【導讀】SiC單晶是一種硬而脆的材料，切片加工難度大，磨削精度要求高，因此晶圓制造是一個(gè)長(cháng)時(shí)間且難度較高的過(guò)程。本文介紹了幾種SiC單晶的切割加工技術(shù)以及近年來(lái)新出現的晶圓制備方法。
SiC單晶是一種硬而脆的材料，切片加工難度大，磨削精度要求高，因此晶圓制造是一個(gè)長(cháng)時(shí)間且難度較高的過(guò)程。本文介紹了幾種SiC單晶的切割加工技術(shù)以及近年來(lái)新出現的晶圓制備方法。
將通過(guò)升華法制備的SiC單晶從坩堝中取出，經(jīng)過(guò)多個(gè)加工工藝制成晶圓。圖1展示了晶圓制造的大致工藝流程。SiC單晶（也稱(chēng)為SiC boule），首先確認其晶體方向，然后進(jìn)行外圓磨削，加工成圓柱形晶體（有時(shí)稱(chēng)為SiC puck）。用于功率器件的n型SiC晶圓，其圓柱形晶體的上下表面通常是偏角為4°的{0001}平面。接下來(lái)，形成一個(gè)定向邊或定向切口，用于指定晶片表面的晶體取向。在大口徑的SiC晶圓中，通常傾向于采用定向切口。之后，將圓柱形的單晶SiC加工成薄片，多數情況下，采用多線(xiàn)切割法進(jìn)行切片。多線(xiàn)切割是在切割線(xiàn)與SiC晶體之間放入磨粒，按壓切割線(xiàn)的同時(shí)讓其移動(dòng)來(lái)進(jìn)行切割。切割后的SiC板由于存在厚度分布不均勻以及表面凹凸等問(wèn)題，需要進(jìn)行平整化處理。在平整化過(guò)程中，首先通過(guò)研磨去除微米級以上的凹凸。在該階段，由于磨粒的作用，表面上會(huì )留下細微的劃痕和凹凸。接下來(lái)，通過(guò)精加工拋光去除微米級以下的凹凸，使表面達到鏡面效果。與研磨相比，拋光使用的磨粒顆粒更小，并且在加工過(guò)程中會(huì )特別注意，避免在表面留下劃痕，同時(shí)也不會(huì )在內部留下潛在的傷痕。
圖1：SiC晶圓加工工藝概要（a）從坩堝中取出SiC晶錠；（b）外圓磨削；（c）形成定向邊或定向切口；（d）多線(xiàn)切割形成切片；（e）研磨、拋光
經(jīng)過(guò)拋光的晶圓外周通常會(huì )形成邊緣，在碰到物體時(shí)非常容易破裂。因此，需要對晶圓的外周進(jìn)行邊緣研磨，以避免出現銳角。圖2展示了磨邊前后的外周部的剖面形狀圖。此外，關(guān)于邊緣形狀，行業(yè)協(xié)會(huì )已制定了相關(guān)標準。
圖2：晶圓邊緣在磨邊前后的剖面形狀圖
SiC是一種非常硬的材料，常被用作各種材料加工時(shí)的磨粒，因此將SiC晶棒加工成晶圓是一個(gè)長(cháng)時(shí)間且難度較高的過(guò)程，仍在不斷嘗試改良中。
作為切片加工的新嘗試，有報道稱(chēng)有利用激光切片的方法。在這種技術(shù)中，激光束從圓柱形晶體的頂部照射，在SiC晶體內所需的切片深度處聚焦形成改質(zhì)區，通過(guò)對整個(gè)表面進(jìn)行掃描將改質(zhì)區擴展為平面，然后剝離出薄片。一般使用多線(xiàn)切割進(jìn)行切割時(shí)，會(huì )產(chǎn)生不可忽略的切口損耗，同時(shí)由于切割線(xiàn)的波動(dòng)會(huì )導致凹凸不平，因此研磨量也會(huì )增加，導致浪費更多的晶體部分。相比之下，采用激光進(jìn)行切片的方法，可以減少切口損耗，同時(shí)還能縮短加工時(shí)間，因此被視為一種有前景的技術(shù)。
此外，作為切片加工的另一種方法，正嘗試在金屬絲與SiC晶體之間施加電壓，產(chǎn)生放電以進(jìn)行切割，從而減少切口損耗，這種方法被稱(chēng)為金屬絲放電切片加工。
作為一種與傳統SiC單晶制備晶圓不同的方法，已有研究報告提出在異質(zhì)襯底（支撐襯底）的表面上粘合SiC單晶薄膜來(lái)制備SiC晶圓。圖3展示了粘合和剝離過(guò)程的工藝流程示意圖。首先，氫離子等從SiC單晶的表面方向注入到剝離深度。在表面平坦的支撐襯底（多晶SiC等）上疊加SiC單晶的離子注入面，然后通過(guò)加壓和升溫將SiC單晶層轉移至支撐襯底上，然后剝離。此后，SiC單晶將進(jìn)行表面平坦化處理，并再次用于以上粘合過(guò)程。與SiC單晶相比，支撐襯底的成本較低，盡管目前仍有許多問(wèn)題有待解決，但為了降低晶圓成本，開(kāi)發(fā)仍在進(jìn)行中。
圖3：將單晶薄膜壓到支撐襯底上的SiC晶圓制作流程
關(guān)于三菱電機
三菱電機創(chuàng )立于1921年，是全球知名的綜合性企業(yè)。截至2024年3月31日的財年，集團營(yíng)收52579億日元（約合美元348億）。作為一家技術(shù)主導型企業(yè)，三菱電機擁有多項專(zhuān)利技術(shù)，并憑借強大的技術(shù)實(shí)力和良好的企業(yè)信譽(yù)在全球的電力設備、通信設備、工業(yè)自動(dòng)化、電子元器件、家電等市場(chǎng)占據重要地位。尤其在電子元器件市場(chǎng)，三菱電機從事開(kāi)發(fā)和生產(chǎn)半導體已有68年。其半導體產(chǎn)品更是在變頻家電、軌道牽引、工業(yè)與新能源、電動(dòng)汽車(chē)、模擬/數字通訊以及有線(xiàn)/無(wú)線(xiàn)通訊等領(lǐng)域得到了廣泛的應用。
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