经过单晶生长获得SiC晶碇后，紧接着就是 SiC 衬底的制备，通常需要历经磨平、滚圆、切割、研磨（减薄)、机械抛光、化学机械抛光、清洗、检测等众多工序。
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这是由于 SiC 晶体硬度高、脆性大、化学性质稳定，受加工技术的制约，目前 SiC 衬底的加工损耗极高、效率极低，并且很难获得高表面质量的SiC衬底片,因此,亟需开发先进的衬底加工工艺。SiC衬底的加工主要分为切割、研磨和抛光，下面将展开具体分析。
SiC晶锭切割技术分析
作为SiC衬底加工的第一道工序,切割工艺和方法直接影响SiC衬底的表面质量粗糙度(Ra)、总厚度偏差(TTV)、翘曲度(BOW)、弯曲度(WARP)等参数,对SiC衬底的最终品质、成品率和成本有非常大的影响,对后续的研磨、抛光的加工效率和成本也有直接的影响。
截至目前，行业内已经开发了许多的 SiC 晶锭切割技术，目前的研究重点主要有砂浆线切割、金刚线切割以及激光剥离技术等，砂浆线是目前的主流技术，在量产线上广泛采用。
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砂浆线切割和金刚线切割的其中一个区别在于磨粒的导入方式,前者的磨粒是游离的,后者是将磨粒通过电镀、树脂粘接、钎焊或机械镶嵌等方法固结在切割线上。
相较之下,金刚石线技术的在加工速度(快5倍以上)、损耗(出片率多15% ~ 20%)和环保等优势突出,但晶型控制和切割损耗控制是难点。目前,行业内以砂浆线切割为主,金刚线切割为辅,砂浆和金刚线占比大致为5:1左右。
无论是哪种多线切割工艺,加工时的SiC材料损耗都较为突出，以砂浆线切割为例主要包括3个方面：
●切口损耗：切口损失（Kerf Loss) 多达150-200μm。
●磨抛损耗:造成10-50um的粗糙起伏与表面/亚表面结构损伤,需要进行粗磨、精磨和CMP工艺。
●器件背面减薄损耗:为了提供余量防止切割SiC衬底破损,通常衬底厚度达到350um,这导致器件衬底电阻较高,在器件制备时需要通过背面减薄至100um左右。
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此外,随着SiC衬底向8英寸大尺寸方向发展,线切割方式的短板会越来越显著,以砂浆线切割为例,在切割8英寸SiC晶锭时工时将高达300多小时,同时后段磨抛环节合计耗时超过5天,不利于SiC衬底的快速交付和降本。因此,有必要开发更适用于SiC材料的晶体加工新方法,其中激光剥离技术备受看好。
激光切割也称为热裂法,这项技术的核心是激光加工和晶体剥离,根据激光的加工方式可以分为激光烧蚀和激光改质,后者还可以分为平行改质和垂直改质。其中,垂直改质是主流的激光剥离研究方向。它是利用激光在材料内部形成改性层（薄损伤层），并施加外力实现晶圆剥离。
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相较于上述2种切割技术,激光剥离技术理论上具有速度和损耗等优势。但激光剥离技术尚未在SiC实现规模化应用,技术还有待完善,首先是激光能量较大,在形成改性层的同时也会产生烧灼和裂纹,裂纹容易沿激光传播方向扩展，同时在物理剥离时往往也会在 SiC 衬底中产生微裂纹，阻碍了激光剥离技术的应用。
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国内方面,北京中电科于2022年10月已实现4英寸、6英寸SiC单晶片的激光剥离,取得突破性进展。激光剥离设备有机结合激光精密加工和晶体可控剥离,实现半导体晶体高可靠切片工艺,可将晶体切割损耗降低60%以上,加工时间减少50%以上,并实现晶体加工整线的高度自动化。
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SiC 衬底平坦化工艺技术分析
SiC器件对衬底片的要求包括:表面厚度变化小于1um, Si面表面粗糙度(Ra) s0.3 nm, C面Ra s 0.5 nm,而且表面要保证低的加工损伤和残余应力。由于切割剥离(砂浆线法)后,SiC衬底通常具有150-250um的损伤层,其表面粗糙度和平整度较差,且存在许多线切割留下的切痕,因此,需要采用平坦化工艺对SiC衬底表面加工,最终得到光滑的抛光片供后段外延工艺使用。
目前,国内SiC衬底平坦化加工包括减薄(研磨)、抛光工序。
