CN114864378A - 一种高效改变SiC衬底形状的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种高效改变SiC衬底形状的方法，该方法包括采用双面研磨机对切割后的晶片进行双面研磨；清洗后采用双面抛光机将清洗完毕的晶片置于抛光机中进行双面机械抛光，如果双面机械抛光之后的晶片形状相对于目标形状为劣，且Bow＞15um，对晶片进行补充性单面机械抛光，最后将机械抛光后的晶片，对硅面或者碳面进行化学机械抛光，得到均匀凹陷或凸起的SiC衬底。本发明通过特定的研磨机抛光时晶片朝向以及上下盘转速，突破了非极性半导体加工的局限性，在保证SiC衬底表面高平整度和低表面粗糙度的前提下，可以将衬底形状快速加工至均匀凹陷或凸起，有效缩减了传统加工的繁琐步骤，并能提高抛光液寿命从而节约加工成本。

Description

一种高效改变SiC衬底形状的方法
技术领域
本发明涉及一种高效改变SiC衬底形状的方法，属于半导体材料加工技术领域。
背景技术
碳化硅(SiC)是第三代宽禁带半导体的典型代表，是制备射频高功率器件的基础材料。一直以来，在SiC衬底上异质外延生长GaN是制备先进射频器件的关键技术，但伴随着半导体产业的发展，行业内对于衬底的要求不仅停留在传统意义上的材料与质量，而且对于衬底的表面形状提出了更为严苛的要求，其中包括制备出表面均匀凹陷或凸起面形的衬底，以满足异质外延或同质外延的统一性和产品良率。
SiC是莫氏硬度高达9.2的超硬材料，使用传统加工流程加工，材料去除率低，而且面型参数较差，很难保证衬底形状满足外延要求，因此碳化硅衬底表面形状的加工是目前半导体精密加工需要解决的难点。外延工艺使用的气态反应物对于衬底的表面形状要求很高，即便表面只有微米级别的偏差，也会造成沉积物不均匀以及外延一致性差等相关问题。通常，如果衬底的硅面具有均匀凹陷的形状，可以有效提升异质外延的波长命中率，并能够降低波长标准差(PLSTD)；如果衬底碳面具有均匀的凹陷形状(硅面具有均匀凸起的形状)，则可以提升同质外延SiC薄膜的晶体质量，降低基平面位错的数量，提升高压二极管的稳定性。因此，实现特定的衬底形状加工对实现半导体材料和器件领域高质量发展具有重要意义。
目前，国内关于SiC衬底形状的报道较少，一部分原因是SiC是新型的宽禁带半导体，国内相关产业和技术还处在摸索阶段；另一个原因是SiC是典型的极性晶体，与传统的非极性晶体如Si衬底、蓝宝石衬底的物理性质和加工技术存在许多差异。以蓝宝石衬底为例，衬底的上下两个表面具有相同的原子结构，因此不具备晶体极性，上下表面的物理性质完全相同；而对于SiC衬底来说，其上下表面分别由碳原子层和硅原子层所构成，诸多研究表明晶体的极性会显著影响衬底的性质，例如碳面与硅面相比具有硬度低、在抛光过程中去除速率快等性质。总之，由于SiC的上下表面具有晶体极性，导致SiC衬底的加工要比传统半导体更为复杂，因此，传统的非极性晶体衬底的加工不能适用于极性衬底，如中国发明专利(CN110718450A(CN201910946953.X)公开了一种制备蓝宝石碗型衬底的办法，利用双面研磨和退火等工序制备碗型晶片，但加工流程繁琐，只能制备一种形状的衬底，并且不能适用于极性衬底的加工。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供一种高效改变SiC衬底形状的方法，本发明考虑并利用了SiC衬底的表面极性，突破了非极性半导体加工的局限性，在保证SiC衬底表面高平整度和低表面粗糙度的前提下，可以将衬底形状快速加工至均匀凹陷或凸起，有效缩减了传统加工的繁琐步骤，并能提高抛光液寿命从而节约加工成本。
术语说明
1>方向上终止于碳原子层的表面。
硅面(Si面)：是指碳化硅衬底在<0001>方向上终止于硅原子层的表面。
