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| SiC化学机械抛光技术的研究进展 |
| 2008年6月13日 11:33
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李响，杨洪星，于妍，许德洪
（中国电子科技集团公司第四十六研究所，天津３００２２０）
０ 引言
ＳｉＣ 作为第三代宽禁带半导体材料越来越受到各国科学家的青睐，与Ｓｉ 和ＧａＡｓ相比，它具有宽带隙、高临界击穿电场、高热导率、高载流子饱和迁移率等优点，可以制造出耐高温、抗辐射的高频大功率器件，在航空航天、汽车电子等方面有着广阔的应用前景，在大功率白光照明方面有着良好的发展。
生产器件，要求晶片是抛光面，即镜面。ＳｉＣ表面的好坏，如缺陷、损伤等都直接影响器件的性能，有些缺陷是致命的，从而造成后道工序的成品率低。“美国Ｃｒｅｅ 开始供货无微管的１００ ｍｍ直径ＳｉＣ 底板”这一新闻被称为ＩＣＳＣＲＭ２００７ 最大的新闻，ＳｉＣ 的需求量也将不断地增加。随着ＳｉＣ 材料的发展，ＳｉＣ 材料加工精度要求也越来越高。对于抛光来说，ＳｉＣ 的硬度比较大，其莫氏硬度为９.２，而且化学稳定性非常好，常温下几乎不跟其他物质反应，其晶体硬而脆，制作抛光片比较困难。本文介绍了６Ｈ-ＳｉＣ （０００１）面抛光原理和抛光的各种条件对抛光片去除速率以及表面质量的影响，通过磨削、化学机械抛光，达到一个总体厚度变化（ＴＴＶ）小、低损伤层的镜面［１］。
１ 磨削
磨削是为了去除线痕和一定量的损伤，影响磨削表面粗糙度的两个主要因素［２］，即金刚石磨削盘上金刚石的粒径大小和进料速率。使用金刚石粒径分别为２５、１５、７μｍ的金刚石磨削盘对６Ｈ-ＳｉＣ 进行磨削，由于磨削会释放大量的热量，在这个过程中要给一定量的冷却液，其磨削后的表面粗糙度如图１所示，其横坐标Ｄ 代表不同金刚石粒径，纵坐标Ｒａ 代表粗糙度，由图１可知，在使用７μｍ粒径时表面粗糙度最小［２］。进料速率对晶片表面的糙度的影响做了两组实验，分别设定为０.０５ 和０.２ ｍｍ／ ｍｉｎ。从图２ 可以看出，进料速率在０.２ ｍｍ／ ｍｉｎ 时的粗糙度稍小于进料速率在０.０５ ｍｍ／ ｍｉｎ时。其横坐标Ｆ 代表不同的进料速率，纵坐标Ｒａ 代表表面粗糙度。
图３ （ａ）、（ｂ）、（ｃ）分别代表了金刚石粒径在２５、１５、７μｍ情况下，磨削出来的表面在扫描电子显微镜下的图形，从图３ 中很容易看出，粒径越小表面的缺陷越小。
２ 粗抛
采用ＣＭＰ 方法，在保证平整度的条件下，快速去除研磨造成的表面损伤层，并降低表面粗糙度：①粒度１ ～ ３μｍ的金刚石微粉，将金刚石粉、氧化剂及分散剂按比例配成ｐＨ 值为１０ ～ １１、流动性好、悬浮性能好、方便清洗的抛光液；②硬质抛光布，晶片上的压力在５００ ～ ７００ ｇ ／ ｃｍ２；③５０ ～７０ ℃的抛光温度；④底盘转速在５０ ～ １２０ ｒ•ｍｉｎ － １。用抛光机对ＳｉＣ 晶片进行粗抛。
抛光液所以选择ｐＨ 值为１０ ～ １１ 是因为６Ｈ-ＳｉＣ分（０００-１）Ｃ 面和（０００１）Ｓｉ 面，对Ｃ 面的抛光是要选择酸性抛光液，而对Ｓｉ 面应选择碱性抛光液。６Ｈ-ＳｉＣ 的化学性质非常稳定，但在抛光过程中，晶片表面与抛光液中的磨料之间剧烈摩擦，其接触的瞬间温度非常高，表面同抛光液中碱液反应，形成软质层，其化学原理［３］为
