一种SiC单晶晶片的加工方法技术

本发明专利技术提供了一种通过机械研磨和化学抛光获得高质量单晶碳化硅表面的方法。该方法通过双面研磨、单面摆臂式粗磨、单面摆臂式精磨、单面摆臂式化学机械抛光，实现单晶碳化硅表面点、线、面缺陷的去除，最大限度消除晶片表面缺陷和损伤层，从而获得高质量的单晶碳化硅晶片表面。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种碳化硅单晶表面的处理方法，特别是涉及一种碳化硅单晶晶片表 面的机械加工和化学处理方法。
技术介绍
单晶碳化硅作为宽禁带半导体，具有高热导率、高饱和电子漂移速率等特点。随着 高速、高频无线电技术日益增长的需要，宽带隙半导体越来越受到人们的关注，这种半导体 器件能够满足普通硅基半导体所不能满足的诸多优点，例如能够在更高功率水平、更高温 度和更加恶劣的环境下工作。事实上在此基础上制造的金属半导体场效应管和金属氧化物 半导体场效应管等均已实现。因此获得高质量的碳化硅衬底材料显得越来越重要。这里所 说的高质量，不仅仅是指晶体本身质量，尤为重要的是碳化硅单晶表面质量。这不仅是器件 制备的需要，也是外延生长薄膜或体单晶的需要。事实上，外延生长对衬底的依赖性很强， 衬底上很小的缺陷也会破坏碳化硅单晶表面的周期性，并蔓延、扩展到薄膜上，严重影响薄 膜质量。即使是作为籽晶时，生长出来的体单晶材料也会受到衬底缺陷的严重影响，衬底表 面上的所有缺陷，一般会被原样复制到新的外延材料中。这类缺陷不仅会引起漏电现象，还 会显著降低电子迁移率。为了获得高质量的薄膜和体单晶，就有必要先去除SiC单晶表面的损伤层。现有 的化学腐蚀方法主要包括湿腐蚀法、氧化法、阳极腐蚀法及表面等离子体腐蚀法等。其中 湿腐蚀法也称熔盐法，是利用熔融的盐类，诸如氢氧化钾(KOH)等进行腐蚀的方法，这类方 法反应速度很快，简单易行，但是难以控制腐蚀速度和深度。阳极腐蚀是一种电化学腐蚀方法，将样品作为阳极，腐蚀效率很低，难以满足工业 生产的需要，且产品质量难以控制，一般处理之后的碳化硅表面质量不高。除此以外，氧化 法会造成缺陷聚积及杂质增加和掺杂元素的再分配等，是一个很复杂的过程。值得一提的是表面等离子体腐蚀法，该方法利用等离子体轰击碳化硅表面，去除 研磨过程中形成的损伤层，这种方法去除率很高，但往往会在去除损伤层的同时引进新的 缺陷和损伤。以上的方法和研究，均没有系统和全面地研究晶体加工的方法，而且从根本上说， 不是有效解决高质量碳化硅生产的方法。原因在于，这些方法都仅仅注意到了解决晶体加 工后期表面处理的某一方面，而忽略或无法兼顾其它方面，例如在去除损伤层的同时，无法 避免引入新的损伤；在控制晶体厚度的同时，无法兼顾晶体的表面质量等。
技术实现思路
本专利技术旨在提出一种完整、系统地处理碳化硅单晶晶片表面的方法。按照这一方 法，可以有效获得高质量碳化硅晶片，且工艺简单高效，晶片表面划痕总长度不大于晶片半 径，晶片表面粗糙度(RMS)小于0. 5纳米。本专利技术所采用的加工方法可以全面控制碳化硅中的奇异点，所谓奇异点主要是指 表面的突起或凹坑。通过多步控制的方法，可以逐步减少碳化硅晶片表面奇异点的密度和 数量。这是点缺陷的控制方法。通过逐步调整，加大去除量，可以快速去除表面划痕，这是线缺陷的控制方法。通过逐步调整，加大去除量，和逐级化学抛光法，可以逐步消除损伤层；也可以校 正研磨工艺，逐步消除多面型和斜面等面缺陷。通过反复校正和优化，可以改变晶片的翘曲、变形等缺陷。特别地，通过独特的抛光工艺，可以获得高质量的晶片表面，这包括表面无划痕和 损伤层，表面有好的表面粗糙度。本专利技术系统阐述了碳化硅晶片表面加工的高效和可控方法，通过机械研磨和化学 抛光得到的碳化硅单晶晶片表面最大限度消除了表面缺陷和损伤层，主要包括四个步骤: 双面研磨、单面摆臂式粗磨、单面摆臂式精磨、单面摆臂式化学机械抛光等，具体包括如下 步骤(1)对碳化硅单晶晶体进行线切割，切割成碳化硅单晶晶片，所述晶片的厚度比成 品要求厚度多出一定的加工余量，经过化学清洗后备用；(2)将清洗后的碳化硅单晶晶片进行双面研磨，主要去除由线切割造成的晶片表 面线痕以便获得较好的平整度；去除三分之二的加工余量；(3)将双面研磨后的碳化硅单晶晶片进行单面摆臂式粗磨，采用适当转速，调节 压力，主要去除一定厚度使晶片满足厚度要求，改善双面研磨加工后的表面粗糙度，以便获 得较好的表面粗糙度，方便后续加工；粗磨后的碳化硅单晶晶片厚度接近成品要求厚度；(4)将上述接近成品要求厚度的晶片进行单面摆臂式精磨，采用适当转速，调节压 力，精磨后的碳化硅单晶晶片表面划痕总长度不超过碳化硅单晶晶片半径，深度小于5纳米；(5)将经上述精磨后的碳化硅单晶晶片进行单面摆臂式化学机械抛光，化学机械 抛光后的碳化硅单晶晶片表面划痕总长度不大于碳化硅单晶晶片半径，晶片表面粗糙度 (RMS)小于0. 