本技術涉及碳化硅晶圓襯底加工,更具體地說,涉及一種碳化硅晶圓襯底的加工工藝。
背景技術:
1、碳化硅晶圓襯底作為第三代半導體材料的核心基礎,憑借其寬禁帶、高熱導率、高耐壓等優(yōu)異特性,在新能源汽車、電機控制器、車載充電器、高壓快充以及光伏與儲能等領域領域展現(xiàn)出廣闊的應用前景。隨著科研投入的增加,碳化硅襯底的制備技術不斷優(yōu)化,行業(yè)正逐漸向8英寸碳化硅襯底過渡。與6英寸襯底相比,8英寸襯底能夠提供更大的芯片制造面積,有效降低芯片成本,提高生產(chǎn)效率。8英寸襯底的成本可降低約35%,且能夠切割出更多晶片,邊緣浪費更少,使得材料的有效利用率大幅提升。
2、然而,8英寸碳化硅襯底的加工面臨諸多挑戰(zhàn)。首先,表面質(zhì)量控制難度大,隨著尺寸增加,保持襯底表面的平整度、厚度一致性和表面粗糙度變得更加困難。其次,碳化硅的莫氏硬度僅次于金剛石,屬于高硬脆性材料,在加工過程中容易產(chǎn)生微裂紋、位錯等損傷。這些損傷可能會影響器件的性能,且由于尺寸增大,8英寸碳化硅襯底在加工過程中更容易出現(xiàn)翹曲(warp)、彎曲(bow)和厚度變化(ttv)等問題,導致良品率降低。
技術實現(xiàn)思路
1、為了解決8英寸碳化硅襯底在加工過程中所面臨的上述問題,本技術提供一種碳化硅晶圓襯底的加工工藝。
2、第一方面,本技術提供一種碳化硅晶圓襯底的加工工藝,采用如下的技術方案:
3、一種碳化硅晶圓襯底的加工工藝,包括以下制備步驟:
4、s1、將碳化硅晶棒使用金剛石切割線切割成碳化硅晶片,切割速度為2500-2800m/min,線徑尺寸0.16-0.18mm,切割厚度為500-600微米,碳化硅晶片的ttv為10-15微米,warp為20-25,bow為6-12微米;
5、s2、將碳化硅晶片使用金剛石減薄砂輪進行打磨,其中,金剛石減薄砂輪粒度為7500-8500#,加工速度為1-3微米/min,打磨后碳化硅晶片的厚度為25-30微米,打磨后碳化硅晶片的表面粗糙度為0.5-2nm;
6、s3、將打磨后碳化硅晶片進行粗磨,得到粗磨碳化硅晶片,其中,粗磨條件為:研磨盤面為鑄鐵盤,研磨液為單晶金剛石粗磨液,移除率為1.1-1.4微米/min,總移出厚度為70-80微米,粗磨碳化硅晶片的表面粗糙度為20-30nm;
7、s4、將粗磨碳化硅晶片進行細磨,得到細磨碳化硅晶片,其中,細磨條件為:研磨盤面為無紡布粗拋墊,研磨液為聚晶金剛石精磨液,移除率為0.2-0.3微米/min,總移出厚度為20-30微米,細磨碳化硅晶片的表面粗糙度為3-5nm;
8、s5、將細磨碳化硅晶片進行雙面拋光,得到粗拋碳化硅晶片,其中,雙面拋光條件為:研磨盤面為無紡布粗拋墊,研磨液/為氧化硅粗拋液,移除率為0.05-0.06微米/min,總移出厚度為10-15微米,粗拋碳化硅晶片的表面粗糙度為0.1-0.2nm;
9、s6、將粗拋碳化硅晶片進行單面拋光,清洗,得到碳化硅晶圓襯底,其中,單面拋光條件為:研磨盤面為阻尼布精拋墊,研磨液為氧化硅細拋液,移除率為0.005-0.01微米/min,總移出厚度為0.5-1微米,碳化硅晶圓襯底的表面粗糙度小于0.1nm。
10、通過采用上述技術方案,通過多步驟的優(yōu)化,最終表面粗糙度小于0.1納米,滿足高性能器件對外延生長和器件性能的要求。同時通過通過控制ttv、warp和bow,減少了晶片加工中的翹曲和厚度不均勻性,提高了后續(xù)工藝的良率。