Bow：本申请中Bow指衬底的弯曲度；
Warp：本申请中Warp指晶片的翘曲度；
表面损伤层：衬底表面形成一定厚度的与正常晶格结构不一样的变质层；
表面台阶：衬底的表面损伤层被完全去除后裸露出来的原子结构。
本发明是通过如下技术方案实现的：
一种高效改变SiC衬底形状的方法，包括步骤如下：
1)、采用多线切割机，将SiC单晶棒切割成厚度500～700um厚的晶片，切割后晶片表面平整无裂纹；
2)、采用双面研磨机对切割后的晶片进行双面研磨。若最终产品要求Si面凹陷，则研磨时晶片放置方向为碳面朝上，硅面向下，研磨过程中控制上盘和下盘转速，研磨上盘转速大于研磨下盘转速；若产品要求碳面凹陷，晶片放置方向为碳面朝下，硅面向上，研磨上盘转速大于研磨下盘转速；研磨压力20-100g/cm2，研磨转速5～25rpm，研磨后晶片表面无刀痕，厚度350～550um，并且Bow＜25um，Warp＜20um；
3)、采用超声清洗机对研磨完毕的晶片进行超声清洗40～70min，去除表面研磨颗粒，之后对清洗完毕的晶片进行干燥和擦拭；
4)、采用双面抛光机将清洗完毕的晶片置于抛光机中进行双面机械抛光，晶片的放置朝向与步骤3)的相同，抛光上盘、抛光下盘的转速大小关系与研磨上盘、研磨下盘的转速大小关系相同，磨料为金刚石微粉，转速10-40rpm，抛光压力80-200g/cm2，抛光后晶片双面粗糙度小于2nm,Bow＜20um，Warp＜10um；
5)、如果双面机械抛光之后的晶片形状相对于目标形状为劣，且Bow＞15um，对晶片进行补充性单面机械抛光，若最终产品要求Si面凹陷，对C面进行补充抛光，若最终产品要求C面凹陷，对Si面进行补充抛光；单面机械抛光转速30-40rpm，压力150-250g/cm2；
6)、采用单面抛光机，将步骤4)或步骤5)机械抛光后的晶片，对硅面或者碳面进行化学机械抛光，磨料为SiO2微粉，抛光转速30-50rpm，压力100-300g/cm2，化学机械抛光后表面粗糙度小于0.2nm，Bow＜20um，Warp＜10um；
7)、清洗：用清洗机和旋转干燥机对化学抛光后的晶片进行清洗和干燥；得到均匀凹陷或凸起的SiC衬底。
根据本发明优选的，步骤1)中，多线切割机使用的锯线为钢丝线，切割液为金刚石微粉、分散剂、水组成的泥浆。
上述切割液中金刚石微粉、分散剂、水的比例以及分散剂按现有技术进行。
根据本发明优选的，步骤2)中，研磨机采用双面铸铁盘研磨机，磨料为粒度10-20um的碳化硼微粉。
根据本发明优选的，步骤2)中，研磨时，若最终产品要求Si面凹陷，则研磨时晶片放置方向为碳面朝上，硅面向下，研磨上盘的转速为15-25rpm，研磨压力为25-50g/cm2，研磨下盘的转速为5-15rpm，研磨压力为25-50g/cm2，加载方式为气缸加压，研磨时间为180min-240min。
根据本发明优选的，步骤2)中，研磨时，若产品要求碳面凹陷，晶片放置方向为碳面朝下，硅面向上，研磨上盘的转速为15-25rpm，研磨压力为25-50g/cm2，研磨下盘的转速为5-15rpm，研磨压力为25-50g/cm2，加载方式为气缸加压，研磨时间为180min-240min。
根据本发明优选的，步骤(3)中，超声清频率为50-70kHZ，清洗介质为水。
根据本发明优选的，步骤4)中，抛光机采用双面铜盘抛光机，抛光料为1-10um的金刚石微粉。
根据本发明优选的，步骤4)中，抛光时，若最终产品要求Si面凹陷，则研磨时晶片放置方向为碳面朝上，硅面向下，抛光上盘的转速为30-40rpm，研磨压力为25-50g/cm2，抛光时间6-9h。
根据本发明优选的，步骤4)中，抛光时，若产品要求碳面凹陷，晶片放置方向为碳面朝下，硅面向上，抛光上盘的转速为30-40rpm，研磨压力为25-50g/cm2，抛光时间6-9h。
