砂轮参数对SiC减薄工艺的影响

0 引言

SiC器件正面工艺完成后，需要用到减薄工艺 对衬底进行减薄加工，降低器件的导通电阻。尤 其对于600-1200V的中低压SiC器件，衬底电阻带 来的损耗影响了SiC器件的高效使用。同时，衬底 减薄还能降低封装体积、提升散射效率。常用的 减薄方式包括金刚石砂轮减薄、铸铁盘或树脂铁 盘研磨、CMP抛光。在这些工艺中，砂轮减薄具有 最高的去除效率和相对稳定的精度控制。然而， 由于SiC晶圆和砂轮成本都比较昂贵，如何降低减 薄过程中的破片率和砂轮损耗受到关注。

1 研究背景

实验原理与设备。本实验采用in-feed磨削原 理的减薄机进行工艺，晶圆减薄过程如图1所示。晶圆由真空吸盘带着自转，砂轮由减薄机主轴带 动反方向旋转，同时以一定速率向下进给，利用 砂轮的锋利度对晶圆进行磨削加工。该方法加工 过程中，砂轮只与晶圆的1/4区域接触，保证了减 薄过程中砂轮负载不受晶圆面积变化的影响。

实验所采用的设备如图2所示，主轴最大转速2 800rpm,主轴进给精度为0.1μm，最小进给速度 为0.1μm/s，真空吸盘最大转速300rpm。加工过程 中，冷却水会对主轴、砂轮、晶圆进行冷却，并对 晶圆表面进行清洗，避免减薄过程产生的热量以及 磨削的碎屑对工艺造成影响。设备具有自动在线测 厚功能，可以边加工边测量晶圆厚度。同时根据加 工量和主轴下降位置，计算出砂轮的损耗量。设备 自带负载实时监控功能，可以显示加工过程中的主 轴负载电流值，从而判断样品减薄过程中砂轮去除 样品的能力。负载值设置报警卡控线，超过卡控值 会报警，自动停止工艺。

实验过程。选用直径为150mm的SiC样品进行减 薄工艺，样品厚度为360±30μm。选取不同加工参 数的砂轮对样品进行减薄，对比砂轮参数对减薄效 果的影响。根据加工经验选择并优化工艺参数，对 比相同砂轮不同工艺参数对减薄的影响。

工艺步骤如下：（1）贴膜→测量样品厚度→ 工艺加工→量测厚度、测量粗糙度、记录砂轮损耗 值。（2）工艺加工过程中，实时观察主轴负载电流 值，根据主轴负载电流值优化工艺参数。

2 实验结果及分析

不同参数砂轮的加工效果及工艺参数优化。根 据经验值，选择初始减薄工艺参数如下：主轴转速 2 000rpm，真空吸盘转速277rpm，进给速率0.2μm/ s。工艺过程中，根据实际工艺情况调整主轴转速和 进给速率。主轴负载电流卡控值为45mA。

1#样品：砂轮使用传统金属结合剂，粒度 2000#，无人造孔隙，烧结温度500℃。采用经验 工艺参数进行减薄加工，砂轮与晶圆接触后负载电 流持续增加，10s钟内主轴负载电流超过报警值， 暂停工艺。取下晶圆检查外观和测试厚度。晶圆 表面有划痕，厚度几乎无变化。提高砂轮转速到 2500rpm,减薄进给速率降至0.1μm/s，重新进行 工艺加工，现象与上述相同。判断该砂轮无法减薄 SiC晶圆。

2#样品：砂轮使用传统金属结合剂，粒度 2000#，无人造孔隙，烧结温度500℃。在1#砂轮 基础上，加入一定比例脆性填料，如玻璃，氧化铝 等。采用经验工艺参数进行减薄加工，砂轮与晶圆 接触后负载电流变大，4min后主轴负载电流超过 报警值，暂停工艺，取下晶圆检查外观和测试厚 度。晶圆表面有划痕，厚度降低45μm。根据设备 补偿值计算，砂轮损耗3μm。提高砂轮转速到2 500 rpm,减薄进给速率降至0.1μm/s，重新进行工艺加 工，砂轮主轴负载电流在10s内超过报警值。判断 该砂轮无法减薄SiC晶圆。相对于1#砂轮，2#砂轮 略有改善。经过判断，认为锋利度不够可能是无法 减薄的主要原因，为3#砂轮的研制提供了思路。

