CN110539240A - 一种碳化硅单晶衬底的加工方法 - Google Patents

一种碳化硅单晶衬底的加工方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种碳化硅单晶衬底的加工方法。该方法包括下列步骤：先用钻石线对碳化硅单晶制品进行切割，然后采用钻石盘进行研磨，之后用钻石抛光液进行粗抛光，最后经过精抛光得到碳化硅单晶衬底。本发明可在加工效率与平面均匀度之间取得双赢，辅以最后一道化学机械精抛光来达成半导体级表面质量要求，此方法可大大降低加工时间与加工成本，同时也有效的提高碳化硅单晶衬底片的加工良率。

Description

一种碳化硅单晶衬底的加工方法
技术领域
本发明涉及半导体材料加工领域，特别涉及一种碳化硅单晶衬底的加工方法。
背景技术
随着第三代半导体材料单晶碳化硅衬底的量产突破，以其为衬底所制作的电力电子、高频、耐高温、大功率元器件，在节能降耗与電气性能领域具有绝对的优势，因而迎来黄金发展期，市场规模正在急剧扩大。
单晶碳化硅作为第三代宽带隙半导体材料，具有宽带隙、高热导率、高临界击穿电场和高电子饱和迁移率，具有与Si、GaAs材料更完美的材料特性，使得在高温、高频、大功率的电子元器件具有巨大的应用潜力，实现产品高温操作、小型化、电源转换效率高的需求。然而碳化硅单晶材料化学稳定性好、硬度高，使得碳化硅单晶衬底片之加工非常困难并且成本昂贵与加工费时，为了进一步更快的实现产业化与下游应用，如何降低碳化硅单晶衬底片的加工成本与朝向大尺寸开发应用是未来的发展方向。
传统的碳化硅单晶衬底加工方法通常以碳化硅或碳化硼游离砥粒砂浆进行加工，难以确保整批衬底的平面度与均匀性要求，同时由于研磨效率慢、加工时间久，良率难以确保与提高。
发明内容
本发明的第一目的在于提供一种碳化硅单晶衬底的加工方法，该方法除了精抛光外所有步骤均采用钻石加工，可以兼顾加工效率和平面均匀度，既提高了产品良率，又提高了加工效率。
为了实现以上目的，本发明提供了以下技术方案：
一种碳化硅单晶衬底的加工方法，包括下列步骤：
先用钻石线对碳化硅单晶制品进行切割，然后采用钻石盘进行研磨，之后用钻石抛光液进行粗抛光，最后经过精抛光得到碳化硅单晶衬底。
传统的加工方法采用碳化硅或碳化硼加工，并且研磨步骤中采用研磨液，而本发明改变了加工材料和研磨方式，并且改变除精抛光外所有工序均采用钻石材质，尤其是研磨阶段采用钻石盘砥粒式加工，可在加工效率与平面均匀度之间取得双赢，辅以最后一道化学机械精抛光来达成半导体级表面质量要求，此方法可大大降低加工时间与加工成本，同时也有效的提高碳化硅单晶衬底片的加工良率。
本发明所述的碳化硅单晶制品指不限定原材料的外观形状，可以是典型的单晶棒，或者其它常见的形状。
此外，本发明还优化了四步的工艺条件，具体如下。
优选地，所述研磨用的钻石盘上的钻石颗粒粒径号数介于#80～#1000。
此处的号数是指#80～#1000之间的任意号，例如#80、#100、#200、#300、#400、#500、#600、#700、#800、#900、#1000等。
优选地，所述钻石抛光液主要由钻石颗粒、悬浮剂和分散介质组成，其中，钻石颗粒和悬浮剂的浓度分别优选为1wt％～10wt％、5-10wt％，所述钻石颗粒的粒径优选为1μm～10μm。
优选地，所述精抛光采用氧化铝抛光浆料、氧化铈抛光浆料或二氧化硅抛光浆料；
优选地，所述精抛光用的抛光浆料中颗粒粒径为10nm～700nm。
优选地，所述氧化铝抛光浆料主要由氧化铝颗粒、悬浮剂和分散介质组成，其中，氧化铝颗粒和悬浮剂的浓度分别优选为10wt％～30wt％、5-10wt％。
本发明各类抛光液所用的悬浮剂可以常规抛光液可用的任意悬浮剂，包括但不限于非离子表面活性剂，例如聚氧乙烯型、多元醇型、烷醇酰胺型、聚醚型、氧化胺型等。
优选地，所述研磨为双面研磨，所述粗抛光和所述精抛光为单面抛光。
本发明中研磨所用的钻石盘具有一上盘与下盘，盘面上镶嵌有钻石固定砥粒式加工部件。粗抛光和精抛光的加工盘可以采用纯铜盘、纯锡盘或其复合金属材质，或者其它常见的材质。
优选地，所述切割的工艺条件为：线速度介于400～1500m/s，基座下降速度介于1～20mm/hr，供线量介于1～20m/min，以及摇摆角度介于1～10°。
优选地，所述研磨的工艺条件为：加工压力介于10～120g/mm2，加工转速介于5～40rpm。
优选地，所述粗抛光的工艺条件为：加工压力介于50～250g/mm2，加工转速介于5～50rpm。
优选地，所述精抛光的工艺条件为：加工压力介于100～600g/mm2，加工转速介于5～70rpm。
综上，与现有技术相比，本发明达到了以下技术效果：
(1)提高了产品良率：将传统的2％不良率降低至本发明的0.5％；