根据本发明优选的，步骤5)中，单面机械抛光采用单面铜盘抛光机，抛光料为粒径10-15um的金刚石微粉。
根据本发明优选的，步骤6)中，化学机械抛光抛光垫为聚氨酯抛光垫，抛光时间为10-16h；抛光液为双氧水、平均粒径200nm的纳米二氧化硅颗粒、稳定剂组成的酸性浆料。
上述抛光液中双氧水、平均粒径200nm的纳米二氧化硅颗粒、稳定剂的比例以及稳定剂按现有技术进行。
得到凹陷或凸起的SiC衬底用面型分析仪对晶片进行面型参数测试，对抛光面进行表面成像和记录。通过上述步骤所得到的晶圆片，具有均匀统一的凹陷碗状，衬底的Bow、Warp等主要面型参数波动性小，表面光亮无划痕，同一批次晶片的面型参数趋于一致。与以往半导体形状加工工艺(含退火、倒角等)相比，缩减了加工流程，节省时间5h以上；
本发明方法中，所有设备、原料均为公知的，没有特别限定的均可参照目前广泛采用的半导体晶片加工设备。
本发明的优良效果在于：
1、本发明通过特定的研磨机抛光时晶片朝向以及上下盘转速，突破了非极性半导体加工的局限性，在保证SiC衬底表面高平整度和低表面粗糙度的前提下，可以将衬底形状快速加工至均匀凹陷或凸起，有效缩减了传统加工的繁琐步骤，并能提高抛光液寿命从而节约加工成本。
2、本发明得到的晶圆产品的Bow值更加均匀，使晶圆间的形状更为接近，提升加工一致性。
3、本发明对双面机械抛光之后的晶片形状相对于目标形状为劣，且15um＜Bow＜20um，对晶片进行补充性单面机械抛光，大大提高了成功率，提高了产品的优质率。
4、本发明工艺步骤简单有效，降低环境污染。
附图说明
图1为实施例1当中，6英寸N型衬底在经过本发明方法处理后的形状成像，加工结束后硅面为均匀凹陷形状；
图2为实施例2当中，6英寸籽晶衬底在经过本发明方法处理后的形状成像，抛光前形状不规则，加工结束后硅面为均匀凸起形状，即碳面为均匀凹陷形状；
图3为实施例3当中，4英寸半绝缘衬底在经过本发明方法处理后的形状成像，抛光前形状不规则，加工结束后硅面为均匀凹陷形状。
图4为实施例1中CMP之后的原子力显微镜粗糙度图，表面粗糙度低于0.1nm；
图5为实施例2中CMP之后的原子力显微镜粗糙度图，表面粗糙度低于0.1nm；
图6为实施例3中CMP之后的原子力显微镜粗糙度图，表面粗糙度低于0.1nm。
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明的生长方法作进一步说明，但不限于此。
实施例1：
一种制备具有硅面均匀凹陷形状的6英寸N型4H-SiC衬底的方法，步骤如下：
1)、对高温生长后得到的6英寸4H-SiC晶锭进行多线切割，切割后对切割片进行清洗，得到平均厚度550um的晶片；
2)、使用双面研磨机对切割片进行研磨，研磨时C面向上，Si面向下，检查研磨盘各处平整，沟槽处无堵塞，开始阶段前3h研磨压力100g/cm2，研磨转速为下盘15rpm，上盘25rpm；去除一定厚度后(后3h)，采用研磨压力20g/cm2，研磨转速为下盘5rpm，上盘15rpm，研磨时间3h至晶片平均厚度350um；
3)、采用超声清洗机对研磨完毕的晶片进行超声清洗50min，去除表面研磨颗粒，之后对清洗完毕的晶片进行干燥和擦拭，
4)将清洗好的研磨片置于双面抛光机中进行机械抛光，放置方向：C面向上，Si面向下放置，抛光转速上盘30rpm，下盘20rpm，压力180g/cm2，抛光时间6h，抛光结束后对晶片进行清洗和检查；
5)、对双面机械抛光后的晶片采用单面抛光机进行Si面化学机械抛光，抛光转速40rpm，压力250g/cm2，抛光时间10h，磨料为SiO2微粉，结束后Si面粗糙度下降至0.2nm以下；
6)、取下晶片，进行最终的清洗、检测和封装，得到具有原子级光滑表面的商用衬底，衬底的硅面为均匀凹陷形状。
