CN109129028A - 一种高效的碳化硅晶片的加工方法 - Google Patents

一种高效的碳化硅晶片的加工方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于半导体材料加工技术领域，具体涉及一种高效的碳化硅晶片的加工方法，包括晶片倒角、双面机械研磨、砂轮抛光、双面化学机械抛光。本发明采用金刚石砂轮抛光衔接双面机械研磨和双面化学机械抛光，摒弃传统单面加工方法中的有蜡贴片程序，极大的优化了加工工艺流程，同时提高了晶片加工的自动化程度和精度，得到了低翘曲度、高表面质量的碳化硅晶片。该发明方法极大的简化了晶片加工流程，提高了加工效率，有利于商业化大规模生产。

Description

一种高效的碳化硅晶片的加工方法
技术领域
本发明属于半导体材料加工技术领域，涉及一种高效的碳化硅晶片的加工方法，提高了碳化硅晶片晶片的加工质量和加工效率，有利于节约生产加工成本，适合产业化推广。
背景技术
在信息技术快速发展的今天，半导体技术的革新扮演着愈加重要的角色。以碳化硅、氮化镓为代表的宽禁带半导体，是继硅、砷化镓之后的第三代宽禁带半导体。与硅和砷化镓为代表的传统半导体材料相比而言，碳化硅在工作温度、耐击穿电压、抗辐射等方面性能具有非常大的优势。碳化硅已经成为目前发展最为成熟的宽禁带半导体材料，其高热导率、高击穿场强、高饱和电子漂移速率等优异性能可以满足现代电子技术对高温、高频、高功率以及抗辐射的新要求，因此碳化硅被看作是半导体材料领域最具有前景的材料之一。
由于碳化硅生长技术难度较高，加工工艺复杂等因素导致市场出售的碳化硅晶片价格偏高，影响了碳化硅的市场应用和发展。因此，为了扩大碳化硅材料的应用，进一步降低碳化硅晶片的生产加工成本是必要的。碳化硅的莫氏硬度为9.5，与金刚石接近，故碳化硅材料的加工非常困难。鉴于碳化硅材料硬度高、脆性大，目前碳化硅加工效率普遍较低，加工周期较长，影响的碳化硅材料的规模化生产。目前市面销售产品为双面抛光产品，传统的碳化硅加工工艺为单面加工，包括晶片倒角、双面机械研磨、有蜡贴片、粗机械抛光、精机械抛光、晶片翻面贴片、粗机械抛光、精机械抛光、化学机械抛光，采用的单面加工厚重新上蜡贴片翻面加工的工艺程序复杂，加工周期长，不利于碳化硅晶片的商业化大规模生产；同时加工的晶片翘曲度（Warp）、总厚度变化（TTV）大，降低了下游的外延、器件制造的产品质量。
发明内容
本发明提供了一种高效的碳化硅晶片的加工方法，包括晶片倒角、双面机械研磨、砂轮抛光、双面化学机械抛光，加工工序简单，加工周期短，自动化程度高，效率高，晶片的翘曲度（Warp）和总厚度变化（TTV）小，最终加工的碳化硅晶片满足工业客户的使用要求。其中，砂轮抛光工序的砂轮刀头为以金刚石磨料为原料，分别用金属粉、树脂粉、陶瓷和电镀金属作结合剂制作而成。晶片通过真空吸附固定住，金刚石刀头高速旋转，在晶片表面进行抛光，同时加冷却液进行冷却。
本发明方法的技术方案如下：
（1）晶片倒角；
（2）双面机械研磨，使用水基型金刚石抛光液，金刚石颗粒粒径为2-20μm，研磨压力为25-250 g/cm2，研磨盘为铸铁盘，铸铁盘表面开槽，开槽间隔5-50mm，槽宽0.5-2mm，槽深0.5-10mm，研磨时间为1-4h；
（3）砂轮抛光，采用全自动砂轮抛光设备，选择合适粒径的金刚石砂轮，对晶片两面进行打磨抛光，砂轮转速为500-3500rpm，磨削速度为0.1-5μm/min，磨削时间为0.5-20分钟；
（4）双面化学机械抛光，使用酸性的抛光液，加入一定比例的氧化剂，调节抛光液的pH值为2-6，施加合适的抛光压力，抛光垫为聚氨酯类结构的抛光垫，抛光时间为0.5-5h。
在本发明技术方案中，步骤（3）所述金刚石砂轮颗粒粒径为0.5-2μm或2-5μm或5-10μm的金刚石砂轮。
在本发明技术方案中，步骤（3）砂轮抛光时先用5-10μm的金刚石砂轮，转速500-1500rpm，抛光时间1-5分钟；再用2-5μm的金刚石砂轮，转速1500-2500rpm，抛光时间3-10分钟；再用0.5-2μm金刚石砂轮，转速2500-3500rpm，抛光时间8-20分钟。
在本发明技术方案中，步骤（4）所述抛光液为氧化铝抛光液或氧化硅抛光液或氧化铈抛光液。
在本发明技术方案中，步骤（4）所述抛光液中磨粒的质量分数为1%-10%或10%-30%或30%-50%。
在本发明技术方案中，步骤（4）所述抛光液中磨粒的粒径为30-100nm或100-200nm。
在本发明技术方案中，步骤（4）所述氧化剂为高锰酸钾或次氯酸钠或双氧水。
在本发明技术方案中，步骤（4）所述抛光液与氧化剂的体积比为1：（0.1~20）。
在本发明技术方案中，步骤（4）所述聚氨酯类抛光垫的邵氏硬度为60-96。
本发明提供了一种高效、快速的碳化硅晶片加工方法，与传统的晶片加工方法相比，通过本发明方法，可以大大缩短碳化硅晶片的加工时间，提高晶片加工的质量，加工后碳化硅晶片的面型可以达到TTV（总厚度变化）≤4μm，LTV（局部厚度变化）≤2μm，Bow（弯曲度）≤15μm，Warp（翘曲度）≤15μm，Rms（表面粗糙度）<0.1nm，晶片表面无肉眼可见缺陷。
附图说明
图1为本发明的加工方法的工艺流程示意图。
