半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)是現(xiàn)代科技發(fā)展的原始驅(qū)動力，代表一個國家科學(xué)技術(shù)發(fā)展最高水平。第一代Si基半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)在過去半個多世紀引領(lǐng)發(fā)達國家經(jīng)濟高速發(fā)展，構(gòu)建了堅實的規(guī)模與技術(shù)壁壘，中國在過去十幾年奮起直追，但前行路途仍充滿艱難與挑戰(zhàn)。第三代SiC基寬禁帶半導(dǎo)體全球目前整體處于發(fā)展初期階段，我國與國際巨頭公司之間的整體技術(shù)差距相對較小，有可能實現(xiàn)彎道超車。碳化硅晶圓是一種由碳和硅兩種元素組成的化合物半導(dǎo)體單晶材料，具備禁帶寬度大、熱導(dǎo)率高、臨界擊穿場強高、電子飽和漂移速率高等特點，可有效突破傳統(tǒng)硅基半導(dǎo)體器件及其材料的物理極限，開發(fā)出更適應(yīng)高壓、高溫、高功率、高頻等條件的新一代半導(dǎo)體器件。

　　SiC根據(jù)其電學(xué)性上質(zhì)分為導(dǎo)電型和半絕緣型兩種，其中半絕緣型（電阻率＞105Ω.cm）碳化硅襯底能夠制得碳化硅基氮化鎵異質(zhì)外延片，可進一步制成HEMT等微波射頻器件，應(yīng)用于5G通信、信號接收器等為代表的射頻領(lǐng)域；導(dǎo)電型（電阻率15~30mΩ.cm）碳化硅襯底則可制得碳化硅同質(zhì)外延片，可進一步制成肖特基二極管、MOSFET、IGBT等功率器件，應(yīng)用在新能源汽車、“新基建”為代表的電力電子領(lǐng)域。碳化硅在民用、軍用領(lǐng)域均具有明確且可觀的市場前景。

　　據(jù)CASA Research整理，2019年有6家國際巨頭宣布了12項擴產(chǎn)，主要為襯底產(chǎn)能的擴張，其中最大的項目為美國Cree公司投資近10億美元的擴產(chǎn)計劃。根據(jù)Yole數(shù)據(jù)，導(dǎo)電型碳化硅襯底市場規(guī)模取得較快增長，2018年至2020年，全球?qū)щ娦吞蓟枰r底市場規(guī)模從1.73億美元增長至億美元增長至2.76億美元，復(fù)合增長率為26.36%。根據(jù)Yole預(yù)計，受益于碳化硅功率器件在電動汽車等下游應(yīng)用的增長，導(dǎo)電型碳化硅襯底市場未來將快速發(fā)展。

　　不論導(dǎo)電型還是半絕緣型，其應(yīng)用中SiC襯底的表面超光滑是必備條件。SiC表面的不平整會導(dǎo)致其表面同質(zhì)外延的SiC薄膜和異質(zhì)外延的GaN薄膜位錯密度的增加，從而影響器件性能。上述應(yīng)用領(lǐng)域的快速發(fā)展要求SiC晶片表面能達到原子級平整且表面幾乎無微觀缺陷，SiC晶片的超精密平整技術(shù)研究對于促進第三代半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展具有極其重要的意義。

　　襯底是所有半導(dǎo)體芯片的底層材料，起到物理支撐、導(dǎo)熱、導(dǎo)電等作用；數(shù)據(jù)顯示，襯底成本大約占晶片加工總成本的50%，外延片占25%，器件晶圓制造環(huán)節(jié)20%，封裝測試環(huán)節(jié)5%。SiC襯底不止貴，生產(chǎn)工藝還復(fù)雜，與硅相比，SiC很難處理。SiC單晶襯底加工過程包括單晶多線切割、研磨、拋光、清洗最終得到滿足外延生長的襯底片。SiC是世界上硬度排名第三的物質(zhì)，不僅具有高硬度的特點，高脆性、低斷裂韌性也使得其磨削加工過程中易引起材料的脆性斷裂從而在材料表面留下表面破碎層，且產(chǎn)生較為嚴重的表面與亞表層損傷，影響加工精度。所以在研磨、鋸切和拋光階段，挑戰(zhàn)也非常大，其加工難主要體現(xiàn)在：(1)硬度大，莫氏硬度分布在9.2～9.6；(2)化學(xué)穩(wěn)定性高，幾乎不與任何強酸或強堿發(fā)生反應(yīng)；(3)加工設(shè)備尚不成熟。

　　因此，碳化硅襯底切割、研磨、加工的耗材還需不斷發(fā)展和完善。下面我們對各工序產(chǎn)品進行逐一介紹。

　　01

　　碳化硅單晶襯底多線切割液

　　目前切割碳化硅的主流方法是砂漿線切割(游離磨粒線切割)，砂漿線切割(游離磨粒線切割)是指在加工過程中切割線往復(fù)高速運動，在晶棒和切割線處噴入切割液，高速運動的切割線將磨料帶到加工區(qū)域，實現(xiàn)材料的切割。砂漿線切割(游離磨粒線切割)法出品率高，鋸切損耗小，表面質(zhì)量好。

　　砂漿線切割(游離磨粒線切割)的線切割液主要由油性線切割液和金剛石粉組成。線切割液提供粉末的分散與傳輸。金剛石粉末分散在線切割液之后，隨著線切割液的運動而均勻分布在鋼線之上，通過切割液中的游離磨粒與工件之間滾動-壓痕機理來進行碳化硅的切割。

