CN112809458B - 碳化硅晶片及其加工方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种碳化硅晶片及其加工方法，碳化硅晶片的加工方法包括：将清洗分类后的碳化硅晶片进行双面粗磨；将经过双面粗磨后的碳化硅晶片进行双面精磨；将经过双面精磨后的碳化硅晶片进行催化剂辅助化学机械抛光；其中，抛光液为采用第一研磨颗粒、第一分散剂、氧化剂、催化剂、PH调节剂及去离子水形成的酸性胶体；所述研磨颗粒、分散剂、氧化剂、催化剂、PH调节剂及去离子水的质量占比为5～15：2～5：10～20：3～5：5～10：45～75。该加工方法大大缩短了化学机械抛光工艺过程所需要的时间，并获得表面符合平整度要求的碳化硅单晶外延片。

Description

碳化硅晶片及其加工方法
技术领域
本发明涉及半导体材料加工技术领域，具体涉及一种碳化硅晶片及其加工方法。
背景技术
单晶SiC作为第三代半导体材料，因具备禁带宽度大、击穿电场高、热导率大、电子饱和漂移速率高、抗辐射能力强等优越性能，是固态光源和电力电子、微波射频器件的“核芯”，在半导体照明、新一代移动通信、能源互联网、高速轨道交通、新能源汽车、消费类电子等领域有广阔的应用前景。
作为重要应用之一，用于外延工艺基片的单晶SiC表面要求超光滑、无缺陷、无表面或亚表面损伤，以满足外延膜生长的需要。但单晶SiC的硬度高、硬脆性大、化学稳定性好等原因，高效超精密平坦化加工SiC难度极大，严重制约了SiC半导体器件的应用和发展。目前碳化硅单晶晶片的加工效率普遍较低，加工周期较长，影响碳化硅材料的规模化生产。
发明内容
为获得理想的表面质量，实现有效的材料去除和表面平整度加工，针对传统加工工艺的不足，本发明提供一种高效稳定的碳化硅晶片的加工方法，该加工方法通过对碳化硅晶片进行粗研磨、精研磨以及基于催化剂添加芬顿反应的化学机械抛光方法对碳化硅晶片进行最终的表面光滑平整加工，大大缩短了化学机械抛光工艺过程所需要的时间，并获得表面符合平整度要求的碳化硅单晶外延片。
为了实现上述目的，根据本发明的第一方面，提供了一种碳化硅晶片的加工方法。
该碳化硅晶片的加工方法包括以下步骤：
将清洗分类后的碳化硅晶片进行双面粗磨；经过所述双面粗磨后的所述碳化硅晶片的表面粗糙度小于200nm；
将经过双面粗磨后的碳化硅晶片进行双面精磨；经过所述双面精磨后的所述碳化硅晶片的表面粗糙度小于50nm；
将经过双面精磨后的碳化硅晶片进行催化剂辅助化学机械抛光；其中，抛光液为采用第一研磨颗粒、第一分散剂、氧化剂、催化剂、PH调节剂及去离子水形成的酸性胶体；所述研磨颗粒、分散剂、氧化剂、催化剂、PH调节剂及去离子水的质量占比为5～15：2～5：10～20：3～5：5～10：45～75。
进一步的，所述第一研磨颗粒为金刚石、氧化硅、氧化铝、碳化硅和碳化硼颗粒中的至少一种；所述第一研磨颗粒的粒度为100～500nm。
进一步的，所述第一分散剂为硅酸钠；所述PH调节剂为HCl溶液和HNO3溶液中的至少一种；所述抛光液的PH值为3～5。
进一步的，所述氧化剂为双氧水、高锰酸钾和次氯酸钠中的至少一种；所述催化剂为氧化铁、四氧化三铁和氧化亚铁中的至少一种。
进一步的，所述催化剂辅助化学机械抛光采用双面抛光机；其中，抛光垫为多孔结构的绒毛类软质抛光垫，研磨压力为300～500g/cm2，转速30～70r/min，研磨过程选择在室温下进行，抛光时间40～70min。