经过实施例1处理后的形状成像见图1所示，通过图1可以看出，加工结束后硅面为均匀凹陷形状，由此可以看出，本发明突破了非极性半导体加工的局限性，成功得到了凹陷形状的4H-SiC衬底。
CMP之后的原子力显微镜粗糙度见图4，通过图中可以看出，表面粗糙度低于0.1nm。
实施例2：
一种制备具有硅面均匀凸起形状的6英寸4H-SiC籽晶衬底的方法，方法步骤与实施例1相同，不同之处在于，
步骤2)中，放置方向：C面向下，Si面向上，开始阶段下盘转速15rpm，上盘25rpm；之后采用下盘转速5rpm，上盘转速15rpm；
步骤4)中，放置方向：C面向下，Si面向上，下盘转速20rpm，上盘30rpm；
步骤5)中，需对机械抛光后的晶片进行C面化学机械抛光，抛光转速30rpm，压力100g/cm2，C面粗糙度下降至0.2nm以下。抛光结束后，衬底的硅面为均匀凸起形状。
经过实施例2处理后的形状成像见图2所示，通过图2可以看出，加工结束后硅面为均匀凸起形状，由此可以看出，本发明突破了非极性半导体加工的局限性，成功得到了均匀凸起形状的4H-SiC籽晶衬底。
CMP之后的原子力显微镜粗糙度见图5，通过图中可以看出，表面粗糙度低于0.1nm。
实施例3
一种制备具有硅面均匀凹陷形状的4英寸半绝缘4H-SiC衬底的方法，包括以下步骤：
1)、将4英寸4H-SiC晶锭进行多线切割，切割后对切割片进行清洗，得到平均厚度700um的晶片；
2)、使用双面研磨机对切后的割片进行研磨，研磨时C面向上，Si面向下，研磨压力80g/cm2，研磨上盘转速20rpm，下盘转速15rpm，研磨时间6h使晶片厚度下降至550um；
3)、对研磨片进行双面机械抛光，放置方向：C面向上，Si面向下，抛光上盘转速40rpm，下盘转速30rpm，压力200g/cm2，抛光结束后对晶片进行清洗和检查；
4)、经测试发现经过双面机械抛光后的晶片Si面Bow值为+20um，对C面进行补充性机械抛光，抛光转速40rpm，压力250g/cm2；抛光后Si面Bow值下降到+5um；
5)、对双面机械抛光后的晶片进行Si面化学机械抛光，抛光转速50rpm，压力300g/cm2，抛光后表面粗糙度小于0.2nm；
6)、取下晶片，并进行最终的清洗、检测，得到硅面为均匀凹陷形状的衬底。
经过实施例3处理后的形状成像见图3所示，通过图3可以看出，加工结束后硅面为均匀凹陷形状，由此可以看出，本发明突破了非极性半导体加工的局限性，成功得到了凹陷形状的4英寸半绝缘4H-SiC衬底。
CMP之后的原子力显微镜粗糙度见图6，通过图中可以看出，表面粗糙度低于0.1nm。

Claims (10)

1.一种高效改变SiC衬底形状的方法，包括步骤如下：
1)、采用多线切割机，将SiC单晶棒切割成厚度500～700um厚的晶片，切割后晶片表面平整无裂纹；
2)、采用双面研磨机对切割后的晶片进行双面研磨；若最终产品要求Si面凹陷，则研磨时晶片放置方向为碳面朝上，硅面向下，研磨过程中控制上盘和下盘转速，研磨上盘转速大于研磨下盘转速；若产品要求碳面凹陷，晶片放置方向为碳面朝下，硅面向上，研磨上盘转速大于研磨下盘转速；研磨压力20-100g/cm2，研磨转速5～25rpm，研磨后晶片表面无刀痕，厚度350～550um，并且Bow＜25um，Warp＜20um；
3)、采用超声清洗机对研磨完毕的晶片进行超声清洗40～70min，去除表面研磨颗粒，之后对清洗完毕的晶片进行干燥和擦拭；
4)、采用双面抛光机将清洗完毕的晶片置于抛光机中进行双面机械抛光，晶片的放置朝向与步骤3)的相同，抛光上盘、抛光下盘的转速大小关系与研磨上盘、研磨下盘的转速大小关系相同，磨料为金刚石微粉，转速10-40rpm，抛光压力80-200g/cm2，抛光后晶片双面粗糙度小于2nm,Bow＜20um，Warp＜10um；
