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第7講:SiC單晶襯底加工技術(shù)

發(fā)布時(shí)間:2024-10-23 責(zé)任編輯:lina

【導(dǎo)讀】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(gè)長(zhǎng)時(shí)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(shù)以及近年來新出現(xiàn)的晶圓制備方法。


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(gè)長(zhǎng)時(shí)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(shù)以及近年來新出現(xiàn)的晶圓制備方法。

將通過升華法制備的SiC單晶從坩堝中取出,經(jīng)過多個(gè)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(rèn)其晶體方向,然后進(jìn)行外圓磨削,加工成圓柱形晶體(有時(shí)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(gè)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(shù)情況下,采用多線切割法進(jìn)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(shí)讓其移動(dòng)來進(jìn)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(jìn)行平整化處理。在平整化過程中,首先通過研磨去除微米級(jí)以上的凹凸。在該階段,由于磨粒的作用,表面上會(huì)留下細(xì)微的劃痕和凹凸。接下來,通過精加工拋光去除微米級(jí)以下的凹凸,使表面達(dá)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(huì)特別注意,避免在表面留下劃痕,同時(shí)也不會(huì)在內(nèi)部留下潛在的傷痕。


第7講:SiC單晶襯底加工技術(shù)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(jīng)過拋光的晶圓外周通常會(huì)形成邊緣,在碰到物體時(shí)非常容易破裂。因此,需要對(duì)晶圓的外周進(jìn)行邊緣研磨,以避免出現(xiàn)銳角。圖2展示了磨邊前后的外周部的剖面形狀圖。此外,關(guān)于邊緣形狀,行業(yè)協(xié)會(huì)已制定了相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。


第7講:SiC單晶襯底加工技術(shù)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(shí)的磨粒,因此將SiC晶棒加工成晶圓是一個(gè)長(zhǎng)時(shí)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(bào)道稱有利用激光切片的方法。在這種技術(shù)中,激光束從圓柱形晶體的頂部照射,在SiC晶體內(nèi)所需的切片深度處聚焦形成改質(zhì)區(qū),通過對(duì)整個(gè)表面進(jìn)行掃描將改質(zhì)區(qū)擴(kuò)展為平面,然后剝離出薄片。一般使用多線切割進(jìn)行切割時(shí),會(huì)產(chǎn)生不可忽略的切口損耗,同時(shí)由于切割線的波動(dòng)會(huì)導(dǎo)致凹凸不平,因此研磨量也會(huì)增加,導(dǎo)致浪費(fèi)更多的晶體部分。相比之下,采用激光進(jìn)行切片的方法,可以減少切口損耗,同時(shí)還能縮短加工時(shí)間,因此被視為一種有前景的技術(shù)。

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(chǎn)生放電以進(jìn)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(tǒng)SiC單晶制備晶圓不同的方法,已有研究報(bào)告提出在異質(zhì)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(zhuǎn)移至支撐襯底上,然后剝離。此后,SiC單晶將進(jìn)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(fā)仍在進(jìn)行中。


第7講:SiC單晶襯底加工技術(shù)圖3:將單晶薄膜壓到支撐襯底上的SiC晶圓制作流程


關(guān)于三菱電機(jī)

三菱電機(jī)創(chuàng)立于1921年,是全球知名的綜合性企業(yè)。截至2024年3月31日的財(cái)年,集團(tuán)營(yíng)收52579億日元(約合美元348億)。作為一家技術(shù)主導(dǎo)型企業(yè),三菱電機(jī)擁有多項(xiàng)專利技術(shù),并憑借強(qiáng)大的技術(shù)實(shí)力和良好的企業(yè)信譽(yù)在全球的電力設(shè)備、通信設(shè)備、工業(yè)自動(dòng)化、電子元器件、家電等市場(chǎng)占據(jù)重要地位。尤其在電子元器件市場(chǎng),三菱電機(jī)從事開發(fā)和生產(chǎn)半導(dǎo)體已有68年。其半導(dǎo)體產(chǎn)品更是在變頻家電、軌道牽引、工業(yè)與新能源、電動(dòng)汽車、模擬/數(shù)字通訊以及有線/無線通訊等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。


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