进一步的，所述双面粗磨和所述双面精磨中的研磨液均为采用第二研磨颗粒、第二分散剂及去离子水组成的混合物；其中，所述第二分散剂为水溶性有机溶剂；所述第二研磨颗粒为碳化硼或金刚石颗粒。
进一步的，所述双面粗磨中所述第二研磨颗粒的粒径为5～20μm，所述第二研磨颗粒的颗粒质量占比10～20％；
所述双面精磨中所述第二研磨颗粒的粒径为0.5～2μm，所述第二研磨颗粒的颗粒质量占比为2～10％。
进一步的，所述双面粗磨中所述第二研磨颗粒、第二分散剂及去离子水的质量配比为10～20：2～5：75～88；
所述双面精磨中所述第二研磨颗粒、第二分散剂及去离子水的质量配比为10～20：2～5：60～90。
进一步的，所述双面粗磨和所述双面精磨均采用双面研磨机；其中：所述双面粗磨的研磨压力为10～100g/cm2，研磨盘转速为10～30r/min；
所述双面精磨的研磨压力为50～200g/cm2，研磨盘转速为10～30r/min。
为了实现上述目的，根据本发明的第二方面，提供了一种碳化硅晶片。
该碳化硅晶片采用上述的碳化硅晶片的加工方法加工得到；其中：
所述碳化硅晶片的单片总厚度变化(TTV)≤8μm，单片局部厚度变化(LTV)≤1μm，单片弯曲度(Bow)≤15μm，单片翘曲度(Warp)≤25μm，单片表面粗糙度(Ra)<0.20nm；晶片表面无肉眼可见缺陷。
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。在附图中：
图1为本发明实施例中碳化硅晶片的加工方法的流程示意图。
具体实施方式
下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施方式。虽然附图中显示了本公开的示例性实施方式，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施方式所限制。相反，提供这些实施方式是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。
本发明公开了一种4H/6H晶型的导电型绝缘型碳化硅晶片加工方法，图1示出了该加工方法的流程示意图。
将切片后的碳化硅晶片清洗并根据厚度分类。
将厚度相近的一组碳化硅晶片首先进行双面粗磨。具体地：将碳化硅晶片放入双面研磨机中，研磨压力为10～100g/cm2，研磨盘转速为10～30r/min，该过程是在平整度极好的铸铁盘上进行，经过双面粗磨后的碳化硅晶片的表面粗糙度小于200nm。其中，研磨液采用第二研磨颗粒、第二分散剂及去离子水组成的混合物，并且第二研磨颗粒、第二分散剂及去离子水的质量配比为10～20：2～5：75～88；第二分散剂为水溶性有机溶剂，优选丙三醇；第二研磨颗粒为碳化硼或金刚石颗粒，其粒径为5～20μm，其颗粒质量占比10～20％。
该步骤可以去除SIC晶片表面的切片刀痕和凹凸不平，表面的加工损伤达到一致。该步骤结束后，将碳化硅晶片用去离子水清洗。
