碳化硅（SiC）单晶衬底加工技术

SiC 单晶材料具有硬且脆的特性，这给它的切片加工带来了不小的难题，同时对磨削精度也提出了很高的要求。所以，晶圆制造往往是一个耗时较长且难度系数颇高的复杂过程。

本文将着重介绍几种应用于 SiC 单晶的切割加工技术，以及近年来新出现的一些晶圆制备方法。

首先，把通过升华法制备好的 SiC 单晶从坩埚中取出来，随后要历经多个加工工艺才能制成晶圆。下图呈现了晶圆制造大致的工艺流程。SiC 单晶（也叫做 SiC boule）在加工时，第一步要先确定其晶体方向，接着进行外圆磨削，将其加工成圆柱形晶体（有时候会被称作 SiC puck）。对于用于功率器件的 n 型 SiC 晶圆来说，其圆柱形晶体的上下表面通常是偏角为 4° 的 {0001} 平面。

之后，需要制作一个定向边或者定向切口，以此来明确晶片表面的晶体取向。在大口径的 SiC 晶圆加工过程中，往往更倾向于采用定向切口这种方式。再往后，要把圆柱形的单晶 SiC 加工成薄片，多数情况下会运用多线切割法来进行切片操作。多线切割的原理是，在切割线与 SiC 晶体之间放置磨粒，通过按压切割线并使其移动来实现切割。不过，经过切割后的 SiC 板会存在厚度分布不均匀以及表面凹凸不平等问题，所以还得进行平整化处理。

在平整化这一阶段，先是通过研磨的方式去除微米级以上的凹凸部分。但在研磨时，由于磨粒的作用，表面会残留一些细微的划痕和凹凸。接下来，则要通过精加工抛光来去除微米级以下的凹凸，让表面达到镜面效果。相较于研磨，抛光所使用的磨粒颗粒更小，并且在加工过程中会格外留意，避免在表面留下划痕，同时也不会在内部造成潜在的伤痕。

经过抛光后的晶圆，其外周通常会形成边缘，而这个边缘在碰到物体时很容易破裂。所以，为了避免出现锐角，还需要对晶圆的外周进行边缘研磨。下图展示了磨边前后外周部的剖面形状图，并且在行业内，关于边缘形状，相关协会已经制定了对应的标准。

由于 SiC 本身是一种硬度很高的材料，常常被用作各类材料加工时的磨粒，所以将 SiC 晶棒加工成晶圆着实是一个漫长又困难的过程，目前相关技术仍处于不断尝试改进的阶段。

在切片加工方面，有一些新的尝试值得关注。据报道，有一种利用激光切片的方法。具体操作是，让激光束从圆柱形晶体的顶部进行照射，使其在 SiC 晶体内所需的切片深度处聚焦形成改质区，接着通过对整个表面进行扫描，把改质区扩展成平面，最后将薄片剥离出来。一般采用多线切割进行切割时，会产生不可忽视的切口损耗，而且因为切割线的波动还会导致表面凹凸不平，进而使得研磨量增加，造成更多的晶体部分被浪费掉。与之相比，激光切片的方法不仅能够减少切口损耗，还能缩短加工时间，所以被视作一种很有发展前景的技术。

此外，还有一种切片加工的新方法正在尝试中，那就是在金属丝与 SiC 晶体之间施加电压，利用产生的放电现象来进行切割，通过这种方式可以减少切口损耗，这种方法被称为金属丝放电切片加工。

另外，有一种与传统 SiC 单晶制备晶圆不一样的方法也被提了出来。有研究报告指出，可以在异质衬底（也就是支撑衬底）的表面上粘合 SiC 单晶薄膜来制备 SiC 晶圆。上图展示了粘合和剥离过程的工艺流程示意图。先是将氢离子等从 SiC 单晶的表面方向注入到剥离深度，然后把 SiC 单晶的离子注入面叠加在表面平坦的支撑衬底（比如多晶 SiC 等）上，接着通过加压和升温的操作，将 SiC 单晶层转移至支撑衬底上，之后再进行剥离。此后，SiC 单晶还需要进行表面平坦化处理，处理好后又可以再次应用到上述的粘合过程中。与 SiC 单晶相比，支撑衬底的成本更低，尽管目前这种方法还存在很多有待解决的问题，但为了降低晶圆成本，相关的开发工作仍在持续推进当中。

来源：晶格半导体

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