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一、 减薄与研磨工艺
减薄SiC衬底的切割损伤层主要有2种路线,包括研磨(Lapping)和减薄(Grinding)工艺。
研磨工艺目前市占率较高,通常包含粗磨和精磨两个环节,而且在化学机械抛光(CMP)之前还需要增加一道单面机械抛光(DMP)工艺,其优点是加工成本较低,其不足之处在于工序复杂,自动化程度很低,大尺寸晶圆加工破片风险较高，而且灵活度较低、难以单片加工，并且由于需要采用研磨液对环境会造成一定影响。
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粗磨是使用粒径较大的磨粒进行研磨,主要是用于去除切片表面损伤层,速率为3-10um/min,表面粗糙度可达0.2um左右;精磨是用粒径较小的磨粒进行研磨,主要去除粗研留下的损伤层,保证衬底面型精度(WARP、BOW、TTV, LTV等) ,效率在5-40um/h,表面粗糙度在0.1um左右, TTV在3-6μm。
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而新近推出的减薄(Grinding)工艺路线有望实现对传统研磨工艺的替代,其优点在于可以省去DMP环节,加工工艺更精简;采用磨轮使得加工速度更快;而且加工面型控制能力强,更适合大尺寸晶圆加工;灵活性更好,可以实现单片加工;而且由于无需采用研磨液,加工过程更环保。以北京中电科设备设备为例，6/8英寸SiC减薄后的晶圆片厚度均匀性(TTV) s 2um,衬底片TTV s 3um;翘曲度(WARP) s 30um;表面弯曲程度(BOW)s±15um; UPH24片/小时(激光剥离面@单面去除80um), UPH27片/小时(多线切割面@双面去除各70μm)。
现阶段,减薄工艺的不足在于磨轮耗材的成本较高,据了解,北京中电科正在通过对众多关键技术的自主开发,以及联合国内企业对金刚石磨轮耗材进行工艺适配,以进一步解决磨轮耗材的品质和成本问题。
二、抛光工艺
经过减薄或研磨后, SiC衬底表面损伤深度通常为2-5um,还需要通过抛光工艺来获得超光滑表面,大多数的抛光技术都具有共同原理都是围绕结合”化学+机械”的复合工艺,即先用浆料将SiC损伤层表面进行氧化,再通过磨粒和抛光垫的机械摩擦去除软化后的氧化层。
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目前,业界已经发展出多种抛光技术,例如化学机械抛光(CMP)、电化学抛光(ECMP)、常压等离子体辅助磨粒(PAR)、光催化辅助化学机械抛光(PCMP)等,目的都是为了增强抛光效果,例如改善表面粗糙度、提高材料去除率(MRR)。化学增效方法主要有电化学、磁流变、等离子体、光催化等,机械增效方法主要有超声辅助、混合磨粒和固结磨粒抛光等方法。
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到目前为止,新兴的CMP效率提升技术仍处于从实验室到工厂的工业验证阶段,主流的SiC衬底工艺仍是CMP,其抛光效果主要受工艺参数、抛光液、抛光垫三方面参数的影响。
相对较低的材料去除率仍然是CMP的主要问题,与硅衬底CMP每分钟几微米的MRR相比,目前SiC衬底CMP的MRR仅为每小时几微米,尽管现有的CMP方法可以用来生产合格的4H-SiC衬底,但低MRR意味着CMP步骤需要大量的加工时间和成本。为了提升CMP效率,目前业界已经发展出双面、批量抛光技术,以往4H-SiC衬底Si面或C面的CMP工时需要3-5小时,通过先进的抛光技术,可以实现1小时完成单批10片衬底的CMP抛光。
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此外,一些新的CMP技术也引起了业界的关注和讨论。例如目前,早稻田大学通过氩/氢气氛氢蚀刻解决了台阶聚束现象,可将聚束台阶从5~ 10nm恢复到1 ~ 1.5nm,有望省去CMP工艺。为了省去研磨和抛光工艺,关西大学和丰田通商联合开发了”Dynamic AGE-ing”非接触式热工艺,先讲SiC衬底放入超高温气相环境中进行调整表面原子排列,再通过热刻蚀去除损伤层,再进行MOCVD外延沉积时BPD缺陷密度可以从1000-7000个/cm2 降至 0.06-0.015 个 /cm2。