(2)提高了加工效率：传统加工时研磨速率为0.6～1.2μm/min，而本发明为2～5μm/min；
(3)所有步骤可操作性强，均可实现自动化，利于工业化推广。
附图说明
通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。
图1为本发明实施例1提供的加工方法流程图。
具体实施方式
下面将结合实施例对本发明的实施方案进行详细描述，但是本领域技术人员将会理解，下列实施例仅用于说明本发明，而不应视为限制本发明的范围。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。
实施例1
如图1所示，对碳化硅单晶棒进行以下流程的加工：
步骤一：将碳化硅单晶棒做好定角贴付在切割基座上，进行钻石线多线切片加工，其中工艺参数设定线速度为400m/s、基座下降速度为1mm/hr、供线量为1m/min以及摇摆角度为1～10°，以此切割制程完成切割片。
步骤二：将切割片摆放入双面钻石盘研磨机，进行双面粗研磨加工作业，其中加工压力为10g/mm2，加工转速为5rpm。
步骤三：粗研磨加工后之衬底，上蜡贴附在陶瓷盘上进行常规钻石液单面粗抛光，采用纯铜盘机，工艺参数之加工压力为50g/mm2，加工转速为5rpm，钻石液采用3μm钻石粒径。
步骤四：将粗抛光后之衬底进行化学机械精抛光加工，采用100nm常规氧化铝抛光浆料，加工压力为100g/mm2，加工转速为5rpm。
实施例2
步骤一：将碳化硅单晶棒做好定角贴付在切割基座上，进行钻石线多线切片加工，其中工艺参数设定线速度为1500m/s、基座下降速度为20mm/hr、供线量为20m/min以及摇摆角度为1～10°，以此切割制程完成切割片。
步骤二：将切割片摆放入双面钻石盘研磨机，进行双面粗研磨加工作业，其中加工压力为120g/mm2，加工转速为40rpm。
步骤三：粗研磨加工后之衬底，上蜡贴附在陶瓷盘上进行常规钻石液单面粗抛光，采用纯铜盘机，工艺参数之加工压力为250g/mm2，加工转速为50rpm，钻石液采用3μm钻石粒径。
步骤四：将粗抛光后之衬底进行化学机械精抛光加工，采用100nm常规氧化铝抛光浆料，加工压力为600g/mm2，加工转速为70rpm。
对照例
传统加工方式：
将切割片放入铸铁盘研磨机，使用碳化硼磨料砂浆方式进行双面研磨加工，同时化学机械抛光使用二氧化硅进行精抛光，由于使用砂浆磨料的方式进行加工，易造成衬底边缘崩片以及破片，从而使得产品不良率升高，同时磨料易破碎与磨耗，也使得研磨速率相较较低，具体如表1。
表1不同加工方法的不良率
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种碳化硅单晶衬底的加工方法，其特征在于，包括下列步骤：
先用钻石线对碳化硅单晶制品进行切割，然后采用钻石盘进行研磨，之后用钻石抛光液进行粗抛光，最后经过精抛光得到碳化硅单晶衬底。
2.根据权利要求1所述的加工方法，其特征在于，所述研磨用的钻石盘上的钻石颗粒粒径号数介于#80～#1000。
3.根据权利要求1所述的加工方法，其特征在于，所述钻石抛光液主要由钻石颗粒、悬浮剂和分散介质组成，其中，钻石颗粒和悬浮剂的浓度分别优选为1wt％～10wt％、5-10wt％，所述钻石颗粒的粒径优选为1μm～10μm。
4.根据权利要求1所述的加工方法，其特征在于，所述精抛光采用氧化铝抛光浆料、氧化铈抛光浆料或二氧化硅抛光浆料；
优选地，所述精抛光用的抛光浆料中颗粒粒径为10nm～700nm。
5.根据权利要求4所述的加工方法，其特征在于，所述氧化铝抛光浆料主要由氧化铝颗粒、悬浮剂和分散介质组成，其中，氧化铝颗粒和悬浮剂的浓度分别优选为10wt％～30wt％、5-10wt％。
6.根据权利要求1-5任一项所述的加工方法，其特征在于，所述研磨为双面研磨，所述粗抛光和所述精抛光为单面抛光。
7.根据权利要求1-5任一项所述的加工方法，其特征在于，所述切割的工艺条件为：线速度介于400～1500m/s，基座下降速度介于1～20mm/hr，供线量介于1～20m/min，以及摇摆角度介于1～10°。
8.根据权利要求1-5任一项所述的加工方法，其特征在于，所述研磨的工艺条件为：加工压力介于10～120g/mm2，加工转速介于5～40rpm。
9.根据权利要求1-5任一项所述的加工方法，其特征在于，所述粗抛光的工艺条件为：加工压力介于50～250g/mm2，加工转速介于5～50rpm。
10.根据权利要求1-5任一项所述的加工方法，其特征在于，所述精抛光的工艺条件为：加工压力介于100～600g/mm2，加工转速介于5～70rpm。
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