11、金剛石切割線具有高硬度和高耐磨性,能夠有效切割碳化硅材料,同時減少切割應力和熱量積累,降低微裂紋和位錯的產(chǎn)生。同時再通過優(yōu)化切割速度和線徑尺寸,減少切割過程中產(chǎn)生的初始損傷,確保切割后的晶片厚度均勻性和表面平整度。金剛石砂輪的高硬度和高精度能夠有效去除材料,同時減少表面損傷和次表面應力集中。再選擇合適粒度的砂輪和優(yōu)化加工速度,減少表面粗糙度和次表面損傷,確保晶片在減薄后的厚度和表面質(zhì)量。單晶金剛石粗磨液能夠提供高效的材料去除率,同時減少表面損傷,鑄鐵盤的高剛性和穩(wěn)定性有助于保持研磨過程的均勻性。通過優(yōu)化研磨液和研磨盤的選擇,確保粗磨過程中材料的高效去除,同時保持表面質(zhì)量。聚晶金剛石精磨液具有更高的磨削效率和更好的表面質(zhì)量,無紡布粗拋墊能夠提供均勻的研磨壓力,減少表面損傷。通過優(yōu)化細磨工藝,進一步提升表面平整度和減少表面粗糙度。氧化硅粗拋液能夠提供高效的材料去除率和良好的表面質(zhì)量,無紡布粗拋墊能夠提供均勻的研磨壓力,確保雙面拋光的一致性。通過雙面拋光,顯著提升晶片表面的平整度和厚度均勻性,減少表面粗糙度。氧化硅細拋液具有更高的拋光效率和更好的表面質(zhì)量,阻尼布精拋墊能夠提供均勻的研磨壓力,確保單面拋光的一致性。通過精細拋光,最終實現(xiàn)超光滑表面,確保襯底表面無缺陷、無損傷,滿足高性能電子器件的制造要求。
12、優(yōu)選的,步驟s1切割過程中,添加切割液,所述切割液是由水、表面活性劑和季銨鹽按照重量比為100:(1-2):(0.5-1.5)組成。
13、切割液的優(yōu)化配方能夠有效減少切割過程中產(chǎn)生的微裂紋和位錯等缺陷。這是因為表面活性劑和季銨鹽的協(xié)同作用可以降低切割應力,減少碳化硅晶片的損傷。切割液中的表面活性劑和季銨鹽能夠有效降低切割過程中的摩擦和熱量積累,減少碳化硅晶棒的熱損傷和機械損傷。這有助于提高切割后的晶片表面平整度和厚度均勻性。表面活性劑可以改善切割液的潤濕性和流動性,使切割液更好地覆蓋切割區(qū)域,從而提高切割效率。同時,季銨鹽的加入可以進一步穩(wěn)定切割液的性能,減少切割過程中的磨損,達到顯著降低切割后的翹曲(warp)、彎曲(bow)和厚度變化(ttv),從而提高碳化硅晶圓襯底的整體質(zhì)量。
14、優(yōu)選的,步驟s1結(jié)束后,將碳化硅晶片加熱至700-900℃,加熱速率為50-60℃/min,保溫60-90min,然后降溫至20-40℃,降溫速率為30-40℃/min。
15、通過高溫退火處理,可以顯著降低碳化硅晶片內(nèi)部的熱應力。在加熱過程中,晶片內(nèi)部的殘余應力得以釋放,從而減少后續(xù)加工過程中可能出現(xiàn)的微裂紋和位錯降低碎片率,并確保晶片在高性能器件制造中的適用性。
16、優(yōu)選的,在步驟s2打磨的過程中,加入打磨液,打磨液是由平均粒徑為300-500nm二氧化硅、黃原膠、蓖麻油硫酸酯鈉、單硬脂酸甘油酯和水按照重量比為(15-20):(3-5):(1-2):(2-4):100組成。
17、平均粒徑為300-500nm的二氧化硅顆粒作為磨料,能夠有效去除碳化硅晶片表面的粗糙層,顯著降低表面粗糙度。黃原膠和單硬脂酸甘油酯具有潤滑和緩沖作用,能夠在磨料與晶片表面之間形成保護層,減少機械損傷,從而降低微裂紋和劃痕的產(chǎn)生,同時提高表面光潔度。
18、優(yōu)選的,步驟s2結(jié)束后,將打磨后碳化硅晶片置于溫度為250-300℃環(huán)境,加熱30-60min,再置于冷卻液中冷卻。
