【半导光电】碳化硅晶片的超精密抛光工艺
来源:今日光电发布时间:2023-05-307620浏览
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使用化学机械抛光(CMP)方法对碳化硅晶片进行了超精密抛光试验，探究了滴液速率、抛光头转 速、抛光压力、抛光时长及晶片吸附方式等工艺参数对晶片表面粗糙度的影响，并对工艺参数进行了优化，最终 得到了表面粗糙度低于0.1 nm的原子级光滑碳化硅晶片。
0 引言
与传统半导体相比，单晶碳化硅作为新型半导体 材料，具有禁带宽度大（3.3 eV）、击穿电场高（0.8~ 3.0 MV/cm）、热导率高（3.0~4.9 W·cm-1K-1）、饱 和电子漂移速率高（2.0×107 cm/s）等突出优点，可 满足在高频高功率电子器件方面的需求，传统半导 体无法代替。因此，单晶碳化硅在电子元器件的应 用成为未来发展的必然趋势，而碳化硅晶片的生长 技术又是器件制作的前提，如何将碳化硅晶锭制作 成符合要求的碳化硅晶片就成为了关键环节。
单晶碳化硅具有超高硬度，其莫氏硬度高达 9.5，加工难度十分巨大。碳化硅具有极其稳定的化 学性质，在常温下不与任何已知的强酸或强碱等化 学试剂发生反应，且碳化硅的压缩强度远大于其弯 曲强度，材料具有较大的硬脆性，导致碳化硅加工难度巨大。目前国际上部分发达国家已具有成熟的 碳化硅单晶衬底的制备技术，其中美国碳化硅单晶 衬底技术最为成熟，垄断了国际上80%的市场，而国 内则处于起步状态，距离国际顶尖水准还有较大差 距，因此打破国际技术垄断，制备超光滑的碳化硅衬底晶片，具有十分重要的意义。
为得到表面超光滑的碳化硅衬底晶片，用改造 后的设备对碳化硅晶片进行了超精密抛光试验，得 到了表面粗糙度低于0.1 nm的超光滑碳化硅衬底晶 片，并探讨了晶片的粘贴方式、抛光压力、抛光时 长等参数对晶片表面粗糙度的影响。
1 碳化硅晶片超精密抛光试验碳化硅单晶衬底的制作需要经过切割、研磨、 抛光等一系列工艺，最终得到超光滑的碳化硅衬底晶片。其中，抛光又分为粗抛和精抛：粗抛的目的 是将衬底表面粗糙度加工至纳米级别；精抛是碳化 硅衬底晶片制作的最后一步工艺，其直接关系到加 工之后的衬底能否投入生产。精抛的目的是进一步 改善碳化硅衬底的表面质量，得到超光滑表面质量 的晶片，通常要求表面粗糙度低于0.2 nm以下。
获得超光滑表面碳化硅晶片的抛光方式中，包 括电化学抛光(ECMP)、摩擦化学抛光(TCP)、化 学机械抛光(CMP)等，其中化学机械抛光将化学 抛光技术和机械抛光技术相结合，是当前国际上公 认，可实现全局平坦化和超光滑无损伤纳米级表面 的加工方式。试验中使用自主研发的设备对碳化硅晶片进 行CMP，如图1所示。抛光盘使用质地较硬的铸铁 材质，具有良好面形，表面粘贴的抛光布使用无纺 布，抛光头下面带有真空吸附功能，通过调节真空 吸附压力可以将陶瓷盘牢牢吸附住，此外，设备还 具有滴液调节及搅拌功能，可以根据需求对抛光液 的进给速率进行调节和搅拌。
抛光液采用粒径在100~300 nm范围内的SiO2磨粒 作为抛光介质，使用KMnO4作为催化剂和氧化剂， 同时加入KOH溶液用来调节抛光液的PH值使其呈碱 性，其反应原理如图2所示，抛光液中SiC与氢氧基进 行化学反应，在氧化剂及催化剂作用下，SiC表面生 成SiO2改质层，在磨粒机械作用下去除。
抛光时间设定为6~12 h不等，抛光压力设定为 200~260 N，抛光盘转速设为固定值30 r/min，抛 光头转速设定为35~50 r/min，通过改变不同工艺 参数，对经过粗抛工艺后的碳化硅晶片进行了化学 机械抛光，并对抛光后的碳化硅晶片进行了测试分 析，抛光前碳化硅晶片表面粗糙度为3.2 nm，如图3 所示。
2 试验结果与讨论2.1 抛光液进给速率对晶片表面粗糙度的影响
研究抛光液进给速率对晶片表面粗糙度的影响规律，工艺参数为：抛光盘转速30 r/min，设定抛光 头转速50 r/min，抛光压力设定为200 N，抛光时长 设定为6 h，抛光液进给速率分别设定为1.8 mL/min、 2.6 mL/min、3.4 mL/min、4.2 mL/min，观察CMP后 晶片表面质量，在原子力显微镜（AFM）下观测到 的晶片表面粗糙度如图4所示。
