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如何获得一块加工“完美”的碳化硅晶片?
2020年11月27日 发布 分类:粉体加工技术 点击量:578
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目前全球 95% 以上的半导体元件,都是以第一代半导体材料硅作为基础功能材料,不过随着电动车、5G 等新应用兴起,硅基半导体受限硅材料的物理性质,在性能上有不易突破的瓶颈,因此以氮化镓(GaN)、碳化硅(SiC)为代表的第三代半导体材料开始受到重视。

碳化硅

在第三代半导体材料中,SiC具有禁带宽度大、击穿电场高、饱和电子漂移速度高、热导率大等特点,可应用于1200伏特以上的高压环境,因此在严苛环境中有着明显优势;同时,SiC晶体因其与外延层材料GaN具有高匹配的晶格常数和热膨胀系数及良好的热导率,是 GaN基器件的理想衬底材料,如LED和LD。因此,SiC 晶体材料已经成为半导体照明技术领域不可缺少的衬底材料。

其中,SiC衬底加工技术是器件制作的重要基础,其表面加工的质量和精度的优劣,直接影响外延薄膜的质量及其器件的性能,因此在其应用中均要求晶片表面超光滑、无缺陷、无损伤,表面粗糙度值达纳米级以下。然而,由于SiC晶体具有高硬、高脆、耐磨性好、化学性质极其稳定的特点,这使得SiC晶片的加工变得非常困难。

碳化硅的精密加工

SiC单晶片的超精密加工工艺,按照其加工顺序,主要经历以下几个过程:定向切割、研磨(粗研磨、精研磨)、抛光(机械抛光)和超精密抛光(化学机械抛光)。

1.切割

切割是将SiC晶棒沿着一定的方向切割成晶体薄片的过程。将SiC晶棒切割成翘曲度小、厚度均匀、低切损的晶片,对于后续的研磨和抛光至关重要。与传统的内圆、外圆切割相比,多线切割具有大切削速度、高加工精度、高效率和较长的寿命等优点,已广泛应用于晶片的高效切割。

多线切割示意图

多线切割工艺原理:多线切割工艺就是将晶锭按照一定的晶向,将晶锭切割成表面平整、厚度均匀一的切割片,以便于后面的研磨加工。其基本原理是优质钢线在晶锭表面高速来回运动,附着在钢丝上的切割液中的金刚石颗粒对晶锭产生剧烈摩擦,使得材料碎裂并从母体表面脱落,达到切割的效果。

2.研磨

研磨的目的是去除切割过程中造成的SiC切片表面的刀痕以及表面损伤层。由于SiC的高硬度,研磨过程中必须使用高硬度的磨料(如碳化硼或金刚石粉)研磨SiC切片的晶体表面。研磨根据工艺的不同可分为粗磨和精磨。

粗磨主要是去除切割造成的刀痕以及切割引起的变质层,使用粒径较大的磨粒,提高加工效率。精磨主要是去除粗磨留下的表面损伤层,改善表面光洁度,并控制表面面形和晶片的厚度,利于后续的抛光,因此使用粒径较细的磨粒研磨晶片。由于SiC断裂韧性较低,使得其在研磨过程中易于开裂,造成SiC晶片的研磨非常困难。有效的研磨需要选择合适的研磨参数以获得最大的材料去除率并控制表面完整性。

碳化硅

金刚石

3.粗抛

粗抛主要采用机械抛光方式,采用更小粒径的硬磨料,如B4C、金刚石等,对晶片表面进行修整,以去除研磨过程的残留应力层和机械损伤层,提高表面平面度及表面质量,高效地完成材料去除,为后续的超精密抛光奠定基础。

碳化硅

粗抛后抛光片的原子力显微镜(AFM)检测图,晶片表面仍有大量划痕

4.超精密抛光

经传统粗抛工艺,使用微小粒径的金刚石或 B4C抛光液,对 SiC晶片进行机械抛光加工后,晶片表面的平面度大幅改善,但加工表面存在很多划痕,且有较深的残留应力层和机械损伤层。为进一步提高晶片的表面质量,改善表面粗糙度及平整度,使其表面质量特征参数符合后序加工中的精度要求,超精密抛光是SiC表面加工工序中非常关键的一个环节。

随着超精密抛光技术的发展,目前,适合 SiC单晶片的超精密抛光加工方法主要有机械研磨、磁流变抛光、离子束抛光、化学机械抛光等,其中化学机械抛光(CMP)技术是目前实现 SiC晶片全局平坦化最有效的方法。

碳化硅

GMP过程示意图

化学机械抛光是通过化学腐蚀和机械磨损协同作用,实现工件表面材料去除及平坦化的过程。晶片在抛光液的作用下发生化学氧化作用,表面生成化学反应层,随后该反应软化层在磨粒的机械作用下被除去。由于化学机械抛光技术涉及多学科知识,如化学、物理、摩擦、力学和材料学等,因此影响其抛光效果的因素很多,主要为抛光液(磨粒、氧化剂、pH值、添加剂等),抛光垫(硬度、弹性、表面形貌等)和抛光参数(抛光压力、抛光头/抛光盘转速、抛光液流量等)。

其中,抛光液是化学机械抛光技术的核心,因此它带来的影响是决定性的。一般来说,CMP 抛光液由磨粒、氧化剂、去离子水和添加剂(组成,因此可从这些因素入手对抛光效果进行调控——比如说单纯磨粒这一块就包括了磨料种类、磨粒粒径、磨粒浓度等方面。目前,常用于CMP抛光液中的氧化剂主要是H2O2KMnO4,磨粒主要有SiO2CeO2Al2O3。冯玢等通过采用30~135nm的改性硅溶液对SiC晶片进行精抛处理,发现粗抛工序后残留下的损伤层可被完全去除,从而获得高质量的抛光表面。

碳化硅 

CMP抛光后抛光片SEM检测图

资料来源:

碳化硅晶片超精密抛光工艺及机理研究,陈国美。

碳化硅衬底精密加工技术,冯玢,潘章杰,王磊,郝建民。

粉体圈 NANA整理


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