碳化硅晶片的表面处理方法与流程

1.本发明涉及半导体材料技术领域，尤其是涉及一种碳化硅晶片的表面处理方法。

背景技术：

2.碳化硅具有宽的禁带宽度，高热导率以及高的击穿电压，使得其在高频、高功率、抗辐射、极端条件下工作的器件有广泛应用。是一种极具潜力的半导体材料。

3.高质量的碳化硅晶片表面对制造高质量的外延片至关重要，进而决定半导体器件的性能。碳化硅单晶的莫氏为9.2，自然界中仅次于金刚石，对其进行物理加工难度非常高；而且碳化硅具有高的化学稳定性，如耐酸碱、耐氧化能力，这大大增加了化学机械抛光(cmp)和清洗过程中去除表面颗粒和金属的难度。

4.鉴于碳化硅材料的加工难度，目前常用的碳化硅晶片加工和清洗方法主要是双面或单面研磨、抛光、化学机械抛光和标准rca清洗，存在的主要问题是：加工晶片的翘曲度(warp)、弯曲度(bow)、面型(ttv和ltv)较差，表面颗粒和金属污染物无法很好的去除；对于前道切割工序产生的较大的变形没有修复能力；加工步骤繁琐，自动化程度低下，晶片表面质量和稳定性难以保证。晶片表面的上述缺陷会在外延生长和器件制备的过程中放大，导致芯片良率大大降低，是影响芯片良率的首要因素。

技术实现要素：

5.有鉴于此，本发明要解决的技术问题在于提供一种碳化硅晶片的表面处理方法，本发明的处理方法处理的碳化硅晶片表面粗糙度低，平整度高，表面翘曲度低。

6.本发明提供了一种碳化硅晶片的表面处理方法，碳化硅晶片包括a表面和b表面；其表面处理方法包括：

7.a)将碳化硅a表面涂覆树脂膜，得到平整的a表面的碳化硅；

8.b)将a表面固定，将b表面进行打磨；

9.c)去除碳化硅a表面的树脂膜，固定打磨后的b面，将a面进行打磨，得到双面打磨的碳化硅晶片；

10.d)将双面打磨的碳化硅晶片抛光，即得。

11.优选的，步骤a)所述树脂膜的硬度为50到70hrd；所述树脂膜为填充弯曲的或凸凹起伏的碳化硅a表面至平整。

12.优选的，步骤b)所述打磨具体为采用树脂砂轮或金属结合剂砂轮中的一种或两种进行打磨；所述砂轮的目数为500～50000目；

13.步骤c)所述打磨具体为采用树脂砂轮或金属结合剂砂轮中的一种或两种进行打磨；所述砂轮的目数为500～50000目。

14.优选的，步骤b)所述固定具体为采用真空吸附的方法将碳化硅a面固定在吸附装置上；吸附装置带动碳化硅晶片转动，与砂轮相对摩擦去除碳化硅晶片表面损伤层。

15.优选的，所述吸附头转速为200～600rpm；所述砂轮转速为500～3600rpm。

16.优选的，步骤c)所述去除碳化硅a表面的树脂膜的方法具体为：用紫外灯照射或烘烤；所述紫外灯照射的参数为：使用波长100～350nm范围内的紫外光照射样品10～120s；所述烘烤的温度为60～90℃。

17.优选的，步骤d)所述抛光具体为采用抛光布在抛光液中进行抛光；所述抛光布为含有固结磨料的抛光布；所述固结磨料包括氧化硅、氧化铝、氧化铈和氧化锆中的一种或几种。

18.优选的，所述抛光液包括催化氧化剂络合物和ph调节剂；所述催化氧化剂络合物钒酸或偏钒酸离子和氧化剂的络合物，或金属、螯合剂和氧化剂的络合物；所述氧化剂包含双氧水、高锰酸钾、高氯酸盐、高碘酸盐和高溴酸盐中的一种或几种；所述ph调节剂包括碳酸钠、碳酸氢钠、磷酸二氢钠、氢氧化钾、氢氧化钠、有机酸或有机碱中的一种或几种。

19.优选的，所述抛光时间为10min～10h；所述钒酸或偏钒酸离子和氧化剂的质量比为1:1～1:30；所述金属、螯合剂和氧化剂质量比为1:1:20～1:10:100；所述抛光液的ph值为2～11。

