中國粉體網(wǎng)訊 近期，SiC晶圓研磨拋光材料頭部企業(yè)中機(jī)新材與知名SiC襯底廠商南砂晶圓簽訂了戰(zhàn)略合作框架協(xié)議。這一舉動可以看出，目前在碳化硅的“瘋狂”之下，對SiC晶圓加工環(huán)節(jié)同樣重視且需求巨大。
來源：中機(jī)新材實驗室
襯底大型化可增加單批次芯片產(chǎn)量和降低邊緣損耗，是碳化硅降本的核心。同規(guī)格器件使用8寸的襯底制作成本要比6寸的降低一半以上。近幾年，SiC在電動車主驅(qū)上的滲透迅猛，導(dǎo)致市場對8英寸SiC襯底的需求更為迫切，6英寸向8英寸轉(zhuǎn)換的時機(jī)也大大提前，海外客戶的意向幾乎都集中在8英寸SiC襯底方面。同時，國內(nèi)廠商也在8英寸SiC賽道不斷追趕國際龍頭。
整體來看，目前生長8英寸SiC單晶的技術(shù)已經(jīng)逐漸成熟，但在磨拋等后道工序還存在技術(shù)難點，目前業(yè)內(nèi)8英寸SiC襯底磨拋良率僅為40-50%。
磨拋有多難？
首先，碳化硅材料硬度高、脆性大、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，加工難度極大。生長成碳化硅晶錠后需要借助X射線單晶定向儀定向再磨平、滾磨成標(biāo)準(zhǔn)尺寸的碳化硅晶棒。晶棒要制成SiC單晶片，還需要以下幾個階段：切割—粗研—細(xì)研—拋光，簡稱切拋磨。
晶體生長后需經(jīng)歷晶體加工和晶片加工
來源：創(chuàng)力
切割是碳化硅晶棒第一道加工工序，決定了后續(xù)研磨、拋光的加工水平，切片后需要使用全自動測試設(shè)備進(jìn)行翹曲度（Warp）、彎曲度（Bow）、厚度變化（TTV）等面型檢測。
而切割片存在損傷層，需要通過磨削、研磨、拋光和清洗環(huán)節(jié)提高表面質(zhì)量和精度。碳化硅襯底難加工的材料特性疊加其大尺寸化、超薄化的放大效應(yīng)，給現(xiàn)有的加工技術(shù)帶來了巨大的挑戰(zhàn)，高效率、高質(zhì)量的碳化硅襯底加工技術(shù)成了當(dāng)下的研究熱點。
具體來講，其一，晶圓尺寸增加，磨拋環(huán)節(jié)更容易受到應(yīng)力影響，良率不易控制；其二，厚度越來越薄，對磨拋要求也再提高；其三，在切割過程中，如采用激光剝離技術(shù)，襯底片切割時損傷層容易加深且不穩(wěn)定，一般在50μm左右，磨拋負(fù)擔(dān)較大，如采用減薄砂輪，損耗比例為1:1；其四，若采用雙拋工藝，仍需要4臺設(shè)備，工序多且綜合成本較高，采用減薄工藝，雖減少工序但減薄砂輪價格較高，損耗較高，且減薄過程中襯底片處于真空條件下，不利于整體彎曲程度、WARP的修復(fù)。
研磨液市場達(dá)10億元
研磨的目的是去除切割過程中造成的SiC切片表面的刀痕以及表面損傷層。由于SiC的高硬度，研磨過程中必須使用高硬度的磨料（如碳化硼或金剛石粉）研磨SiC切片的晶體表面。
研磨根據(jù)工藝的不同可分為粗磨和精磨。粗磨主要是去除切割造成的刀痕以及切割引起的變質(zhì)層，使用粒徑較大的磨粒，提高加工效率；精磨主要是去除粗磨留下的表面損傷層，改善表面光潔度，并控制表面面形和晶片的厚度，利于后續(xù)的拋光，因此使用粒徑較細(xì)的磨粒研磨晶片。
為獲得高效的研磨速率，目前SiC單晶襯底研磨液選擇聚晶（堆積）金剛石研磨液，兼具磨除率高和加工工件表面光潔度好的優(yōu)點。聚晶磨料是用粘接劑把細(xì)顆粒磨料粘接起來，通過燒結(jié)而成的磨料聚集體，三要素為磨料、氣孔和結(jié)合劑，形狀有球形、條形、近球形等。球形和類球形團(tuán)聚磨料的形貌規(guī)則，切削刃分布均勻，使用這類磨料加工工件時，能顯著的降低工件表面粗糙度，在實際中使用更廣泛。