5)、如果双面机械抛光之后的晶片形状相对于目标形状为劣，且Bow＞15um，对晶片进行补充性单面机械抛光，若最终产品要求Si面凹陷，对C面进行补充抛光，若最终产品要求C面凹陷，对Si面进行补充抛光；单面机械抛光转速30-40rpm，压力150-250g/cm2；
6)、采用单面抛光机，将步骤4)或步骤5)机械抛光后的晶片，对硅面或者碳面进行化学机械抛光，磨料为SiO2微粉，抛光转速30-50rpm，压力100-300g/cm2，化学机械抛光后表面粗糙度小于0.2nm，Bow＜20um，Warp＜10um；
7)、清洗：用清洗机和旋转干燥机对化学抛光后的晶片进行清洗和干燥；得到均匀凹陷或凸起的SiC衬底。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤2)中，研磨机采用双面铸铁盘研磨机，磨料为粒度10-20um的碳化硼微粉。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤2)中，研磨时，若最终产品要求Si面凹陷，则研磨时晶片放置方向为碳面朝上，硅面向下，研磨上盘的转速为15-25rpm，研磨压力为25-50g/cm2，研磨下盘的转速为5-15rpm，研磨压力为25-50g/cm2，加载方式为气缸加压，研磨时间为180min-240min。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤2)中，研磨时，若产品要求碳面凹陷，晶片放置方向为碳面朝下，硅面向上，研磨上盘的转速为15-25rpm，研磨压力为25-50g/cm2，研磨下盘的转速为5-15rpm，研磨压力为25-50g/cm2，加载方式为气缸加压，研磨时间为180min-240min。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(3)中，超声清频率为50-70kHZ，清洗介质为水。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤4)中，抛光机采用双面铜盘抛光机，抛光料为1-10um的金刚石微粉。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤4)中，抛光时，若最终产品要求Si面凹陷，则研磨时晶片放置方向为碳面朝上，硅面向下，抛光上盘的转速为30-40rpm，研磨压力为25-50g/cm2，抛光时间6-9h。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤4)中，抛光时，若产品要求碳面凹陷，晶片放置方向为碳面朝下，硅面向上，抛光上盘的转速为30-40rpm，研磨压力为25-50g/cm2，抛光时间6-9h。
9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤5)中，单面机械抛光采用单面铜盘抛光机，抛光料为粒径10-15um的金刚石微粉。
10.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤6)中，化学机械抛光抛光垫为聚氨酯抛光垫，抛光时间为10-16h；抛光液为双氧水、平均粒径200nm的纳米二氧化硅颗粒、稳定剂组成的酸性浆料。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN116435175A (zh) * 2023-05-19 2023-07-14 河北同光半导体股份有限公司 一种应用于碳化硅单晶衬底的加工方法

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