图2为采用本发明的加工方法进行加工后碳化硅晶片的总厚度变化图。
图3为采用本发明的加工方法进行加工后碳化硅晶片的翘曲度图。
图4为采用本发明的加工方法进行加工后碳化硅晶片Si面的AFM结果图。
图5为采用本发明的加工方法进行加工后碳化硅晶片C面的AFM结果图。
图6为采用本发明的加工方法进行加工后碳化硅晶片Si面的Candela CS920结果图。
具体实施方式
实施例1
一种高效的碳化硅晶片的加工方法，其具体步骤如下：
（1）晶片倒角；
（2）倒角后的晶片进行双面研磨，使用水基型金刚石抛光液，金刚石颗粒粒径为5μm，研磨压力为115 g/cm2，研磨盘为铸铁盘，铸铁盘表面开槽，开槽间隔10mm，槽宽1mm，槽深10mm，研磨时间为3.5h；
（3）采用全自动砂轮抛光设备，对晶片两面进行打磨抛光，先用5μm的金刚石砂轮，转速1500rpm，磨削速度为3μm/min，抛光时间3分钟；再用2μm的金刚石砂轮，转速2500rpm，磨削速度为1.5μm/min，抛光时间6分钟；再用1μm金刚石砂轮，转速3000rpm，磨削速度为0.2μm/min，抛光时间15分钟；
（4）砂轮抛光后的碳化硅晶片进行双面化学机械抛光，使用酸性的氧化铝抛光液，加入一定比例的高锰酸钾溶液，调节抛光液的pH值为3，抛光压力为500g/cm2，抛光垫为聚氨酯类结构的抛光垫，抛光时间为3h。
所述的氧化铝抛光液的质量分数为3%，粒度为105nm。
所述的氧化铝抛光液与高锰酸钾的体积比为1：1。
所述的聚氨酯抛光垫的邵氏硬度为92。加工后晶片的总厚度变化如图2，翘曲度如图3所示，Si面、C面的AFM结果图如图4、5所示，CS920测试结果如图6所示，表明本发明方法加工晶片具有较好的加工质量。
实施例2
一种高效的碳化硅晶片的加工方法，其具体步骤如下：
（1）晶片倒角；
（2）倒角后的晶片进行双面研磨，使用水基型金刚石抛光液，金刚石颗粒粒径为3μm，研磨压力为160 g/cm2，研磨盘为铸铁盘，铸铁盘表面开槽，开槽间隔10mm，槽宽1mm，槽深10mm，研磨时间为3h；
（3）采用全自动砂轮抛光设备，对晶片两面进行打磨抛光，先用10μm的金刚石砂轮，转速1000rpm，磨削速度为5μm/min，抛光时间2分钟；再用3μm的金刚石砂轮，转速2000rpm，磨削速度为2μm/min，抛光时间8分钟；再用1μm金刚石砂轮，转速3000rpm，磨削速度为0.3μm/min，抛光时间12分钟；
（4）砂轮抛光后的碳化硅晶片进行双面化学机械抛光，使用酸性的氧化硅抛光液，加入一定比例的高锰酸钾，调节抛光液的pH值为4，抛光压力为300g/cm2，抛光垫为聚氨酯类结构的抛光垫，抛光时间为3h。
所述的氧化硅抛光液的质量分数为30%，粒度为80nm。
所述的氧化硅抛光液与高锰酸钾的体积比为1：10。
所述的聚氨酯抛光垫的邵氏硬度为85。
实施例3
一种高效的碳化硅晶片的加工方法，其具体步骤如下：
（1）晶片倒角；
（2）倒角后的晶片进行双面研磨，使用水基型金刚石抛光液，金刚石颗粒粒径为5μm，研磨压力为160 g/cm2，研磨盘为铸铁盘，铸铁盘表面开槽，开槽间隔20mm，槽宽1mm，槽深10mm，研磨时间为3h；
（3）采用全自动砂轮抛光设备，对晶片两面进行打磨抛光，先用10μm的金刚石砂轮，转速800rpm，磨削速度为5μm/min，抛光时间2分钟；再用5μm的金刚石砂轮，转速1600rpm，磨削速度为2μm/min，抛光时间8分钟；再用2μm金刚石砂轮，转速3000rpm，磨削速度为0.8μm/min，抛光时间10分钟；
（4）砂轮抛光后的碳化硅晶片进行双面化学机械抛光，使用酸性的氧化铈抛光液，加入一定比例的高锰酸钾，调节抛光液的pH值为2，抛光压力为400g/cm2，抛光垫为聚氨酯类结构的抛光垫，抛光时间为4h。
所述的氧化铈抛光液的质量分数为10%，粒度为140nm。
所述的氧化铈抛光液与高锰酸钾的体积比为1：15。
所述的聚氨酯抛光垫的邵氏硬度为85。
实施例4
一种高效的碳化硅晶片的加工方法，其具体步骤如下：
（1）晶片倒角；
（2）倒角后的晶片进行双面研磨，使用水基型金刚石抛光液，金刚石颗粒粒径为10μm，研磨压力为200 g/cm2，研磨盘为铸铁盘，铸铁盘表面开槽，开槽间隔10mm，槽宽1mm，槽深10mm，研磨时间为2.5h；
（3）采用全自动砂轮抛光设备，对晶片两面进行打磨抛光，先用10μm的金刚石砂轮，转速1000rpm，磨削速度为5μm/min，抛光时间2分钟；再用5μm的金刚石砂轮，转速2000rpm，磨削速度为2μm/min，抛光时间10分钟；再用2μm金刚石砂轮，转速3000rpm，磨削速度为1μm/min，抛光时间10分钟；
（4）砂轮抛光后的碳化硅晶片进行双面化学机械抛光，使用酸性的氧化硅抛光液，加入一定比例的次氯酸钠，调节抛光液的pH值为5，抛光压力为600g/cm2，抛光垫为聚氨酯类结构的抛光垫，抛光时间为5h。
所述的氧化硅抛光液的质量分数为30%，粒度为120nm。
所述的氧化硅抛光液与次氯酸钠的体积比为1：5。
所述的聚氨酯抛光垫的邵氏硬度为92。
应该指出，上述的具体实施方式只是对本发明进行详细说明，它不应是对本发明的限制。对于熟悉本领域技术的人员而言，在不偏离权利要求的宗旨和范围时，可以有多种形式和细节的变化。

