SiC單晶是一種硬而脆的材料,切片加工難度大,磨削精度要求高,因此晶圓制造是一個長時間且難度較高的過程。本文介紹了幾種SiC單晶的切割加工技術以及近年來新出現的晶圓制備方法。
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將通過升華法制備的SiC單晶從坩堝中取出,經過多個加工工藝制成晶圓。圖1展示了晶圓制造的大致工藝流程。SiC單晶(也稱為SiC boule),首先確認其晶體方向,然后進行外圓磨削,加工成圓柱形晶體(有時稱為SiC puck)。用于功率器件的n型SiC晶圓,其圓柱形晶體的上下表面通常是偏角為4°的{0001}平面。接下來,形成一個定向邊或定向切口,用于指定晶片表面的晶體取向。在大口徑的SiC晶圓中,通常傾向于采用定向切口。之后,將圓柱形的單晶SiC加工成薄片,多數情況下,采用多線切割法進行切片。多線切割是在切割線與SiC晶體之間放入磨粒,按壓切割線的同時讓其移動來進行切割。切割后的SiC板由于存在厚度分布不均勻以及表面凹凸等問題,需要進行平整化處理。在平整化過程中,首先通過研磨去除微米級以上的凹凸。在該階段,由于磨粒的作用,表面上會留下細微的劃痕和凹凸。接下來,通過精加工拋光去除微米級以下的凹凸,使表面達到鏡面效果。與研磨相比,拋光使用的磨粒顆粒更小,并且在加工過程中會特別注意,避免在表面留下劃痕,同時也不會在內部留下潛在的傷痕。
圖1:SiC晶圓加工工藝概要
(a)從坩堝中取出SiC晶錠;(b)外圓磨削;(c)形成定向邊或定向切口;(d)多線切割形成切片;(e)研磨、拋光
經過拋光的晶圓外周通常會形成邊緣,在碰到物體時非常容易破裂。因此,需要對晶圓的外周進行邊緣研磨,以避免出現銳角。圖2展示了磨邊前后的外周部的剖面形狀圖。此外,關于邊緣形狀,行業協會已制定了相關標準。
圖2:晶圓邊緣在磨邊前后的剖面形狀圖
SiC是一種非常硬的材料,常被用作各種材料加工時的磨粒,因此將SiC晶棒加工成晶圓是一個長時間且難度較高的過程,仍在不斷嘗試改良中。
作為切片加工的新嘗試,有報道稱有利用激光切片的方法。在這種技術中,激光束從圓柱形晶體的頂部照射,在SiC晶體內所需的切片深度處聚焦形成改質區,通過對整個表面進行掃描將改質區擴展為平面,然后剝離出薄片。一般使用多線切割進行切割時,會產生不可忽略的切口損耗,同時由于切割線的波動會導致凹凸不平,因此研磨量也會增加,導致浪費更多的晶體部分。相比之下,采用激光進行切片的方法,可以減少切口損耗,同時還能縮短加工時間,因此被視為一種有前景的技術。
此外,作為切片加工的另一種方法,正嘗試在金屬絲與SiC晶體之間施加電壓,產生放電以進行切割,從而減少切口損耗,這種方法被稱為金屬絲放電切片加工。
作為一種與傳統SiC單晶制備晶圓不同的方法,已有研究報告提出在異質襯底(支撐襯底)的表面上粘合SiC單晶薄膜來制備SiC晶圓。圖3展示了粘合和剝離過程的工藝流程示意圖。首先,氫離子等從SiC單晶的表面方向注入到剝離深度。在表面平坦的支撐襯底(多晶SiC等)上疊加SiC單晶的離子注入面,然后通過加壓和升溫將SiC單晶層轉移至支撐襯底上,然后剝離。此后,SiC單晶將進行表面平坦化處理,并再次用于以上粘合過程。與SiC單晶相比,支撐襯底的成本較低,盡管目前仍有許多問題有待解決,但為了降低晶圓成本,開發仍在進行中。
圖3:將單晶薄膜壓到支撐襯底上的SiC晶圓制作流程
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原文始發于微信公眾號(三菱電機半導體):第7講:SiC單晶襯底加工技術