然后将清洗后的碳化硅晶片进行双面精磨。具体地，将碳化硅晶片放入双面研磨机中，研磨压力为50～200g/cm2，研磨盘转速为10～30r/min，该过程是在平整度极好的铸铁盘上进行，经过双面精磨后的碳化硅晶片的表面粗糙度小于50nm。其中，研磨液采用第二研磨颗粒、第二分散剂及去离子水组成的混合物，并且第二研磨颗粒、第二分散剂及去离子水的质量配比为10～20：2～5：60～90；第二分散剂为水溶性有机溶剂，优选丙三醇；第二研磨颗粒为碳化硼或金刚石颗粒，其粒径为0.5～2μm，其颗粒质量占比为2～10％。
该步骤可以减小晶片表面的加工损伤层并将损伤层控制在一定厚度，改善晶片表面的平整度。该步骤结束后，将碳化硅晶片用去离子水清洗。
最后将清洗后的碳化硅晶片进行催化剂辅助化学机械抛光。具体地，将碳化硅晶片放入双面抛光机中，抛光垫为多孔结构的绒毛类软质抛光垫，研磨压力为300～500g/cm2，转速30～70r/min，研磨过程选择在室温下进行，抛光时间40～70min。其中，抛光液为采用第一研磨颗粒、第一分散剂、氧化剂、催化剂、PH调节剂及去离子水形成的酸性胶体，并且研磨颗粒、分散剂、氧化剂、催化剂、PH调节剂及去离子水的质量占比为5～15：2～5：10～20：3～5：5～10：45～75；第一研磨颗粒为金刚石、氧化硅、氧化铝、碳化硅和碳化硼颗粒中的至少一种，其粒度为100～500nm；第一分散剂为硅酸钠；PH调节剂为HCl溶液和HNO3溶液中的至少一种，抛光液的PH值为3～5；氧化剂为双氧水、高锰酸钾和次氯酸钠中的至少一种；催化剂为氧化铁、四氧化三铁和氧化亚铁中的至少一种。
该步骤主要利用芬顿反应对碳化硅晶片的表面进行氧化处理，试剂是Fe2+和H2O2的组合，在Fe2+的催化作用下，H2O2的分解活化能较低，产生大量的中间态活性物种羟基自由基·OH，进而氧化碳化硅晶片表面，生成氧化硅软质层，便于研磨颗粒的机械侵蚀。经过催化剂辅助化学机械抛光后的碳化硅晶片，其表面粗糙度小于0.5nm。
在本发明中，采用上述的碳化硅晶片加工方法可以提高晶片加工的质量，加工得到的碳化硅单晶晶片的单片总厚度变化(TTV)≤8μm，单片局部厚度变化(LTV)≤1μm，单片弯曲度(Bow)≤15μm，单片翘曲度(Warp)≤25μm，单片表面粗糙度(Ra)<0.20nm；晶片表面无肉眼可见缺陷。
以下通过具体实施例对本发明的技术方案作进一步说明。
实施例1
双面粗磨：将清洗分类后的6寸碳化硅晶片放入双面研磨机中，该过程是在平整度极好的铸铁盘上进行。研磨液是由研磨颗粒、分散剂及去离子水的混合物，其中，研磨颗粒选择8μm的碳化硼颗粒，分散剂选择丙三醇，研磨颗粒、分散剂及去离子水的质量配比为20：5：75。研磨压力为50g/cm2，转速为25r/min。该步骤可以去除SIC晶片表面的切片刀痕和凹凸不平，表面的加工损伤达到一致。该步骤结束后，将碳化硅单晶片用去离子水清洗。经过双面粗磨后的碳化硅晶片，其表面粗糙度为470nm。
双面精磨：将清洗后的碳化硅晶片放入双面研磨机中，该过程是在平整度极好的铸铁盘上进行。研磨液是由研磨颗粒、分散剂及去离子水的混合物，其中，研磨颗粒选择1μm的碳化硼颗粒，颗粒质量占比5％，分散剂选择丙三醇，研磨颗粒、分散剂及去离子水的质量配比为5：2：93。研磨压力为100g/cm2，转速为15r/min。该步骤可以减小晶片表面的加工损伤层并将损伤层控制在一定厚度，改善晶片表面的平整度。该步骤结束后，将碳化硅单晶片用去离子水清洗。经过双面精磨后的碳化硅晶片，其表面粗糙度为28nm。