　　在切割過程中，線切割液品質(zhì)十分重要，需滿足以下性能：

　　①分散性好：能夠讓金剛石粉末長時間分散懸浮在液體之中。

　?、趦?yōu)異的散熱性能：在使用過程中保持穩(wěn)定的溫度范圍。

　?、鄯€(wěn)定性好：加工過程中粘度穩(wěn)定，泡沫抑制性能優(yōu)異。

　?、芤讻_洗、使用壽命長。

　　02

　　碳化硅單晶襯底研磨液

　　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，因此使用粒徑較細的磨粒研磨晶片。

　　為獲得高效的研磨速率，SiC單晶襯底研磨液，需具有以下性能：

　?、賾腋⌒院茫芊稚⒏哂捕饶チ?，并保持體系穩(wěn)定。

　　②高去除速率，減少工藝步驟。

　?、垩心ズ骃iC表面均勻（Ra＜1 nm），不容易產(chǎn)生深劃傷，提高良率及減少后續(xù)拋光時間。

　　03

　　碳化硅單晶襯底拋光液

　　經(jīng)傳統(tǒng)研磨工藝，使用微小粒徑的金剛石或碳化硼研磨液，對SiC晶片進行機械拋光加工后，晶片表面的平面度大幅改善，但加工表面存在很多劃痕，且有較深的殘留應(yīng)力層和機械損傷層。

　　為進一步提高晶片的表面質(zhì)量，改善表面粗糙度及平整度，使其表面質(zhì)量特征參數(shù)符合后序加工中的精度要求，超精密拋光是SiC表面加工工序中非常關(guān)鍵的一個環(huán)節(jié)，其中化學(xué)機械拋光（CMP）技術(shù)是目前實現(xiàn)SiC晶片全局平坦化最有效的方法。CMP是通過化學(xué)腐蝕和機械磨損協(xié)同作用，實現(xiàn)工件表面材料去除及平坦化的過程。

　　拋光液是CMP的關(guān)鍵耗材之一，拋光液中的氧化劑與碳化硅單晶襯底表面發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成很薄的剪切強度很低的化學(xué)反應(yīng)膜，反應(yīng)膜在磨粒的機械磨削作用下被去除，從而露出新的表面，接著又繼續(xù)生成新的反應(yīng)膜，如此周而復(fù)始的進行，是表面逐漸被拋光修平，實現(xiàn)拋光的目的。拋光液的質(zhì)量對拋光速率及拋光質(zhì)量有著重要作用，要求：

　　①流動性好，易循環(huán)，低殘留、易清洗；

　　②懸浮性能好，不宜沉淀和結(jié)塊；

　?、廴コ矢?，不產(chǎn)生表面損傷；

　　04

　　碳化硅單晶襯底拋光墊

　　拋光墊作為CMP系統(tǒng)的重要組成部分，其主要功能是：

　?、侔褣伖庖河行Ь鶆虻剌斔偷綊伖鈮|的不同區(qū)域，因為在拋光過程中，晶片邊緣總是優(yōu)先得到拋光液，中心部位總是難得到拋光液，如果拋光布墊中的孔被堵塞,則拋光液不能有效地傳輸?shù)街行牟课唬瑒t邊緣的化學(xué)作用將高于中心部位，中心部位拋光速率慢，從而使晶片拋光的平行度不好，因此拋光中必須保證拋光布墊的表面有很好的傳輸能力；

　　②將拋光后的反應(yīng)物、碎屑等順利排出，這樣才能使表面下的晶片裸露出來繼續(xù)反應(yīng)，然后再脫離表面,周而復(fù)始，從而達到去除作用；

　?、劬S持拋光墊表面的拋光液薄膜，以便化學(xué)反應(yīng)充分進行；

　　④提供一定的機械載荷，保持拋光過程的平穩(wěn)、表面不變形，以便獲得較好的晶片表面形貌。

　　用于碳化硅襯底粗拋主要用無紡布拋光墊，精拋用阻尼布拋光墊。

　　無紡布拋光墊是一種復(fù)合型材料，其制備工藝為將無紡布或編織布與聚氨酯通過浸漬工藝復(fù)合起來，獲得了具有不同物化參數(shù)（硬度、壓縮率等）的產(chǎn)品。一般情況下，其硬度介于聚氨酯拋光墊和阻尼布拋光墊之間，在實現(xiàn)一定剛性的同時，也保留了相當?shù)膹椥?，保證拋光墊與碳化硅襯底充分接觸摩擦。且拋光墊內(nèi)部的纖維結(jié)構(gòu)呈三維貫通狀，更有利于拋光液的儲存和流動，最終滿足對碳化硅的高去除和平坦化需求。

　　阻尼布拋光墊一般是雙層結(jié)構(gòu)，上層的多孔聚氨酯膜是通過將聚氨酯樹脂涂覆在特定的基材上經(jīng)濕式凝固、水洗烘干得到，下層的基材通常選用pet膜或者無紡布，兩者復(fù)合在一起即成為最終的成品。阻尼布拋光墊硬度較軟，能很好地與拋光工件進行貼合，同時表面布滿微孔，承載拋光液，共同完成對晶圓表面的最終修飾，達到低缺陷，低粗糙度的要求。

　　最終，經(jīng)化學(xué)機械拋光之后SiC單晶襯底表面能達到原子級平整且表面幾乎無微觀缺陷，具體指標為：粗糙度Ra ＜0.2nm，翹曲度Bow ＜-5 μm，翹曲度Warp＜10 μm，局部厚度差LTV＜1.5 μm，全局厚度差TTV＜5 m，邊緣 duboff/ rolloff控制在 +/-1mm，劃痕深度＜1nm。