收和重復工藝。


圖1 SiC晶片線切割后的平整度

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圖2冷分離技術

該工藝中使用的聚合物層通過采用受專利保護的工藝把標準工業聚合物和其它化學品相結合,厚度小于5 mm,從錠塊上直接剝離晶片,晶片表面損傷層為3~5 μm,最大切割晶片厚度1 mm,總厚度變化TTV小于1 μm,晶片后續加工基本不需要研磨,只需要少量的清洗,就可以達到良好的晶片質量。

如圖3所示,傳統線鋸切割時,不同材料和晶片尺寸切縫損失10%~40%,冷分離技術可減少材料損失90%以上,切縫損失小于1%,從相同的錠塊上可以多產出大約33%的晶片。客戶不需要復雜的基礎設施,例如不需要污泥儲存、輸送和回收設施。日本方面也對激光切割技術進行了研究,如圖4所示,同樣采用激光剝離技術從SiC晶體上剝離出晶片,該技術處于研究階段。

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圖3切縫損失

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4激光切割技術

通過以上切割工藝的簡述,對各切割工藝對  比分析,如表1所示。

1切割工藝對比

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隨著半導體材料的直徑逐漸增大,傳統切割技術已經被淘汰,而往復式金剛石線鋸技術是目前應用前景最好的切割工藝。激光切割技術作為一種新型方法,具有很大的優勢,預計將是今后切割的主要方法。

2研  磨

研磨的目的是去除晶片切割后表面的刀痕、劃痕和表面損傷層等缺陷,達到預定厚度,同時晶片的翹曲、彎曲、總厚度變化、表面粗糙度降至最小。

2.1粗磨精磨

研磨根據磨粒大小可以分為粗磨和精磨,粗磨主要是去除切割時的刀痕及切割引起的加工變質層,提高加工效率,使用較大的磨粒;精磨去除粗磨留下的加工損傷層,改變表面粗糙度,提高表面質量,使用粒徑更小的磨粒。

2.2單面研磨

單面研磨一次只能磨削襯底的一個面,單面研磨過程中,襯底用蠟粘在鋼盤上,通過施加壓力,襯底基片發生微變形,上表面被壓平;經過磨削過程后,下表面被磨平;去除壓力之后,襯底發生微變形,上表面基本恢復到原來的形狀,造成被磨平的下表面也發生變形,這就造成了兩個表面發生翹曲變形,平面度變差。在晶片研磨過程中,磨盤在非常短的研磨時間內就發生下凹,同時晶片呈凸面,為保證磨盤的平整度,需要對研磨盤進行修整。由于單面研磨效率低、晶片平整度較差,不適合大規模生產。

2.3單面減薄技術

金剛石單面減薄技術是一種新型單面研磨技術,如圖5所示,采用金剛石固結磨料研磨盤進行單面減薄,通過真空吸附固定晶片,晶片和金剛石砂輪同時旋轉,金剛石砂輪以一定速度向下運動逐步減薄晶片,到指定厚度要求,翻轉晶片背面繼續減薄。100 mm晶片減薄后可以達到Bow小于5 μm,TTV小于2 μm的平整度,粗糙度小于1nm,該技術采用單片加工,穩定性、一致性好,研磨去除率高,相比普通雙面研磨,其研磨效率可提高50%以上。

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圖5單面減薄技術

2.4雙面研磨

雙面研磨具有上、下兩個研磨盤,可以同時研磨襯底的兩個面,雙面研磨可保證加工襯底的表面質量。雙面研磨盤首先施壓工件最高點,使該處發生變形并逐漸被磨平,高點被逐漸磨平后,襯底所受壓力逐漸減小,襯底均勻受力,使各處變形一致,上、下表面都被磨平。研磨完成后去除壓力,各處由于受相同壓力作用,恢復的程度也相同,這樣能實現非常小的翹曲變形,平面度也較好。

用不同粒度的磨料研磨后,晶片表面粗糙度不同,隨著磨料粒徑的減小,表面粗糙度也會降低。如圖6所示,用5 μm的磨料雙面研磨的晶片平整度和厚度誤差可以控制在5 μm以內,晶片表面用AFM測其粗糙度Rq在100 nm左右,晶片表面存在深度380 nm的研磨坑以及直線痕跡,主要是磨料去除作用產生的。

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圖6雙面研磨晶片的平整度和粗糙度

3拋  光

拋光要完全去除研磨坑以及晶片表面納米量級上的微小起伏,提高拋光片的表面光潔度,而且表面無任何損傷、變質,亞表面無破壞,無表層應力。

3.1機械拋光

SiC晶體的硬度極高,同時化學性質十分穩定,常溫下SiC與其他物質難于發生化學反應,因此需要機械拋光去除晶片表面的微小研磨坑,降低表面損傷層,去除研磨過程中產生的劃痕、麻坑、桔皮等表面缺陷,進一步降低晶片表面粗糙度,提高晶片平整度,提高晶片表面質量。依據晶片表面去除原理,為了得到高質量的拋光表面,需要改變磨料的種類,降低顆粒度,改變相應的工藝參數,選擇足夠的硬度的拋光料和拋光布。如圖7所示,用1 μm的磨料雙面拋光的晶片,其平整度和厚度誤差可以控制在10 μm以內,晶片表面的粗糙度在0.25 nm左右,圖中少量白點為表面顆粒污染物。

