半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)是現(xiàn)代科技發(fā)展的原始驅(qū)動(dòng)力，代表一個(gè)國(guó)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(guò)去半個(gè)多世紀(jì)引領(lǐng)發(fā)達(dá)國(guó)家經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展，構(gòu)建了堅(jiān)實(shí)的規(guī)模與技術(shù)壁壘，中國(guó)在過(guò)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(guó)與國(guó)際巨頭公司之間的整體技術(shù)差距相對(duì)較小，有可能實(shí)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(chǎng)強(qiáng)高、電子飽和漂移速率高等特點(diǎn)，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(kāi)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(jìn)一步制成HEMT等微波射頻器件，應(yīng)用于5G通信、信號(hào)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(jìn)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(chǎng)前景。

　　據(jù)CASA Research整理，2019年有6家國(guó)際巨頭宣布了12項(xiàng)擴(kuò)產(chǎn)，主要為襯底產(chǎn)能的擴(kuò)張，其中最大的項(xiàng)目為美國(guó)Cree公司投資近10億美元的擴(kuò)產(chǎn)計(jì)劃。根據(jù)Yole數(shù)據(jù)，導(dǎo)電型碳化硅襯底市場(chǎng)規(guī)模取得較快增長(zhǎng)，2018年至2020年，全球?qū)щ娦吞蓟枰r底市場(chǎng)規(guī)模從1.73億美元增長(zhǎng)至億美元增長(zhǎng)至2.76億美元，復(fù)合增長(zhǎng)率為26.36%。根據(jù)Yole預(yù)計(jì)，受益于碳化硅功率器件在電動(dòng)汽車等下游應(yīng)用的增長(zhǎng)，導(dǎo)電型碳化硅襯底市場(chǎng)未來(lái)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(huì)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(cuò)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(dá)到原子級(jí)平整且表面幾乎無(wú)微觀缺陷，SiC晶片的超精密平整技術(shù)研究對(duì)于促進(jìn)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(cè)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(guò)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(zhǎng)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(diǎn)，高脆性、低斷裂韌性也使得其磨削加工過(guò)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(yán)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(qiáng)酸或強(qiáng)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(duì)各工序產(chǎn)品進(jìn)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(guò)程中切割線往復(fù)高速運(yùn)動(dòng)，在晶棒和切割線處噴入切割液，高速運(yùn)動(dòng)的切割線將磨料帶到加工區(qū)域，實(shí)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(yùn)動(dòng)而均勻分布在鋼線之上，通過(guò)切割液中的游離磨粒與工件之間滾動(dòng)-壓痕機(jī)理來(lái)進(jìn)行碳化硅的切割。

　　在切割過(guò)程中，線切割液品質(zhì)十分重要，需滿足以下性能：

　?、俜稚⑿院茫耗軌蜃尳饎偸勰╅L(zhǎng)時(shí)間分散懸浮在液體之中。

　?、趦?yōu)異的散熱性能：在使用過(guò)程中保持穩(wěn)定的溫度范圍。

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

　　④易沖洗、使用壽命長(zhǎng)。

　　02

　　碳化硅單晶襯底研磨液

　　研磨的目的是去除切割過(guò)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(guò)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，SiC單晶襯底研磨液，需具有以下性能：

　　①懸浮性好，能分散高硬度磨料，并保持體系穩(wěn)定。

　?、诟呷コ俾?，減少工藝步驟。

　　③研磨后SiC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(shí)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(duì)SiC晶片進(jìn)行機(jī)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(jī)械損傷層。

　　為進(jìn)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(gè)環(huán)節(jié)，其中化學(xué)機(jī)械拋光（CMP）技術(shù)是目前實(shí)現(xiàn)SiC晶片全局平坦化最有效的方法。CMP是通過(guò)化學(xué)腐蝕和機(jī)械磨損協(xié)同作用，實(shí)現(xiàn)工件表面材料去除及平坦化的過(guò)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(qiáng)度很低的化學(xué)反應(yīng)膜，反應(yīng)膜在磨粒的機(jī)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(jìn)行，是表面逐漸被拋光修平，實(shí)現(xiàn)拋光的目的。拋光液的質(zhì)量對(duì)拋光速率及拋光質(zhì)量有著重要作用，要求：

　?、倭鲃?dòng)性好，易循環(huán)，低殘留、易清洗；

　?、趹腋⌒阅芎?，不宜沉淀和結(jié)塊；

　?、廴コ矢撸划a(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?yàn)樵趻伖膺^(guò)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?jí)|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?jí)|的表面有很好的傳輸能力；

　?、趯伖夂蟮姆磻?yīng)物、碎屑等順利排出，這樣才能使表面下的晶片裸露出來(lái)繼續(xù)反應(yīng)，然后再脫離表面,周而復(fù)始，從而達(dá)到去除作用；

　　③維持拋光墊表面的拋光液薄膜，以便化學(xué)反應(yīng)充分進(jìn)行；

　?、芴峁┮欢ǖ臋C(jī)械載荷，保持拋光過(guò)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(wú)紡布拋光墊，精拋用阻尼布拋光墊。

　　無(wú)紡布拋光墊是一種復(fù)合型材料，其制備工藝為將無(wú)紡布或編織布與聚氨酯通過(guò)浸漬工藝復(fù)合起來(lái)，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(shí)現(xiàn)一定剛性的同時(shí)，也保留了相當(dāng)?shù)膹椥裕ＷC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(chǔ)存和流動(dòng)，最終滿足對(duì)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(guò)將聚氨酯樹(shù)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(wú)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(jìn)行貼合，同時(shí)表面布滿微孔，承載拋光液，共同完成對(duì)晶圓表面的最終修飾，達(dá)到低缺陷，低粗糙度的要求。

　　最終，經(jīng)化學(xué)機(jī)械拋光之后SiC單晶襯底表面能達(dá)到原子級(jí)平整且表面幾乎無(wú)微觀缺陷，具體指標(biāo)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。