碳化硅（SiC）作為一種寬禁帶半導體材料，因其獨特的物理和化學特性，在半導體行業中占據了重要地位。相比于第一代和第二代半導體材料（如硅和砷化鎵），碳化硅單晶具有更優良的熱學和電學性能，如寬禁帶、高導熱性、高溫度穩定性以及低介電常數等，是高溫、高頻、高功率和抗輻射等極端工況下應用的理想選擇。不過，碳化硅單晶作為典型的硬脆材料，加上目前國際碳化硅大廠多在籌劃將碳化硅晶圓從6英寸轉向8英寸，其研磨拋光難度極高，加工過程中更容易容易產生裂紋和破損，降低良品率，因此如何克服8英寸襯底難關成為衡量碳化硅產業的重要指標。

進入8英寸時代，碳化硅研拋面臨什么難題？

為了能夠增加單批次芯片的產量并減少邊緣損耗，降低生產成本，襯底大型化成了碳化硅晶圓發展的必然趨勢，尤其是近年來碳化硅在電動車主驅上滲透迅猛，市場對8英寸SiC襯底的需求變得更加迫切。目前，行業內8英寸SiC單晶的生長技術已經逐漸成熟，但在磨拋等后道工序中仍然存在技術難題，導致其生產良率僅為40%-50%。

1、晶圓尺寸增加，整個晶圓所承受的壓力分布會更加復雜，磨拋環節更容易受到應力影響，良率不易控制。

2、8英寸晶圓厚度逐漸向向6英寸看齊，但當晶圓尺寸變大時，在處理、搬運、定位過程中更易因應力或彎曲而損壞。

3、為解決8英寸襯底在切割過程中可能出現的應力、翹曲和開裂等問題，激光切割技術逐步應用于SiC領域，但長波激光切割區域易受熱損壞，短波激光易在切割口容易產生大量的殘渣堆積，加深損傷層，對于后續拋磨負擔較大。

碳化硅襯底的研磨（減薄）工藝發展

常規的研磨工藝一般分為粗磨和精磨兩個階段。主流的研磨工藝方案為采用鑄鐵盤配合單晶金剛石研磨液進行粗磨，采用聚氨酯發泡Pad+多晶金剛石研磨液進行雙面研磨。該工藝方案可以再粗磨階段有效的去除線割產生的損傷層，修復面型，降低總厚度偏差（TTV）、彎曲度（BOW）、翹曲度（WARP），去除速率穩定，獲得粗糙度在50nm左右的亞光面，之后再經精磨獲得Ra<3nm的晶片表面，更有利于碳化硅襯底片后工序的拋光。不過，該方法劃傷不良一直存在，且所采用的多晶金剛石磨料需要用爆炸法工藝生產，難度大且產量低，價格極高。

單晶金剛石及多晶金剛石磨粒（來源：北京國瑞升）

為提高碳化硅晶圓的研磨效率，利用團聚金剛石研磨工藝逐漸被眾多廠家采用。團聚金剛石磨粒是由微小的金剛石顆粒通過粘結劑聚合在一起形成的團聚體，在研磨過程中，鈍化的磨料會從團聚磨料上破碎脫落，同時新的磨料繼續參與磨削，從而提高研磨效率。通常來說，粗拋環節會采用1.5um左右的團聚金剛石研磨液+蜂窩樹脂Pad進行雙面研磨，獲得面粗在20nm左右的表面，精拋環節則采用0.2um左右的團聚金剛石研磨液搭配樹脂Pad/聚氨酯發泡Pad進行雙面研磨，獲得面粗在3nm以內的表面。不過，該方法仍然存在自動化水平不高，對于大尺寸晶圓的加工，存在較高的破片風險。

金剛石團聚磨料VS單顆金剛石磨粒（來源：中機新材）

由于具有加工速度快，加工面型控制能力強、自動化程度高、靈活性好的優點，砂輪單面減薄工藝有望代替傳統研磨的技術路線，更適用于大尺寸晶圓的加工。該工藝也是通過結合粗磨和精磨兩個階段來實現高效和高質量的減薄處理。一般來說，粗磨加工的軸向進給速度大，且采用粒度較大的金剛石砂輪，以達到快速去除約90%的加工余量；而精磨加工的軸向進給速度較小，使用粒度極小的金剛石砂輪，以此去除剩余的10%加工余量，并消除粗磨加工造成的損傷層。不過，該方法采用的砂輪研發難度大、制造技術要求高，目前市場上高性能的金剛石砂輪主要由國外公司（如DISCO）提供，國產化程度較低，但國內的北京中電科正在通過對眾多關鍵技術的自主開發，以及聯合國內企業對金剛石磨輪耗材進行工藝適配，以進一步解決磨輪耗材的品質和成本問題。

碳化硅晶片減薄砂輪（來源：網絡）

碳化硅襯底的拋光工藝發展

經過減薄或研磨后, SiC襯底表面損傷深度通常為2-5um,還需要通過拋光工藝來消除表面劃痕、降低粗糙度和消除加工應力，最終獲得超光滑表面。目前碳化硅晶圓的拋光大多都是通過化學機械拋光（CMP）來實現，即利用漿料的化學腐蝕結合磨粒和拋光墊的機械摩擦共同作用實現材料的去除。

為使CMP的機械和化學作用達到平衡，得到最佳的拋光效果和拋光速度，這就對其關鍵耗材拋光液、拋光墊提出了要求。通常粗拋工藝采用高錳酸鉀氧化鋁粗拋液搭配纖維型的無紡布粗拋墊，高錳酸鉀起到氧化腐蝕作用，納米氧化鋁顆粒起到機械磨削的作用，加之無紡布拋光墊的纖維型結構帶來的較大的硬度，可以提升粗拋的速率。在精拋環節，則通常采用100nm以內的雙組成氧化硅拋光液搭配黑色阻尼布精拋墊使用，雙組成氧化硅拋光液不僅能帶來優異的去除速率，而且還能為碳化硅襯底帶來極高的表面光潔度和平整度，此外，網狀結構的阻尼布精拋墊具有良好的壓縮性和更佳的拋光液攜帶能力，且硬度也比較低，因此用于在精拋過程中不易產生劃痕，有利于提高碳化硅晶圓的表面質量。

無紡布拋光墊（來源：萬樺新材料）和黑色阻尼拋光墊（來源：靜鈞研磨）

除此之外，為進一步提高拋光速率，更好地適應大尺寸碳化硅晶圓的加工，不少研究人員還在研究開發結合化學和機械兩方面增效的復合工藝，如電化學、磁流變、等離子體、光催化等化學增效方法以及超聲輔助、混合磨粒和固結磨粒拋光等機械增效方法。

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小結

碳化硅晶片磨拋是單晶生長后的一大高難度工藝，目前我國的碳化硅晶片表面加工精度與國外相比仍然有較大差距，我國仍需要進一步研究研磨、拋光過程中的機理，研發更先進的精密工藝設備，優化晶片加工方法，制備出高質量的碳化硅襯底。

參考文獻：

1、羅求發，陳杰銘，程志豪，等.碳化硅襯底磨拋加工技術的研究進展與發展趨勢[J].湖南大學學報(自然科學版).

2、張璽，王蓉，張序清，等.碳化硅單晶襯底加工技術現狀及發展趨勢[J].中央民族大學學報(自然科學版.

3、第三代半導體產業，詳解碳化硅晶片的磨拋工藝方案.

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