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碳化硅单晶衬底精密加工技术研究 SiC 作为第三代半导体材料的核心之一 ，是半导体界公认的 “一种未来 的材料” ，是 21 世纪有广阔发展潜力的新型半导体材料 [1]。与 Si、 GaAs 相比 ，具有禁带宽、导热率高、电子饱和漂移速率大、化学稳定性 好等优点 ，被用于制作高温、高频、抗辐射、大功率和高密度集成电子器 件。利用其宽禁带的特性还可以制作蓝、绿光和紫外光的发光器件和光电 探测器。本文简单介绍了 SiC 材料的结构和特性 ，以及其在半导体领域 的应用 ，重点分析研究了 SiC 单晶衬底精密加工技术 ，即减薄 - 研磨 - 抛光技术的方法、原理 ，以及加工工艺参数对衬底加工效率及表面质量的 影响 ，对提高 SiC 单晶衬底加工工艺具有重要的指导意义。 SiC 材料的结构和特性 SiC 是 IV-IV 族二元化合物半导体 ，也是元素周期表中 IV 族元素中唯 一的一种固态化合物。SiC 具有 250 多种同素异构类型 ，其中最为重要 的两种为 β-SiC 和 α-SiC。β-SiC ，即 3C-SiC ，为立方密堆积的闪锌 矿结构 ，α-SiC 为六角密堆积的纤维锌矿结构 ，包括 6H、4H、15R 等。 表 1 为其几种半导体材料性能参数。 从表 1 中可以看出 ，SiC 具有宽禁带、高热导率、快的电子饱和漂移速 率及好的化学稳定性。这些特性使 SiC 成为 目前发展最快的高温宽禁带 半导体材料之一。 SiC 是一种宽禁带半导体 ，不同的结晶状态具有不同的带隙 ，可以用作 不同颜色的发光材料。 SiC 材料具体特性 ： （1 ）SiC 材料的宽禁带特点 ，大大降低了 SiC 器件的泄露电流 ，加上 SiC 的耐高温特性 ，使得 SiC 器件在高温电子工作方面具有独特的优势。 （2 ）SiC 热导率高 ，因而具有优良的散热性能 ，有助于提高器件的功率 密度和集成度。 （3 ）SiC 具有很高的临界击穿电场 ，可做成具有较高耐压容量、工作频 率和电流密度的器件。 （4 ）SiC 两倍于 Si 的电子漂移速度使其具有优良的微波特性 ，可以很 大程度改良通信、雷达系统性能。 （5 ）SiC 的高硬度和高化学稳定性使其具有高耐磨性[2]。 SiC 单晶衬底精密加工工艺 SiC 器件制造流程为 ：单晶生长—单晶切割—单晶衬底精密加工—衬底 外延—电路制作—晶圆背面精密加工—晶圆划切—粘片键合—封装—检 测。SiC 单晶衬底加工工艺决定了其表面质量 ，衬底表面质量不高 ，直 接影响器件的制备水平[3]。目前国内 SiC 单晶衬底精密加工工序包括减 薄—研磨—抛光三步精密加工。 SiC 单晶衬底减薄加工 SiC 单晶衬底减薄采用专用减薄设备 ，由于 SiC 材料硬度大 ，用于普通 硅晶圆的砂轮无法减薄 SiC 衬底 ，需要使用 SiC 专用砂轮进行减薄。图 1 为 SiC 单晶衬底专用砂轮。图 2 为 SiC 单晶衬底减薄装置。 在减薄过程中 ，SiC 磨屑会堵塞砂轮表面 ，使得砂轮去除效果降低 ，因 此需要实时对砂轮表面进行修锐。图 3 为 SiC 单晶衬底减薄前状态 ， 图 4 为 SiC 单晶衬底减薄后状态。 减薄对砂轮和减薄工艺参数要求较高 ，如果砂轮选择或工艺参数设置不合 理 ，会造成减薄效率低下或减薄完后出现裂纹。图 5 为砂轮选择问题造 成 SiC 单晶衬底减薄完后出现裂纹的情况。 SiC 单晶衬底研磨加工 SiC 单晶衬底研磨采用金刚石研磨液进行研磨 ，研磨液中金刚石粉末粒 度影响研磨去除率及研磨表面损伤层 ，为了达到更好的研磨效果 ，可以采 用粒度较大的研磨液粗研和粒度较小的研磨液精研相结合的方法进行研 磨。粗研研磨盘为树脂铜盘 ，精研为锡盘。研磨压力一般控制在 0.5～0.8 kN ；研磨头转速 60 ～80 r/min ；研磨盘转速 60 r/min 左右。图 6 为 SiC 单晶衬底研磨示意图。 研磨盘在研磨过程中需要在线对其表面进行实时修锐 ，保证 SiC 单晶衬 底的去除率 ；研磨盘修整系统可以使研磨液分布均匀 ，保证研磨去除效果。 研磨盘去除率下降 ，无法通过在线修整保证去除率时 ，需要对研磨盘进行 离线修整。 研磨压力、研磨盘转速同样影响晶片表面研磨质量 ：研磨压力大时 ，磨速 快 ，但 TTV 值也会相应增大 ；压力较小时 ，研磨速率变慢 ；在一定范围