20.本发明提供了一种碳化硅晶片，由上述技术方案任意一项所述的表面处理方法处理得到。

21.与现有技术相比，本发明提供了一种碳化硅晶片的表面处理方法，碳化硅晶片包括a表面和b表面；其表面处理方法包括：a)将碳化硅a表面涂覆树脂膜，得到平整的a表面的碳化硅；b)将a表面固定，将b表面进行打磨；c)去除碳化硅a表面的树脂膜，固定打磨后的b面，将a面进行打磨，得到双面打磨的碳化硅晶片；d)将双面打磨的碳化硅晶片抛光，即得。采用上述方法制备的碳化硅单晶抛光片，表面翘曲度小于20μm,弯曲度小于10μm，平整度小于4μm，局部平整度小于1.5μm,表面粗糙度小于0.2nm。

附图说明

22.图1为本发明其中一个优选实施方式所述表面处理方法流程示意图；

23.图2(a)为切割片的翘曲度(warp)、弯曲度(bow)、面型(ttv和ltv)图，图2(b)是经过本发明其中一个优选实施方式加工后的晶片的翘曲度(warp)、弯曲度(bow)、面型(ttv和ltv)图；

24.图3为本发明实施例3的晶片表面粗糙度结果图；

25.图4为本发明实施例1的晶片表面结果图；

26.图5为本发明对比例1方法加后的晶片的翘曲度(warp)、弯曲度(bow)、面型(ttv和ltv)图；

27.图6为本发明对比例1方法加后的晶片表面粗糙度结果图。

具体实施方式

28.本发明提供了一种碳化硅晶片的表面处理方法，本领域技术人员可以借鉴本文内容，适当改进工艺参数实现。特别需要指出的是，所有类似的替换和改动对本领域技术人员来说是显而易见的，它们都属于本发明保护的范围。本发明的方法及应用已经通过较佳实施例进行了描述，相关人员明显能在不脱离本发明内容、精神和范围内对本文的方法和应用进行改动或适当变更与组合，来实现和应用本发明技术。

29.本发明提供了一种碳化硅晶片的表面处理方法，碳化硅晶片包括a表面和b表面；其表面处理方法包括：

30.a)将碳化硅a表面涂覆树脂膜，得到平整的a表面的碳化硅；

31.b)将a表面固定，将b表面进行打磨；

32.c)去除碳化硅a表面的树脂膜，固定打磨后的b面，将a面进行打磨，得到双面打磨的碳化硅晶片；

33.d)将双面打磨的碳化硅晶片抛光，即得。

34.本发明提供的碳化硅晶片包括a表面和b表面；上述定义仅仅是为了区别两个表面，对于具体不进行限定，也可以上述二者进行更换。

35.本发明提供的碳化硅晶片的表面处理方法首先将碳化硅a表面涂覆树脂膜，得到平整的a表面的碳化硅。

36.本发明所述树脂膜包括但不限于ht-140h-ua40-pc2、sb-145hm-nb-pl2a；本发明所述树脂膜的硬度为50-70hrd；所述树脂膜为填充弯曲的或凸凹起伏的碳化硅a表面至平整。

37.本发明所述树脂膜的强度大于吸附头的吸力，与碳化硅表面的结合力大于碳化硅与金刚石砂轮相对摩擦产生的横向力，从而保证了树脂膜在加工过程中不变形、不移动。

38.将a表面固定，将b表面进行打磨。

39.本发明所述固定具体为采用真空吸附的方法将碳化硅a面固定在吸附装置上。本发明对于所述吸附装置不进行限定，本领域技术人员熟知的吸附头即可。

40.吸附装置带动碳化硅晶片转动，与砂轮相对摩擦去除碳化硅晶片表面损伤层。

41.所述打磨优选为打磨至平整。

42.本发明所述打磨具体为采用树脂砂轮或金属结合剂砂轮中的一种或两种进行打磨；所述砂轮的目数优选为500～50000目；更优选为500～30000目；最优选为2000～20000目。

43.本发明所述吸附头转速优选为200～600rpm；更优选为300～500rpm；所述砂轮转速优选为500～3600rpm；更优选为1000～3500rpm；

44.去除碳化硅a表面的树脂膜。

45.所述去除碳化硅a表面的树脂膜的方法具体为：用紫外灯照射或烘烤。

46.其中，所述紫外灯照射的参数为使用波长100～350nm范围内的紫外光照射样品10～120s；消除胶膜的粘胶，使树脂膜从晶片表面分离。

47.所述烘烤的参数为60～90℃。使膜胶软化，之后将树脂膜从晶片表面分离。

48.本发明采用紫外灯照射或烘烤中的一种或两种结合的方法，将树脂膜从晶片表面去除干净。

49.固定打磨后的b面，将a面进行打磨，得到双面打磨的碳化硅晶片；

50.本发明所述打磨具体为采用树脂砂轮或金属结合剂砂轮中的一种或两种进行打磨；所述砂轮的目数优选为500～50000目；更优选为500～30000目；最优选为2000～20000目。