5纳米；(6)抛光后的碳化硅单晶晶片经清洗后封装。其中所述加工余量是指碳化硅单晶晶片在机械研磨和化学抛光过程中被去除的 厚度，根据不同加工精度和厚度的要求，加工余量是20-200微米。其中所述清洗是去除碳化硅单晶晶片表面吸附的大颗粒杂质，这些杂质在双面研 磨过程中影响碳化硅单晶晶片表面的质量，或引起不必要的划伤等。其中所述双面研磨，是指碳化硅单晶晶片放置于双面研磨机上、下研磨盘之间，碳 化硅单晶晶片上表面和下表面同时受到研磨。双面研磨采用下研磨盘转速每分钟小于100 转，研磨压力根据不同的加工要求采用以下三种设定标准之一或组合使用(a)轻压技术，是指每片2英寸碳化硅单晶晶片承受小于1公斤的压力；(b)中压技术，是指每片2英寸碳化硅单晶晶片承受的压力在1-3公斤之间；(c)重压技术，是指每片2英寸碳化硅单晶晶片承受的压力大于3公斤。双面研磨采用的金刚石磨料的颗粒度为2-4微米，配置好的液态金刚石磨料以连 续流液的方式供应，供液速度每分钟大于20毫升。其中所述单面摆臂式粗磨中，碳化硅晶片使用粘接剂粘接在陶瓷盘上，陶瓷盘安 装在机械研磨臂上，陶瓷盘在下研磨盘上旋转的同时，还可在机械研磨臂摆动下在下研磨 盘上进行水平移动，以减少陶瓷盘单纯旋转时造成的碳化硅单晶晶片表面去除量失衡问 题由于远离碳化硅单晶晶片中心处的旋转线速度快，造成该处表面的去除量大，接近碳化 硅单晶晶片中心处的旋转线速度小，造成该处表面的去除量小，从而使得碳化硅单晶晶片 表面偏离目标平面成为斜面。采用下研磨盘转速每分钟小于200转，粗磨时的压力根据不 同的加工要求采用以下两种设定标准之一或组合使用(a)轻压技术，是指每片2英寸碳化硅单晶晶片承受不大于3公斤的压力；(b)重压技术，是指每片2英寸碳化硅单晶晶片承受大于3公斤的压力。采用轻压技术时的研磨时间为1小时以上；采用重压技术时的研磨时间为1小时 以上。金刚石磨料以喷雾形式间断供应，平均每隔3-10秒供应一次，供应时长为1秒以上， 供料速度每秒小于5毫升，金刚石磨料粒度为1微米以下。其中所述单面摆臂式精磨是指，碳化硅单晶晶片使用粘接剂粘接在陶瓷盘上，陶 瓷盘安装在机械研磨臂上，陶瓷盘在下研磨盘上旋转的同时，还可在机械研磨臂摆动下在 下研磨盘上进行水平移动，以减少陶瓷盘单纯旋转时造成的碳化硅单晶晶片表面去除量失 衡问题，由于远离碳化硅单晶晶片中心处的旋转线速度快，造成该处表面的去除量大，接近 碳化硅单晶晶片中心处的旋转线速度小，造成该处表面的去除量小，从而使得碳化硅单晶 晶片表面偏离目标平面成为斜面。采用下研磨盘转速每分钟10-20转，精磨时的压力根据 不同的加工要求采用以下两种设定标准之一或组合使用(a)轻压技术，是指每片2英寸碳化硅晶本文档来自技高网...

【技术保护点】
１．一种碳化硅单晶晶片的加工方法，该方法通过机械研磨和化学抛光得到的碳化硅单晶晶片表面最大限度消除了表面缺陷和损伤层，其特征在于该方法包括如下步骤：（１）先将碳化硅单晶晶体切割成碳化硅单晶晶片，所述晶片的厚度比成品要求厚度多出一定的加工余量，并进行清洗；（２）将清洗后的碳化硅单晶晶片进行双面研磨，以去除约三分之二的加工余量；（３）将双面研磨后的碳化硅单晶晶片进行单面摆臂式粗磨，粗磨后的碳化硅单晶晶片厚度接近成品要求厚度；（４）将上述接近成品要求厚度的晶片进行单面摆臂式精磨，精磨后的碳化硅单晶晶片表面划痕总长度不大于碳化硅单晶晶片半径，深度小于５纳米；（５）将经上述精磨后的碳化硅单晶晶片进行单面摆臂式化学机械抛光，所述抛光后的碳化硅单晶晶片表面划痕总长度不大于碳化硅单晶晶片半径，晶片表面粗糙度（ＲＭＳ）小于０．５纳米；（６）将经上述抛光后的碳化硅单晶晶片清洗后封装。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：张贺，胡伯清，黄青松，王锡明，陈小龙，彭同华，
申请(专利权)人：北京天科合达蓝光半导体有限公司，中国科学院物理研究所，
类型：发明
国别省市：11