碳化硅（SiC）作为一种宽禁带半导体材料，因其独特的物理和化学特性，在半导体行业中占据了重要地位。相比于第一代和第二代半导体材料（如硅和砷化镓），碳化硅单晶具有更优良的热学和电学性能，如宽禁带、高导热性、高温度稳定性以及低介电常数等，是高温、高频、高功率和抗辐射等极端工况下应用的理想选择。不过，碳化硅单晶作为典型的硬脆材料，加上目前国际碳化硅大厂多在筹划将碳化硅晶圆从6英寸转向8英寸，其研磨抛光难度极高，加工过程中更容易容易产生裂纹和破损，降低良品率，因此如何克服8英寸衬底难关成为衡量碳化硅产业的重要指标。

进入8英寸时代，碳化硅研抛面临什么难题？

为了能够增加单批次芯片的产量并减少边缘损耗，降低生产成本，衬底大型化成了碳化硅晶圆发展的必然趋势，尤其是近年来碳化硅在电动车主驱上渗透迅猛，市场对8英寸SiC衬底的需求变得更加迫切。目前，行业内8英寸SiC单晶的生长技术已经逐渐成熟，但在磨抛等后道工序中仍然存在技术难题，导致其生产良率仅为40%-50%。

1、晶圆尺寸增加，整个晶圆所承受的压力分布会更加复杂，磨抛环节更容易受到应力影响，良率不易控制。

2、8英寸晶圆厚度逐渐向向6英寸看齐，但当晶圆尺寸变大时，在处理、搬运、定位过程中更易因应力或弯曲而损坏。

3、为解决8英寸衬底在切割过程中可能出现的应力、翘曲和开裂等问题，激光切割技术逐步应用于SiC领域，但长波激光切割区域易受热损坏，短波激光易在切割口容易产生大量的残渣堆积，加深损伤层，对于后续抛磨负担较大。

碳化硅衬底的研磨（减薄）工艺发展

常规的研磨工艺一般分为粗磨和精磨两个阶段。主流的研磨工艺方案为采用铸铁盘配合单晶金刚石研磨液进行粗磨，采用聚氨酯发泡Pad+多晶金刚石研磨液进行双面研磨。该工艺方案可以再粗磨阶段有效的去除线割产生的损伤层，修复面型，降低总厚度偏差（TTV）、弯曲度（BOW）、翘曲度（WARP），去除速率稳定，获得粗糙度在50nm左右的亚光面，之后再经精磨获得Ra<3nm的晶片表面，更有利于碳化硅衬底片后工序的抛光。不过，该方法划伤不良一直存在，且所采用的多晶金刚石磨料需要用爆炸法工艺生产，难度大且产量低，价格极高。

单晶金刚石及多晶金刚石磨粒（来源：北京国瑞升）

为提高碳化硅晶圆的研磨效率，利用团聚金刚石研磨工艺逐渐被众多厂家采用。团聚金刚石磨粒是由微小的金刚石颗粒通过粘结剂聚合在一起形成的团聚体，在研磨过程中，钝化的磨料会从团聚磨料上破碎脱落，同时新的磨料继续参与磨削，从而提高研磨效率。通常来说，粗抛环节会采用1.5um左右的团聚金刚石研磨液+蜂窝树脂Pad进行双面研磨，获得面粗在20nm左右的表面，精抛环节则采用0.2um左右的团聚金刚石研磨液搭配树脂Pad/聚氨酯发泡Pad进行双面研磨，获得面粗在3nm以内的表面。不过，该方法仍然存在自动化水平不高，对于大尺寸晶圆的加工，存在较高的破片风险。

金刚石团聚磨料VS单颗金刚石磨粒（来源：中机新材）

由于具有加工速度快，加工面型控制能力强、自动化程度高、灵活性好的优点，砂轮单面减薄工艺有望代替传统研磨的技术路线，更适用于大尺寸晶圆的加工。该工艺也是通过结合粗磨和精磨两个阶段来实现高效和高质量的减薄处理。一般来说，粗磨加工的轴向进给速度大，且采用粒度较大的金刚石砂轮，以达到快速去除约90%的加工余量；而精磨加工的轴向进给速度较小，使用粒度极小的金刚石砂轮，以此去除剩余的10%加工余量，并消除粗磨加工造成的损伤层。不过，该方法采用的砂轮研发难度大、制造技术要求高，目前市场上高性能的金刚石砂轮主要由国外公司（如DISCO）提供，国产化程度较低，但国内的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。

碳化硅晶片减薄砂轮（来源：网络）

碳化硅衬底的抛光工艺发展

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消除表面划痕、降低粗糙度和消除加工应力，最终获得超光滑表面。目前碳化硅晶圆的抛光大多都是通过化学机械抛光（CMP）来实现，即利用浆料的化学腐蚀结合磨粒和抛光垫的机械摩擦共同作用实现材料的去除。

为使CMP的机械和化学作用达到平衡，得到最佳的抛光效果和抛光速度，这就对其关键耗材抛光液、抛光垫提出了要求。通常粗抛工艺采用高锰酸钾氧化铝粗抛液搭配纤维型的无纺布粗抛垫，高锰酸钾起到氧化腐蚀作用，纳米氧化铝颗粒起到机械磨削的作用，加之无纺布抛光垫的纤维型结构带来的较大的硬度，可以提升粗抛的速率。在精抛环节，则通常采用100nm以内的双组成氧化硅抛光液搭配黑色阻尼布精抛垫使用，双组成氧化硅抛光液不仅能带来优异的去除速率，而且还能为碳化硅衬底带来极高的表面光洁度和平整度，此外，网状结构的阻尼布精抛垫具有良好的压缩性和更佳的抛光液携带能力，且硬度也比较低，因此用于在精抛过程中不易产生划痕，有利于提高碳化硅晶圆的表面质量。

无纺布抛光垫（来源：万桦新材料）和黑色阻尼抛光垫（来源：静钧研磨）

除此之外，为进一步提高抛光速率，更好地适应大尺寸碳化硅晶圆的加工，不少研究人员还在研究开发结合化学和机械两方面增效的复合工艺，如电化学、磁流变、等离子体、光催化等化学增效方法以及超声辅助、混合磨粒和固结磨粒抛光等机械增效方法。

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小结

碳化硅晶片磨抛是单晶生长后的一大高难度工艺，目前我国的碳化硅晶片表面加工精度与国外相比仍然有较大差距，我国仍需要进一步研究研磨、抛光过程中的机理，研发更先进的精密工艺设备，优化晶片加工方法，制备出高质量的碳化硅衬底。

参考文献：

1、罗求发，陈杰铭，程志豪，等.碳化硅衬底磨抛加工技术的研究进展与发展趋势[J].湖南大学学报(自然科学版).

2、张玺，王蓉，张序清，等.碳化硅单晶衬底加工技术现状及发展趋势[J].中央民族大学学报(自然科学版.

3、第三代半导体产业，详解碳化硅晶片的磨抛工艺方案.

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