根據(jù)天科合達(dá)公布的數(shù)據(jù)（天岳先進(jìn)直接采購金剛石微粉，輔以自身配方進(jìn)行生產(chǎn)），2018年、2019年、2020年1-3月，天科合達(dá)研磨液成本分別占到碳化硅襯底生產(chǎn)總成本的16.6%、16.8%和15.5%，三年平均占比為16.3%。假設(shè)至2027年，全球碳化硅襯底需求量超300萬片，則對應(yīng)碳化硅研磨液市場規(guī)模超10億元。
小拋光，大難題
拋光作為SiC晶圓生產(chǎn)鏈的最后一環(huán)，其加工后的晶圓表面質(zhì)量會直接影響所生產(chǎn)的半導(dǎo)體器件的性能。
干法和濕法的拋光工藝路線
其中，拋光又分為粗拋和精拋。粗拋的目的是將襯底表面粗糙度加工至納米級別；精拋是碳化硅襯底晶片制作的最后一步工藝，其直接關(guān)系到加工之后的襯底能否投入生產(chǎn)。精拋的目的是進(jìn)一步改善碳化硅襯底的表面質(zhì)量，得到超光滑表面質(zhì)量 的晶片，通常要求表面粗糙度低于0.2 nm以下。
然而SiC具有的極高硬度和很強(qiáng)的化學(xué)穩(wěn)定性給SiC的無損高質(zhì)量拋光帶來了極大的挑戰(zhàn)。碳化硅的莫氏硬度達(dá)到9.25-9.5，用傳統(tǒng)的CMP拋光移除材料1-2μm深度，需要數(shù)十小時才能完成，不僅影響產(chǎn)能，也導(dǎo)致成本居高不下。據(jù)臺灣工研院測算，碳化硅晶圓制造成本約占售價的一半，而硅晶圓只需26%。
碳化硅晶圓與硅晶圓成本構(gòu)成對比
獲得超光滑表面碳化硅晶片的拋光方式中，包括電化學(xué)拋光(ECMP)、摩擦化學(xué)拋光(TCP)、化學(xué)機(jī)械拋光(CMP)等，其中化學(xué)機(jī)械拋光將化學(xué)拋光技術(shù)和機(jī)械拋光技術(shù)相結(jié)合，是當(dāng)前國際上公認(rèn)，可實現(xiàn)全局平坦化和超光滑無損傷納米級表面的加工方式。
CMP的拋光效果主要受工藝參數(shù)、拋光液、拋光墊三方面參數(shù)的影響。拋光液和拋光墊是CMP的主要耗材，控制優(yōu)化其性能以保證可重復(fù)的拋光效率對于工藝穩(wěn)定性至關(guān)重要。其中，拋光液是化學(xué)機(jī)械拋光技術(shù)的核心，因此它帶來的影響是決定性的。目前，常用于CMP拋光液中的氧化劑主要是H2O2和KMnO4，磨粒主要有SiO2、CeO2和Al2O3。同時，對拋光液進(jìn)行改良，研發(fā)具備自催化作用的拋光墊，是未來CMP耗材的研究方向。
小結(jié)
目前，主要是通過單面磨削和化學(xué)機(jī)械拋光的方式實現(xiàn)大尺寸碳化硅襯底的磨拋加工，但是較低的良品率以及加工效率是其亟待解決的難題。未來碳化硅襯底磨拋加工技術(shù)的發(fā)展將集中在工藝參數(shù)的優(yōu)化、新磨料及拋光液的研究、加工設(shè)備的自動化和智能化發(fā)展、環(huán)保加工方法的開發(fā)、多尺度磨拋加工以及跨學(xué)科研究等方面。
來源：
行家說三代半：該環(huán)節(jié)良率僅有50%，8英寸SiC如何破局?
馮玢等：碳化硅襯底精密加工技術(shù)
羅求法等：碳化硅襯底磨拋加工技術(shù)的研究進(jìn)展與發(fā)展趨勢
碳化硅芯觀察：聚焦|克服那個碳化硅晶片拋光難題
（中國粉體網(wǎng)編輯整理/空青）
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