51.将双面打磨的碳化硅晶片抛光，即得。

52.传送双面平整的晶片到化学机械抛光工位，使用含有固结磨料的抛光布和含有催

化氧化剂络合物的抛光液，分别抛光碳化硅的c面和si面；

53.本发明所述抛光具体为采用抛光布在抛光液中进行抛光。

54.其中，所述抛光布为含有固结磨料的抛光布；所述固结磨料包括氧化硅、氧化铝、氧化铈和氧化锆中的一种或几种。

55.所述抛光液包括催化氧化剂络合物和ph调节剂；所述催化氧化剂络合物钒酸或偏钒酸离子和氧化剂的络合物，或金属、螯合剂和氧化剂的络合物；所述氧化剂包含双氧水、高锰酸钾、高氯酸盐、高碘酸盐和高溴酸盐中的一种或几种；所述ph调节剂包括碳酸钠、碳酸氢钠、磷酸二氢钠、氢氧化钾、氢氧化钠、有机酸或有机碱中的一种或几种。

56.所述抛光时间为10min～10h；所述钒酸或偏钒酸离子和氧化剂的质量比为1:1～1:30；优选为1：5-1：20。所述金属、螯合剂和氧化剂质量比优选为1:1:20～1:10:100；更优选为1：2：30-1：5：50。所述抛光液的ph值为2～11；

57.图1为本发明其中一个优选实施方式所述表面处理方法流程示意图。

58.本发明提供了一种碳化硅晶片，由上述技术方案任意一项所述的表面处理方法处理得到。

59.本发明对于上述处理方法已经有了清楚的描述，在此不再赘述。

60.本发明提供了一种碳化硅晶片的表面处理方法，碳化硅晶片包括a表面和b表面；其表面处理方法包括：a)将碳化硅a表面涂覆树脂膜，得到平整的a表面的碳化硅；b)将a表面固定，将b表面进行打磨；c)去除碳化硅a表面的树脂膜，固定打磨后的b面，将a面进行打磨，得到双面打磨的碳化硅晶片；d)将双面打磨的碳化硅晶片抛光，即得。采用上述方法制备的碳化硅单晶抛光片，表面翘曲度小于20μm,弯曲度小于10μm，平整度小于4μm，局部平整度小于1.5μm,表面粗糙度小于0.2nm。

61.为了进一步说明本发明，以下结合实施例对本发明提供的一种碳化硅晶片的表面处理方法进行详细描述。

62.实施例1

63.一种直径为150mm的高质量碳化硅单晶抛光片的制备方法，所述制备方法包括：

64.步骤1、使用三井公司生产的具有uv型粘合剂的树脂膜ht-140h-ua40-pc2，均匀涂敷在碳化硅切割片的a表面；

65.步骤2、用真空吸附的方法将平整的晶片a面固定在研磨设备的吸附头上，使用2000号金属结合剂的金刚石砂轮打磨b面至平整，具体加工参数为：吸附头转速300rpm，进给速度0.25μm/s，砂轮转速3000rpm,去除量30μm；之后用20000号金属结合剂的金刚石砂轮，继续去除b面的损伤层至最低，具体加工参数为：吸附头转速150rpm，进给速度0.2μm/s，砂轮转速2500rpm,去除量10μm；

66.步骤3、用紫外线照射碳化硅晶片a面的树脂膜，之后用机械剥离的方法去除树脂膜；

67.步骤4、晶片翻转，平整的晶片b面被吸附固定，用与步骤2同样的加工方式打磨a面至平整；

68.步骤5、使用含有二氧化硅磨料的抛光布，选择含有偏钒酸钠、双氧水和碳酸钠作为催化氧化剂络合物的抛光液，分别抛光碳化硅的c面和si面；偏钒酸钠的浓度为3g/l,30％up级双氧水的浓度为30％体积比；碳酸钠在碳化硅c面和si面抛光液中的浓度分别是

1.5g/l和0.5g/l；c面和si面的去除量分别为5um。

69.通过上述方法加工的碳化硅单晶抛光片可以达到如下指标：表面翘曲度小于20μm,弯曲度小于10μm，平整度小于4μm，局部平整度小于1.5μm,表面粗糙度小于0.2nm，大于0.1μm缺陷数量小于200个/片，