催化剂辅助化学机械抛光：将清洗后碳化硅晶片放入双面抛光机中。抛光液是由研磨颗粒、分散剂、氧化剂、催化剂、PH调节剂及去离子水组成的酸性胶体，其中，研磨颗粒、分散剂、氧化剂、催化剂、PH调节剂及去离子水的占比为8：3：16：3：5：65。研磨颗粒选用氧化硅颗粒，粒度为400nm；分散剂选用硅酸钠；氧化剂选用30％双氧水；催化剂选用粒度微米级的四氧化三铁；PH调节剂选用HCl溶液，抛光液的PH值调为3。抛光垫为多孔结构的绒毛类软质抛光垫，研磨压力为400g/cm2，转速50r/min，研磨过程选择在室温下进行，抛光时间70min。该步骤主要利用芬顿反应对碳化硅晶片的表面进行氧化处理，试剂是Fe2+和H2O2的组合，在Fe2+的催化作用下，H2O2的分解活化能较低，产生大量的中间态活性物种羟基自由基·OH，进而氧化碳化硅晶片表面，生成氧化硅软质层，便于研磨颗粒的机械侵蚀。经过催化剂辅助化学机械抛光后的碳化硅晶片，其表面粗糙度为0.47nm。
实施例1中，经过加工后碳化硅晶片可以达到单片TTV 3μm，单片LTV 1μm，单片Bow13μm，单片Warp 24μm，单片Ra 0.18nm，晶片表面无肉眼可见缺陷。
实施例2
双面粗磨：将清洗分类后的6寸碳化硅晶片放入双面研磨机中，该过程是在平整度极好的铸铁盘上进行。研磨液是由研磨颗粒、分散剂及去离子水的混合物，其中，研磨颗粒选择5μm的碳化硼或金刚石颗粒，颗粒质量占比15％，分散剂选择丙三醇，研磨颗粒、分散剂及去离子水的质量配比为15：3：82。研磨压力为100g/cm2，转速为15r/min。该步骤可以去除SIC晶片表面的切片刀痕和凹凸不平，表面的加工损伤达到一致。该步骤结束后，将碳化硅单晶片用去离子水清洗。经过双面粗磨后的碳化硅晶片，其表面粗糙度为430nm。
双面精磨：将清洗后的碳化硅晶片放入双面研磨机中，该过程是在平整度极好的铸铁盘上进行。研磨液是由研磨颗粒、分散剂及去离子水的混合物，其中，研磨颗粒选择0.5μm的碳化硼或金刚石颗粒，颗粒质量占比8％，分散剂选择丙三醇，研磨颗粒、分散剂及去离子水的质量配比为8：2：90。研磨压力为150g/cm2，转速为20r/min。该步骤可以减小晶片表面的加工损伤层并将损伤层控制在一定厚度，改善晶片表面的平整度。该步骤结束后，将碳化硅单晶片用去离子水清洗。经过双面精磨后的碳化硅晶片，其表面粗糙度为24nm。
催化剂辅助化学机械抛光：将清洗后碳化硅晶片放入双面抛光机中。其中，抛光液是由研磨颗粒、分散剂、氧化剂、催化剂、PH调节剂及去离子水组成的酸性胶体，研磨颗粒、分散剂、氧化剂、催化剂、PH调节剂及去离子水的占比为8：3：16：3：5：65。研磨颗粒选用氧化硅颗粒，粒度为200nm；分散剂选用硅酸钠；氧化剂选用30％双氧水；催化剂选用粒度微米级的四氧化三铁；PH调节剂选用HCl溶液，抛光液的PH值调为4。抛光垫为多孔结构的绒毛类软质抛光垫，研磨压力为450g/cm2，转速50r/min，研磨过程选择在室温下进行，抛光时间60min。该步骤主要利用芬顿反应对碳化硅晶片的表面进行氧化处理，试剂是Fe2+和H2O2的组合，在Fe2+的催化作用下，H2O2的分解活化能较低，产生大量的中间态活性物种羟基自由基·OH，进而氧化碳化硅晶片表面，生成氧化硅软质层，便于研磨颗粒的机械侵蚀。经过催化剂辅助化学机械抛光后的碳化硅晶片，其表面粗糙度为0.29nm。