19、通過采用上述技術方案,可以顯著減少打磨后的碳化硅晶片表面損傷和殘余應力,改善表面質(zhì)量,減少翹曲和變形,提高晶片的尺寸穩(wěn)定性和后續(xù)加工的兼容性。這為后續(xù)的精磨、拋光和外延生長等工藝提供了高質(zhì)量的中間產(chǎn)品,有助于提高最終產(chǎn)品的良率和性能。
20、優(yōu)選的,步驟s3中單晶金剛石粗磨液是由平均粒徑為0.1-1微米的單晶金剛石、羥乙基纖維素、聚乙烯吡咯烷酮、聚乙二醇和水按照重量比為(25-35):(3-5):(4-6):(2-4):100組成。
21、通過使用這種優(yōu)化配方的單晶金剛石粗磨液,能夠顯著提高碳化硅晶片的研磨效率和表面質(zhì)量,減少機械損傷,降低加工成本。配方中的羥乙基纖維素和聚乙烯吡咯烷酮作為分散劑,能夠有效防止單晶金剛石顆粒的團聚,確保磨料在研磨液中均勻分布。這不僅提高了研磨效率,還減少了因磨料團聚導致的表面劃傷。羥乙基纖維素和聚乙烯吡咯烷酮在研磨過程中形成緩沖層,減少磨料與晶片表面的直接沖擊,從而降低微裂紋和劃痕的產(chǎn)生。
22、優(yōu)選的,步驟s4中聚晶金剛石精磨液是由聚晶金剛石微粉、椰子油二乙醇酰胺、蓖麻油硫酸酯鈉、單硬脂酸甘油酯和水按照重量比為(35-40):(4-6):(2-4):(3-5):100組成。
23、通過采用上述技術方案,能夠顯著提高碳化硅晶片的精磨效率和表面質(zhì)量,減少機械損傷,降低加工成本。聚晶金剛石微粉具有高硬度和良好的切削性能,能夠在精磨過程中高效去除材料,顯著降低表面粗糙度。單硬脂酸甘油酯作為潤滑劑,能夠在磨料與晶片表面之間形成緩沖層,減少機械摩擦,降低微裂紋和劃痕的產(chǎn)生。椰子油二乙醇酰胺和蓖麻油硫酸酯鈉作為分散劑和流動性調(diào)節(jié)劑,能夠確保金剛石微粉在研磨液中均勻分布,避免顆粒團聚,從而提高研磨效率。
24、優(yōu)選的,步驟s5中氧化硅粗拋液是由平均粒徑為100-200nm的氧化硅、脂肪醇聚氧乙烯醚、乙烯基三乙氧基硅烷、分散劑和水按照重量比為(20-30):(4-6):(1-3):(2-4):100組成。
25、通過采用上述技術方案,通過使用這種優(yōu)化配方的氧化硅粗拋液,能夠顯著提高碳化硅晶片的拋光效率和表面質(zhì)量,減少機械損傷。
26、氧化硅顆粒具有良好的研磨性能,能夠高效去除碳化硅晶片表面的材料,顯著提高拋光效率,100-200nm的氧化硅顆粒呈均勻的球形,粒徑分布窄,能夠提供穩(wěn)定的拋光速率,降低表面粗糙度。脂肪醇聚氧乙烯醚和乙烯基三乙氧基硅烷作為潤滑劑和保護劑,能夠減少拋光過程中對晶片表面的劃傷。
27、優(yōu)選的,步驟s5中氧化硅細拋液是由平均粒徑為10-50nm的氧化硅、乙烯基三乙氧基硅烷、分散劑和水按照重量比為(30-40):(1-3):(2-4):100組成。
28、通過采用上述技術方案,能夠顯著提高碳化硅晶片的拋光效率和表面質(zhì)量,減少表面損傷。平均粒徑為10-50nm的氧化硅顆粒能夠?qū)崿F(xiàn)高精度的拋光,乙烯基三乙氧基硅烷作為潤滑劑,能夠在拋光過程中減少表面劃傷和機械損傷,且拋光后的表面粗糙度顯著降低,能夠達到納米級的平整度
29、綜上所述,本技術具有以下有益效果:
30、1、本技術中通過使用金剛石切割線對碳化硅晶棒進行切割,在使用金剛石減薄砂輪進行打磨,再使用鑄鐵盤進行粗磨,再使用無紡布粗拋進行細磨,再使用無紡布粗拋墊盡心粗拋光,最后使用阻尼布精拋墊進行細拋,得到碳化硅晶圓襯底,得到碳化硅晶圓襯底表面質(zhì)量顯著提升,且加工過程減少了晶片加工中的翹曲和厚度不均勻性,提高了后續(xù)工藝的良率。