70.实施例2

71.一种直径为150mm的高质量碳化硅单晶抛光片的制备方法，所述制备方法包括：

72.步骤1、使用三井公司生产的具有非uv型粘合剂的树脂膜sb-145hm-nb-pl2a，均匀涂敷在碳化硅切割片的a表面；

73.步骤2、用真空吸附的方法将平整的晶片a面固定在研磨设备的吸附头上，使用1500号金属结合剂的金刚石砂轮打磨b面至平整，具体加工参数为：吸附头转速400rpm，进给速度0.3μm/s，砂轮转速3000rpm,去除量20μm；之后用30000号树脂结合剂的金刚石砂轮，继续去除b面的损伤层至最低，具体加工参数为：吸附头转速150rpm，进给速度0.25μm/s，砂轮转速2000rpm,去除量5μm；

74.步骤3、加热晶片a面的树脂膜，之后用机械剥离的方法去除树脂膜；

75.步骤4、晶片翻转，平整的晶片b面被吸附固定，用与步骤2同样的加工方式打磨a面至平整；

76.步骤5、使用含有氧化铈磨料的抛光布，选择含有铁、螯合剂和双氧水作为催化氧化剂络合物的抛光液，分别抛光碳化硅的c面和si面；铁的浓度为0.5g/l,30％up级双氧水的体积浓度为20％；c面和si面的去除量分别为3um。

77.通过上述方法加工的碳化硅单晶抛光片可以达到如下指标：表面翘曲度小于20μm,弯曲度小于10μm，平整度小于4μm，局部平整度小于1.5μm,表面粗糙度小于0.2nm，大于0.1μm缺陷数量小于200个/片，

78.实施例3

79.一种直径为200mm的高质量碳化硅单晶抛光片的制备方法，所述制备方法包括：

80.步骤1、使用三井公司生产的具有uv型粘合剂的树脂膜ht-140h-ua40-pc2，均匀涂敷在碳化硅切割片的a表面；

81.步骤2、用真空吸附的方法将平整的晶片a面固定在研磨设备的吸附头上，使用1000号金属结合剂的金刚石砂轮打磨b面至平整，具体加工参数为：吸附头转速200rpm，进给速度0.2μm/s，砂轮转速2000rpm,去除量50μm；之后用20000号金属结合剂的金刚石砂轮，继续去除b面的损伤层至最低，具体加工参数为：吸附头转速100rpm，进给速度0.2μm/s，砂轮转速1500rpm,去除量10μm；

82.步骤3、用紫外线照射碳化硅晶片a面的树脂膜，之后用机械剥离的方法去除树脂膜；

83.步骤4、晶片翻转，平整的晶片b面被吸附固定，用与步骤2同样的加工方式打磨a面至平整；

84.步骤5、使用含有氧化铝磨料的抛光布，选择含有铁、螯合剂和高锰酸钾作为催化氧化剂络合物的抛光液，分别抛光碳化硅的c面和si面；铁的浓度为0.3g/l,高锰酸钾的浓度为4g/升；c面和si面的去除量分别为10um。

85.通过上述方法加工的碳化硅单晶抛光片可以达到如下指标：表面翘曲度小于20μ

m,弯曲度小于10μm，平整度小于4μm，局部平整度小于1.5μm,表面粗糙度小于0.2nm，大于0.1μm缺陷数量小于200个/片，典型的测试结果如图2～4所示所示。其中图2(a)为切割片的翘曲度(warp)、弯曲度(bow)、面型(ttv和ltv)图，图2(b)是经过本发明其中一个优选实施方式加工后的晶片的翘曲度(warp)、弯曲度(bow)、面型(ttv和ltv)图。图3为本发明实施例3的晶片表面粗糙度结果图；图4为本发明实施例1的晶片表面结果图。由图可以看出经过本发明加工后的晶片，表面翘曲度(warp)、弯曲度(bow)、面型(ttv和ltv)得到良好的改善，表面粗糙度、划痕等质量良好。

86.对比例1

87.步骤1、用真空吸附的方法直接吸附直径为150mm的碳化硅切割片的a面，使用实施例1中相同的参数对b面进行打磨：即选择2000号金属结合剂的金刚石砂轮打磨晶片表面，吸附头转速300rpm，进给速度0.25μm/s，砂轮转速3000rpm,去除量30μm；之后用20000号金属结合剂的金刚石砂轮，继续去除b面的损伤层至最低，吸附头转速150rpm，进给速度0.2μm/s，砂轮转速2500rpm,去除量10μm；