3#样品：砂轮使用超细脆性金属结合剂，粒度 2000#，人造孔隙率60%以上，孔径120μm左右，烧 结温度500℃。采用经验工艺参数进行减薄加工， 加工一段时间后砂轮电流报警。加大主轴转速到 2500rpm进行工艺，主轴电流无报警，电流值波动 大，如图3所示。设置减薄100μm，实际减薄90μm SiC晶圆，砂轮损耗50μm。损耗比（砂轮损耗：晶 圆去除量）1:1.8，无法满足低成本生产要求。通 过该样品得出，砂轮是否可以减薄SiC，主要与人 造孔隙率相关。提高减薄转速砂轮可以减薄晶圆， 验证砂轮的锋利度，这是SiC减薄的关键因素。

4#样品：基于3#样品结果，砂轮使用超细脆 性金属结合剂，粒度2000#，人造孔隙率降低5%， 孔径70μm左右，烧结温度降低20%，烧结压力增 加50%。采用经验工艺参数进行减薄加工，砂轮电 流无报警，电流值波动稳定，如图4所示。设置减 薄100μm，实际减薄98μm，砂轮损耗5μm，损耗 比接近1:20。在此基础上，提高砂轮转速到2 500 rpm,砂轮进给速率0.5μm/s，主轴电流变大，有 安全隐患。降低进给速率到0.3μm/s，主轴电流稳 定。经过100片次晶圆减薄验证后，发现砂轮偶有打滑现象，晶圆表面偶尔出现表面纹路过深，甚至 晶圆破损。

5#样品：为了改善砂轮打滑，提高减薄稳定 性和减薄工艺质量，降低晶圆破损率，在4#样品基 础上进行砂轮改善。采用4#工艺，烧结压力较4#样 品降低10%。采用工艺参数为主轴转速2 500rpm， 进给速率0.3μm/s。砂轮电流无报警，电流值波 动稳定性提高，如图5所示。设置减薄100μm，实际减薄 98μm，砂轮损耗8μm，损耗 比接近1:13。长期使用砂轮 稳定性好，晶圆无破损，表面 纹路及粗糙度均满足要求。

结果分析。通过上述5个样品砂轮进行减薄工 艺，可以得出在砂轮金刚石目数（2000#）相同的 情况下，决定砂轮是否可以减薄SiC的关键因素是 锋利度，而锋利度与孔隙率密切相关。这是由于 SiC硬度大，在减薄过程中，金刚石锋利度逐渐降 低，砂轮脱落不及时会造成新的金刚石无法露出表 面，造成无法去除SiC，同时主轴负载增加过大。

实验中还得出，砂轮寿命和稳定性是一对矛盾 的因素。提高砂轮寿命，就要降低孔隙率，同时减 薄过程会出现打滑、减薄后晶圆表面质量差甚至碎 片的可能。通过实验发现，降低烧结压力可以在保 证减薄工艺稳定的情况下，略微降低砂轮寿命。比 起调节孔隙率，降低烧结压力更加容易实现。试验 中发现，烧结温度提高会降低砂轮的锋利度，降低 烧结温度有利于提高减薄工艺的稳定性。

3 结语

在SiC减薄工艺中，主轴减薄转速和进给速率 对于去除速率和减薄质量有着一定影响。砂轮参数 对于SiC减薄的有着决定性的影响。采用砂轮工艺 需要平衡砂轮锋利度（稳定性）和寿命的关系，合 适的砂轮孔隙率和烧结工艺决定了砂轮是否可以有 效去除SiC、减薄时砂轮的损耗和稳定性。对于不 同能力的机台，可以根据机台主轴功率、最大转速 和进给速率，选择合适的砂轮来兼顾生产效率、生 产质量和砂轮损耗。采用砂轮工艺进行SiC减薄， 控制砂轮稳定性和提高砂轮寿命是一对矛盾的关 系，为了开发某款型号设备的减薄砂轮，需要根据 设备能力和工艺参数，进行一系列的实验来平衡稳 定性和寿命的问题。

来源：工艺与制造

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