在其他条件不变的情况下，随着抛光液进给速 率的增加，晶片的表面表面粗糙度随之减小，这是 由于抛光液较少时CMP中主要是机械抛光起作用， 随着抛光液增加，化学作用逐渐凸显，晶片表面质 量得到改善。
2.2 抛光头转速对晶片表面粗糙度的影响
设定抛光盘转速为30 r/min保持不变，设定抛光 压力为200 N，滴液速率为4.2 mL/min，抛光时长定 为10 h，改变抛光头转速，测量抛光后的晶片表面粗糙度，其结果如图5所示。
对测量结果进行了拟合，其拟合曲线如图6所 示，从图中可以看出，在保持其他条件不变的情况 下，随着抛光头转速的增加，碳化硅晶片表面粗糙 度逐渐减小，从0.12 nm下降到0.095 nm，这是由于 抛光头转速增加会加剧抛光液中的磨粒运动，从而 与晶片表面的接触更充分，但过快的转速容易导致 晶片出现崩边现象，当转速增加到50 r/min时，晶片 表面粗糙度可以达到0.1 nm以下，最低为0.096 nm。
2.3 抛光压力对晶片表面粗糙度的影响
同样将抛光盘转速固定为30 r/min，抛光头转速 定为50 r/min，滴液速率为4.2 mL/min，抛光时长定 为10 h，改变抛光头压力，对碳化硅晶片进行化学机 械抛光，测量抛光后晶片表面粗糙度，测量结果如图7所示。
抛光头压力对晶片表面粗糙度影响拟合曲线如 图8所示。随着抛光头压力逐渐增加，抛光后晶片 表面粗糙度也随之增加，由于随着压力的增加，晶 片与上下抛光盘之间的摩擦力会不断增大，抛光时 产生的损伤层也逐步增大，导致晶片表面粗糙度增 加，可得出，抛光压力保持在200 N时，抛光后晶片 表面质量最好，但过低的抛光压力会降低晶片的材 料去除效率，增加成本，因此将抛光压力定为200 N 最优。
2.4 抛光时长对晶片表面粗糙度的影响
将抛光盘转速固定在30 r/min，抛光头转速固定 为50 r/min，抛光压力保持200 N不变，滴液速率为 4.2 mL/min，研究了不同抛光时长对晶片表面粗糙度 的影响，经过CMP工艺后晶片表面粗糙度AFM图如 图9所示。
抛光时长对晶片表面粗糙度的拟合曲线如图10 所示。由图可见，当抛光时长为6 h时，晶片表面粗 糙度最大，随着抛光时间的加长，晶片表面粗糙度 明显下降，当抛光时长大于8 h时，表面粗糙度下降趋于稳定，化学作用和机械作用接近均衡，当抛光时 长增加到12 h时，晶片表面粗糙度最低达到0.083 nm。
2.5 晶片粘贴方式对晶片表面粗糙度的影响
除了上述抛光参数的研究之外，还分析了晶片 的吸附方式对其表面粗糙度的影响，固定其他条件 不变，即大盘转速30 r/min、抛光头转速50 r/min， 抛光压力200 N，滴液速率为4.2 mL/min，将碳化 硅晶片分别以水雾吸附及上蜡粘贴吸附的方式进行 CMP，抛光时长6.5 h，测得抛光后晶片表面粗糙度 AFM图如图11所示。
从图中可以看出，其他条件不变的情况下，上 蜡粘贴吸附进行抛光和水雾吸附进行抛光后碳化硅 晶片的粗糙度差别不大，说明两种吸附方式的不同 对晶片表面粗糙度影响不大，但水雾吸附方式所使 用的吸附垫成本较高，且寿命短，事后清理较为麻 烦，因此建议使用上蜡粘贴吸附方式。
3 结论本文中对碳化硅衬底晶片进行了超精密化学 抛光工艺，分析了抛光头转速、抛光压力及抛光时 长对碳化硅晶片表面粗糙度的影响，结果显示，抛光头转速的增加和抛光压力的减小有利于改善晶片 表面粗糙度，增大抛光时长可以进一步改善晶片质 量，最终确定了工艺中的最优参数，即：抛光液进 给速率为4.2 mL/min、抛光盘转速为30 r/min、抛光 头转速为50 r/min、抛光盘压力为200 N、抛光时长 为12 h时，碳化硅晶片表面质量最好，其粗糙度最好 可达0.083 nm。
来源：电子工艺技术第44卷第2期
作者：甘琨，刘彦利，史健玮，胡北辰
（中国电子科技集团公司第二研究所）
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来源：半导体在线
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