88.步骤2、晶片翻转，晶片的b面被吸附固定，用与步骤1同样的加工方式打磨a面至平整；

89.步骤3、选择聚氨酯抛光垫，选择固含量为20％的二氧化硅颗粒做磨料、4g/升的高锰酸钾做氧化剂的抛光液，分别抛光碳化硅的c面和si面，c面和si面的去除量分别为5um。

90.通过对比例1方法加工的碳化硅单晶抛光片，对切割片面型没有改善作用，表面翘曲度39.877μm,弯曲度7.371μm，平整度5.284μm，局部平整度4.273μm,，且表面的切割锯纹在加工过程中被复制到晶片表面，如图5所示。晶片表面粗糙度小于0.2nm，但是表面有暗裂纹存在，即在抛光过程中新增了损伤层，如图6所示。

91.以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。技术特征：

1.一种碳化硅晶片的表面处理方法，其特征在于，碳化硅晶片包括a表面和b表面；其表面处理方法包括：a)将碳化硅a表面涂覆树脂膜，得到平整的a表面的碳化硅；b)将a表面固定，将b表面进行打磨；c)去除碳化硅a表面的树脂膜，固定打磨后的b面，将a面进行打磨，得到双面打磨的碳化硅晶片；d)将双面打磨的碳化硅晶片抛光，即得。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤a)所述树脂膜的硬度为50到70hrd；所述树脂膜为填充弯曲的或凸凹起伏的碳化硅a表面至平整。3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤b)所述打磨具体为采用树脂砂轮或金属结合剂砂轮中的一种或两种进行打磨；所述砂轮的目数为500～50000目；步骤c)所述打磨具体为采用树脂砂轮或金属结合剂砂轮中的一种或两种进行打磨；所述砂轮的目数为500～50000目。4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，步骤b)所述固定具体为采用真空吸附的方法将碳化硅a面固定在吸附装置上；吸附装置带动碳化硅晶片转动，与砂轮相对摩擦去除碳化硅晶片表面损伤层。5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述吸附头转速为200～600rpm；所述砂轮转速为500～3600rpm。6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤c)所述去除碳化硅a表面的树脂膜的方法具体为：用紫外灯照射或烘烤；所述紫外灯照射的参数为：使用波长100～350nm范围内的紫外光照射样品10～120s；所述烘烤的温度为60～90℃。7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤d)所述抛光具体为采用抛光布在抛光液中进行抛光；所述抛光布为含有固结磨料的抛光布；所述固结磨料包括氧化硅、氧化铝、氧化铈和氧化锆中的一种或几种。8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述抛光液包括催化氧化剂络合物和ph调节剂；所述催化氧化剂络合物钒酸或偏钒酸离子和氧化剂的络合物，或金属、螯合剂和氧化剂的络合物；所述氧化剂包含双氧水、高锰酸钾、高氯酸盐、高碘酸盐和高溴酸盐中的一种或几种；所述ph调节剂包括碳酸钠、碳酸氢钠、磷酸二氢钠、氢氧化钾、氢氧化钠、有机酸或有机碱中的一种或几种。9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述抛光时间为10min～10h；所述钒酸或偏钒酸离子和氧化剂的质量比为1:1～1:30；所述金属、螯合剂和氧化剂质量比为1:1:20～1:10:100；所述抛光液的ph值为2～11。10.一种碳化硅晶片，其特征在于，由权利要求1～9任意一项所述的表面处理方法处理得到。

技术总结

本发明提供了一种碳化硅晶片的表面处理方法，碳化硅晶片包括A表面和B表面；其表面处理方法包括：A)将碳化硅A表面涂覆树脂膜，得到平整的A表面的碳化硅；B)将A表面固定，将B表面进行打磨；C)去除碳化硅A表面的树脂膜，固定打磨后的B面，将A面进行打磨，得到双面打磨的碳化硅晶片；D)将双面打磨的碳化硅晶片抛光，即得。采用上述方法制备的碳化硅单晶抛光片，表面翘曲度小于20μm,弯曲度小于10μm，平整度小于4μm，局部平整度小于1.5μm,表面粗糙度小于0.2nm。小于0.2nm。

技术研发人员：郭钰 刘春俊 眭旭 张世颖 晁欢 彭同华 杨建

受保护的技术使用者：北京天科合达半导体股份有限公司

技术研发日：2021.12.30

技术公布日：2022/4/8