实施例2中，经过加工后碳化硅晶片可以达到单片TTV 4μm，单片LTV 1μm，单片Bow8μm，单片Warp 15μm，单片Ra 0.11nm，晶片表面无肉眼可见缺陷。
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 (7)

1.一种碳化硅晶片的加工方法，其特征在于，包括以下步骤：
将清洗分类后的碳化硅晶片进行双面粗磨；经过所述双面粗磨后的所述碳化硅晶片的表面粗糙度小于200nm；
将经过双面粗磨后的碳化硅晶片进行双面精磨；经过所述双面精磨后的所述碳化硅晶片的表面粗糙度小于50nm；
将经过双面精磨后的碳化硅晶片进行催化剂辅助化学机械抛光；其中，
抛光液为采用第一研磨颗粒、第一分散剂、氧化剂、催化剂、PH调节剂及去离子水形成的酸性胶体；
所述第一研磨颗粒为金刚石、氧化硅、氧化铝、碳化硅和碳化硼颗粒中的至少一种；所述第一研磨颗粒的粒度为100～500nm；
所述第一分散剂为硅酸钠；所述氧化剂为双氧水、高锰酸钾和次氯酸钠中的至少一种；所述催化剂为氧化铁、四氧化三铁和氧化亚铁中的至少一种；所述PH调节剂为HCl溶液和HNO3溶液中的至少一种；所述抛光液的PH值为3～5；
所述研磨颗粒、分散剂、氧化剂、催化剂、PH调节剂及去离子水的质量占比为5～15：2～5：10～20：3～5：5～10：45～75。
2.根据权利要求1所述的碳化硅晶片的加工方法，其特征在于，所述催化剂辅助化学机械抛光采用双面抛光机；其中，抛光垫为多孔结构的绒毛类软质抛光垫，研磨压力为300～500g/cm2，转速30～70r/min，研磨过程选择在室温下进行，抛光时间40～70min。
3.根据权利要求1所述的碳化硅晶片的加工方法，其特征在于，所述双面粗磨和所述双面精磨中的研磨液均为采用第二研磨颗粒、第二分散剂及去离子水组成的混合物；其中，所述第二分散剂为水溶性有机溶剂；所述第二研磨颗粒为碳化硼或金刚石颗粒。
4.根据权利要求3所述的碳化硅晶片的加工方法，其特征在于，所述双面粗磨中所述第二研磨颗粒的粒径为5～20μm，所述第二研磨颗粒的颗粒质量占比10～20％；
所述双面精磨中所述第二研磨颗粒的粒径为0.5～2μm，所述第二研磨颗粒的颗粒质量占比为2～10％。
5.根据权利要求3所述的碳化硅晶片的加工方法，其特征在于，所述双面粗磨中所述第二研磨颗粒、第二分散剂及去离子水的质量配比为10～20：2～5：75～88；
所述双面精磨中所述第二研磨颗粒、第二分散剂及去离子水的质量配比为10～20：2～5：60～90。
6.根据权利要求1所述的碳化硅晶片的加工方法，其特征在于，所述双面粗磨和所述双面精磨均采用双面研磨机；其中：所述双面粗磨的研磨压力为10～100g/cm2，研磨盘转速为10～30r/min；
所述双面精磨的研磨压力为50～200g/cm2，研磨盘转速为10～30r/min。
7.一种碳化硅晶片，其特征在于，所述碳化硅晶片采用权利要求1-6任一项所述的碳化硅晶片的加工方法加工得到；其中：
所述碳化硅晶片的单片总厚度变化(TTV)≤8μm，单片局部厚度变化(LTV)≤1μm，单片弯曲度(Bow)≤15μm，单片翘曲度(Warp)≤25μm，单片表面粗糙度(Ra)<0.20nm；晶片表面无肉眼可见缺陷。
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