Ｓｉ ＋ ２ＮａＯＨ ＋ Ｈ２Ｏ→Ｎａ２ＳｉＯ３ ＋ ２Ｈ２↑
抛光液中的强氧化剂抛光过程中起到催化作用，它可以使晶片表面形成较软的氧化层，这层软质在抛光的过程中很容易被抛光布去除，又可以将压力分为重压和轻压阶段。在粗抛阶段，抛光速率比较快，双面抛光后能够达到一个很高的平行度。图为重压下粗抛晶片表面ＡＦＭ 图形（１０μｍ×１０μｍ），从测试结果看出粗抛光后的粗糙度为３.９９３ ｎｍ。图５ 为轻压下粗抛晶片表面ＡＦＭ 图形（１０μｍ×１０μｍ），从测试结果看出粗抛光后的粗糙度为２.５１３ ｎｍ。
３ 精抛
对粗抛光后的ＳｉＣ 晶片清洗，精抛采用化学腐蚀和机械去除相结合的方法，进一步改善晶片表面的微粗糙度，实现表面高光洁度。对粗抛光后的ＳｉＣ 晶片进行精抛光：①选用ｐＨ 值为７ ～ １１、浓度为２％ ～ ６０％的抛光液，当抛光液中ＳｉＯ２ 胶体小于２％时，抛光的去除速率变得比较慢，表面也容易出现划伤；但当抛光液浓度为一定值时，其抛光速率不再改变；在抛光的其他条件不变的情况下，浓度在６０％和２０％时，其速率几乎相等。在配置抛光液浓度时，要从抛光速率和抛光液成本考虑选择合适的抛光液浓度，粒度为５０ ～ ８５ ｎｍ的ＳｉＯ２ 胶体抛光液，并加入适量强氧化剂。②采用质软抛光布，控制晶片上的压力在２００ ～ ６００ ｇ ／ ｃｍ２。③选择２０ ～ ４０ ℃的抛光温度，对ＳｉＣ 晶片进行纳米级精抛光。
有研究表明［４］， 当抛光布为Ｎｉｔｔａ ＨａａｓＳｕｂａ８００、抛光转速为８０ ｒ•ｍｉｎ － １、抛光压力为５００ ｇ ／ ｃｍ２、抛光机器为Ｅｎｇｉｓ Ｊａｐａｎ， ＥＪ３８０ＩＮ、抛光液组成为４０％ ＳｉＯ２ 胶体、强氧化剂１０ ｇ ／ Ｌ、ｐＨ ＝ ７.４ 时， 抛光４ ｈ 后， 抛光速率达到了６７.９ ｎｍ／ｈ。
精抛过程中如果抛光速率低于３０ ｎｍ／ ｈ，抛光表面就有可能出现缺陷，在这种速率下无论抛光时间长短，都不会将缺陷去除，因为在这种速率下进行抛光的时候，晶片表面可能会出现一部分速率大于另外一部分，从而造成缺陷。精抛条件合适的时候，其表面粗糙度可以达到０.３ ｎｍ。抛光结束，去除表面上的残留粒子和沾污物。
４ 结论
随着第三代半导体的不断发展，基于ＳｉＣ 衬底的光学部件和电子产品要求也在不断地提高，ＳｉＣ衬底抛光变得越来越重要。这种方法能够很快地去除切割造成的损伤，实现高产；加工出来的产品平整度和平行度比较好，精抛后表面粗糙度在纳米级，为后一工序的加工提供良好的衬底，能提高产品的成品率。从１９２４ 年ＳｉＣ 被发现以来，其在应用方面引发了ＳｉＣ 研究热潮，ＳｉＣ 器件如ｐｎ 结与肖特基势垒整流器、ＪＦＥＴ、ＭＥＳＦＥＴ、增强／耗尽型ＭＯＳＦＥＴ、ＳｉＣ-Ｓｉ 异质结高频双极晶体管（ＨＢＴ）、高效太阳能电池等出现，不断扩大了ＳｉＣ 的应用前景。抛光片作为外延的最佳衬底，也随之成为研究热点，未来ＳｉＣ 会向大尺寸、更低缺陷水平方向发展。
本文摘自《半导体技术》
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