Claims (10)

1.一种高效的碳化硅晶片的加工方法，包括下述步骤：
（1）晶片倒角；
（2）双面机械研磨，使用水基型金刚石抛光液，金刚石颗粒粒径为2-20μm，研磨压力为25-250 g/cm2，研磨盘为铸铁盘，铸铁盘表面开槽，开槽间隔5-50mm，槽宽0.5-2mm，槽深0.5-10mm，研磨时间为1-4h；
（3）砂轮抛光，采用全自动砂轮抛光设备，选择一定粒径的金刚石砂轮，对晶片两面进行打磨抛光，砂轮转速为500-3500rpm，磨削速度为0.1-5μm/min，磨削时间为0.5-20分钟；
（4）双面化学机械抛光，使用酸性的抛光液，加入一定比例的氧化剂，调节抛光液的pH值为2-6，施加一定的抛光压力，抛光垫为聚氨酯类结构的抛光垫，抛光时间为0.5-5h。
2.根据权利要求1所述的加工方法，其特征在于：步骤（3）所述金刚石砂轮颗粒粒径为0.5-2μm或2-5μm或5-10μm。
3.根据权利要求1所述的加工方法，步骤（3）中对晶片表面采用砂轮抛光时特征在于：先用5-10μm的金刚石砂轮，转速500-1500rpm，抛光时间1-5分钟；再用2-5μm的金刚石砂轮，转速1500-2500rpm，抛光时间3-10分钟；再用0.5-2μm金刚石砂轮，转速2500-3500rpm，抛光时间8-20分钟。
4.根据权利要求1所述的加工方法，其特征在于：步骤（4）所述抛光液为氧化铝抛光液或氧化硅抛光液或氧化铈抛光液。
5.根据权利要求1所述的加工方法，其特征在于：步骤（4）所述抛光液中磨粒的质量分数为1%-10%或10%-30%或30%-50%。
6.根据权利要求1所述的加工方法，其特征在于：步骤（4）所述抛光液中磨粒的粒径为30-100nm或100-200nm。
7.根据权利要求1所述的加工方法，其特征在于：步骤（4）所述氧化剂为高锰酸钾或次氯酸钠或双氧水。
8.根据权利要求1所述的加工方法，其特征在于：步骤（4）所述抛光液与氧化剂的体积比为1：（0.1-20）。
9.根据权利要求1所述的加工方法，其特征在于：步骤（4）所述抛光压力为100-600g/cm2。
10.根据权利要求1所述的加工方法，其特征在于：步骤（4）所述聚氨酯类抛光垫的邵氏硬度为60-96。
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