目前全球 95% 以上的半導體元件，都是以第一代半導體材料硅作為基礎功能材料，不過隨著電動車、5G 等新應用興起，硅基半導體受限硅材料的物理性質(zhì)，在性能上有不易突破的瓶頸，因此以氮化鎵（GaN）、碳化硅（SiC）為代表的第三代半導體材料開始受到重視。

在第三代半導體材料中，SiC具有禁帶寬度大、擊穿電場高、飽和電子漂移速度高、熱導率大等特點，可應用于1200伏特以上的高壓環(huán)境，因此在嚴苛環(huán)境中有著明顯優(yōu)勢；同時，SiC晶體因其與外延層材料GaN具有高匹配的晶格常數(shù)和熱膨脹系數(shù)及良好的熱導率，是 GaN基器件的理想襯底材料，如LED和LD。因此，SiC 晶體材料已經(jīng)成為半導體照明技術領域不可缺少的襯底材料。

其中，SiC襯底加工技術是器件制作的重要基礎，其表面加工的質(zhì)量和精度的優(yōu)劣，直接影響外延薄膜的質(zhì)量及其器件的性能，因此在其應用中均要求晶片表面超光滑、無缺陷、無損傷，表面粗糙度值達納米級以下。然而，由于SiC晶體具有高硬、高脆、耐磨性好、化學性質(zhì)極其穩(wěn)定的特點，這使得SiC晶片的加工變得非常困難。

碳化硅的精密加工

SiC單晶片的超精密加工工藝，按照其加工順序，主要經(jīng)歷以下幾個過程：定向切割、研磨（粗研磨、精研磨）、拋光（機械拋光）和超精密拋光（化學機械拋光）。

1.切割

切割是將SiC晶棒沿著一定的方向切割成晶體薄片的過程。將SiC晶棒切割成翹曲度小、厚度均勻、低切損的晶片，對于后續(xù)的研磨和拋光至關重要。與傳統(tǒng)的內(nèi)圓、外圓切割相比，多線切割具有大切削速度、高加工精度、高效率和較長的壽命等優(yōu)點，已廣泛應用于晶片的高效切割。

多線切割示意圖

多線切割工藝原理：多線切割工藝就是將晶錠按照一定的晶向，將晶錠切割成表面平整、厚度均勻一的切割片，以便于后面的研磨加工。其基本原理是優(yōu)質(zhì)鋼線在晶錠表面高速來回運動，附著在鋼絲上的切割液中的金剛石顆粒對晶錠產(chǎn)生劇烈摩擦，使得材料碎裂并從母體表面脫落，達到切割的效果。

2.研磨

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(jù)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(zhì)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(xù)的拋光，因此使用粒徑較細的磨粒研磨晶片。由于SiC斷裂韌性較低，使得其在研磨過程中易于開裂，造成SiC晶片的研磨非常困難。有效的研磨需要選擇合適的研磨參數(shù)以獲得最大的材料去除率并控制表面完整性。

金剛石

3.粗拋

粗拋主要采用機械拋光方式，采用更小粒徑的硬磨料，如B₄C、金剛石等，對晶片表面進行修整，以去除研磨過程的殘留應力層和機械損傷層，提高表面平面度及表面質(zhì)量，高效地完成材料去除，為后續(xù)的超精密拋光奠定基礎。

粗拋后拋光片的原子力顯微鏡（AFM）檢測圖，晶片表面仍有大量劃痕

4.超精密拋光

經(jīng)傳統(tǒng)粗拋工藝，使用微小粒徑的金剛石或 B₄C拋光液，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(zhì)量，改善表面粗糙度及平整度，使其表面質(zhì)量特征參數(shù)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(huán)節(jié)。

隨著超精密拋光技術的發(fā)展，目前，適合 SiC單晶片的超精密拋光加工方法主要有機械研磨、磁流變拋光、離子束拋光、化學機械拋光等，其中化學機械拋光（CMP）技術是目前實現(xiàn) SiC晶片全局平坦化最有效的方法。

GMP過程示意圖

化學機械拋光是通過化學腐蝕和機械磨損協(xié)同作用，實現(xiàn)工件表面材料去除及平坦化的過程。晶片在拋光液的作用下發(fā)生化學氧化作用，表面生成化學反應層，隨后該反應軟化層在磨粒的機械作用下被除去。由于化學機械拋光技術涉及多學科知識，如化學、物理、摩擦、力學和材料學等，因此影響其拋光效果的因素很多，主要為拋光液（磨粒、氧化劑、pH值、添加劑等），拋光墊（硬度、彈性、表面形貌等）和拋光參數(shù)（拋光壓力、拋光頭/拋光盤轉(zhuǎn)速、拋光液流量等）。

其中，拋光液是化學機械拋光技術的核心，因此它帶來的影響是決定性的。一般來說，CMP 拋光液由磨粒、氧化劑、去離子水和添加劑（組成，因此可從這些因素入手對拋光效果進行調(diào)控——比如說單純磨粒這一塊就包括了磨料種類、磨粒粒徑、磨粒濃度等方面。目前，常用于CMP拋光液中的氧化劑主要是H₂O₂和KMnO₄，磨粒主要有SiO₂、CeO₂和Al₂O₃。馮玢等通過采用30~135nm的改性硅溶液對SiC晶片進行精拋處理，發(fā)現(xiàn)粗拋工序后殘留下的損傷層可被完全去除，從而獲得高質(zhì)量的拋光表面。

CMP拋光后拋光片SEM檢測圖

資料來源：

碳化硅晶片超精密拋光工藝及機理研究，陳國美。

碳化硅襯底精密加工技術，馮玢，潘章杰，王磊，郝建民。

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