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圖7機械拋光晶片的平整度和粗糙度

3.2化學機械拋光

化學機械拋光 (CMP)技術是借助超微粒子的研磨作用以及拋光液的化學腐蝕作用在被研磨的介質表面上形成光潔平坦平面,CMP的基本原理是,首先拋光液的化學反應作用使晶片表面形成軟質層,磨粒和軟質層的摩擦力再將其去除。該方法具有很多優點,克服化學拋光和機械拋光的缺點,同時獲得全局和局部平坦化;獲得高精度的加工表面粗糙度和平面度;無表面、亞表面損傷等。

目前,國外各公司通過CMP加工SiC晶片Si面可獲得粗糙度為0.15 nm的表面質量,晶片平整度達到10 μm以內。國內已經對CMP從機械作用、化學作用和流體力學等多方面進行了研究,但CMP過程的重要參數,如拋光壓力、拋光液的溫度及其pH值、晶片與拋光墊之間的相對運動速度等對晶片表面材料去除率和非均勻性的影響等方面的許多問題還沒有完全研究清楚,特別是對于SiC的反應機理還需進一步研究[9]。圖8為CMP后晶片的平整度和粗糙度,接近國外晶片水平。

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圖8化學機械拋光晶片的平整度和粗糙度

除了上述拋光技術和工藝外,電化學拋光、催化劑輔助拋光或催化劑輔助刻蝕、摩擦化學拋光等其他拋光工藝技術被相繼提出,但這些方法尚處于研究階段,且由于SiC材料本身的特性,發展較為緩慢[10-12]

SiC加工是逐步降低翹曲度和粗糙度、提高表面質量的過程,加工過程中SiC晶片的平整度和粗糙度如表2所示。

表2加工過程中SiC晶片的平整度及粗糙度

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4  國內外加工技術現狀

目前,國際上實現SiC單晶拋光片商品化的公司基本分布在美國、歐洲、日本,主要有美國的Cree公司、Bandgap公司、Dow Corning公司、II-VI公司、Instrinsic公司、日本的Nippon公司、Sixon公司、芬蘭的Okmetic公司、德國的SiCrystal公司等。全球主要SiC晶片制造商是美國Cree公司,占到95%的市場份額,是全球SiC晶片行業的先行者,其SiC單晶材料的技術水平完全代表了國際水平。目前,直徑150 mm(6英寸)的襯底和外延器件產品已經批量生產,最早可投產150 mm產品的是Cree公司,年產量達到18噸,采用與傳統工藝不同的加工工藝,其襯底的加工平整度、粗糙度和表面質量處于領先水平。到目前為止,Cree已經開發出200 mm(8英寸)產品,其他SiC生產廠商已轉向開發200 mm產品,并能提供樣品。總之,歐美和日本己形成較為完善的SiC生長、晶體加工和器件研制開發產業,相關儀器設備的生產開發也得到長足的發展。

相比之下,我國目前在SiC領域的研究起步較晚,國內從事寬禁帶半導體單晶材料制備和加工技術研究始于2000年以后,主要集中在科學院、高等院校和研究所等有關單位,主要有中國電子科技集團公司第四十六研究所、山東大學、西安理工大學、中科院物理所和中科院硅酸鹽所等。經過多年的努力,國內SiC單晶加工方面,取得了可喜的成績,國內已經研制出100 mm摻雜半絕緣4H-SiC單晶,n型4H-SiC、6H-SiC單晶可以批量化生產,天科合達和天閱已經研制出了150 mm SiC單晶。在SiC晶片的加工技術方面,國內相關單位初步探索出了單晶切割、研磨、拋光加工的工藝條件和路線,能夠加工出基本滿足器件制備要求的樣片,但晶片表面加工質量與國外相比仍然有較大差距,存在一些問題,國際上對SiC理論和工藝都進行嚴密技術封鎖,很難進行借鑒;缺少工藝的改進和優化理論研究和支持;國外進口設備和配件價格高,國內對加工設備在設備設計、制造5結  束

觀念,加工精度、設備材質等方面的研究與國外存在較大差距;國內基本上使用國外高精度的儀器,檢測設備和檢測方法有待完善。

隨著第三代半導體的不斷發展,SiC單晶基片的直徑不斷增大,同時對晶片表面加工質量的要求也越來越高,晶片加工技術是繼SiC單晶生長之后的又一高難度技術,針對現有加工技術中存在的難題,需要進一步研究切割、研磨、拋光過程中的機理理論,探索SiC單晶片加工的工藝方法和路線。同時,借鑒國外新的加工技術,采用更先進的超精密加工工藝和設備,從而制備出高質量的襯底。

作者: 何超 轉載自: 碳化硅SiC半導體材料

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