半導(dǎo)體切割-研磨-拋光工藝簡介

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切割工序

SiC襯底切割是將晶棒切割為晶片，切割方式有內(nèi)圓和外圓兩種。由于SiC價(jià)格高，外圓、內(nèi)圓刀片厚度較大，切割損耗高、生產(chǎn)效率低，加大了襯底的成本。直徑較大的晶體，內(nèi)圓、外圓切割會(huì)造成刀具變形和振動(dòng)，影響加工質(zhì)量，所以大直徑的單晶內(nèi)圓和外圓不是首選。

多線切割使用的是電鍍金剛石的鋼線（又稱為鉆石線），鉆石線高速運(yùn)動(dòng)（500m/min），在偏轉(zhuǎn)輥、收線輥、放線輥和測量輥等 的牽引下圍繞線軸形成一張線網(wǎng)，對上方或者下面的晶棒切割，從而實(shí)現(xiàn)多線切割，其示意圖如下圖所示。

鉆石線的直徑有150-300um（一片SiC襯底的厚度在300um左右，意味著用線鋸來切，切一片就要損耗一片，這也是影響良率的關(guān)鍵因素之一），。在切割過程中需要保證鉆石線隨線軸擺動(dòng)在一個(gè)非常小的角度范圍內(nèi)，切割過程中減小左右振動(dòng)，就可以保證切割的效率、良率以及切割過后表面的平整度。

研磨工序

除去切片過程中造成的表面損傷層，提高表面質(zhì)量并盡量減少對襯底造成的表面損傷與變質(zhì)。SiC硬度高，除去其表面損傷層就要用硬度更高的碳化硼或金剛石微粉。

根據(jù)工藝的不同磨削可以分粗磨和精磨，粗磨主要是提高加工效率，使用較大的磨粒; 而精磨是以提高表面質(zhì)量、降低表面損傷層為目的，因此使用粒徑更小的磨粒。

在下壓力作用下，首先使工件發(fā)生塑性形變，荷載的增加會(huì)導(dǎo)致垂直方向微裂紋的出現(xiàn)，進(jìn)而再產(chǎn)生橫向微裂紋，當(dāng)作用力達(dá)到某一數(shù)值時(shí)，裂紋擴(kuò)展導(dǎo)致表面碎屑的脫落，進(jìn)而達(dá)到加工目的，如圖下圖所示。

研磨有單面磨和雙面磨，單面磨一次只能磨削襯底的一個(gè)面，雙面研磨具有上、下兩個(gè)研磨盤，可以同時(shí)研磨襯底的兩個(gè)面。單面磨、雙面磨的表面粗糙度與使用的磨粒及研磨液有關(guān)，不同加工方式導(dǎo)致工件翹曲度和平面度不同。

單面磨，襯底用蠟粘在鋼盤上，通過施加壓力，襯底基片發(fā)生微變形，上表面被壓平; 經(jīng)過磨削過程后， 下表面被磨平; 去除壓力之后， 襯底發(fā)生微變形， 上表面基本恢復(fù)到原來的形狀， 造成被磨平的下表面也發(fā)生變形， 這就造成了兩個(gè)表面發(fā)生翹曲變形，平面度變差，變形過程如下圖。

為保證加工襯底的表面質(zhì)量，進(jìn)行雙面研磨之前上、下研磨盤具有非常高的平面度。雙面研磨盤首先施壓工件最高點(diǎn)，使該處發(fā)生變形并逐漸被磨平，高點(diǎn)被逐漸磨平后，襯底所受壓力逐漸減小，襯底均勻受力，使各處變形一致，這樣上、下表面都被磨平。研磨完成后去除壓力，各處由于受相同壓力作用，恢復(fù)的程度也相同，這樣能實(shí)現(xiàn)非常小的翹曲變形，平面度也較好，工作過程如下圖所示。雙面研磨可以改善SiC襯底的翹曲度與平面度。

拋光工序

SiC襯底一般使用化學(xué)機(jī)械拋光法（CMP：Chemical Mechanical Polishing）。在經(jīng)過研磨去除量達(dá)到一定程度的情況下，微小磨粒的在加工液中產(chǎn)生拋光切削作用，通過工件與轉(zhuǎn)軸的相互作用，產(chǎn)生更細(xì)的微裂紋，滿足粗糙度要求，加工原理如下圖所示。

SiC襯底拋光的設(shè)備類同于研磨，但是使用的拋光液不同。由于SiC化學(xué)性質(zhì)非常穩(wěn)定，常溫下很難與其他化學(xué)物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)，這使得SiC襯底在拋光過程中化學(xué)作用比較微弱， 因此拋光液中磨粒不能太過鋒利， 否則會(huì)繼續(xù)劃傷襯底， 故經(jīng)常使用硬度比其小的二氧化硅溶膠。

根據(jù)需要選擇粗、精拋兩種工藝。質(zhì)硬拋光墊可以獲得較好的平面度，質(zhì)軟拋光墊可以獲得較好的表面質(zhì)量，所以粗拋光使用聚氨酯拋光墊與金剛石拋光液， 以提高拋光效率; 精拋光使用軟質(zhì)瀝青拋光墊和二氧化硅拋光液，以提高表面質(zhì)量， 兩者配合使用可在獲得較高效率的同時(shí)取得納米級甚至更小的表面粗糙度。

研磨拋光液

拋光研磨液是拋光研磨技術(shù)中的重要組成部分，在加工過程中，其不僅具有磨削去除作用，還具備拋光工件的作用。拋光研磨液的組成包括：固相磨料和液相介質(zhì)，其中液相介質(zhì)一般包含：去離子水或油（由使用性決定）、分散劑、改性劑、表面活性劑等。研磨精度由磨料粒度決定，不同的研磨精度適用不同的加工需要。下表介紹了不同研磨精度與磨料粒度之間的關(guān)系[5]。

加工工件在液體加工液中進(jìn)行，促使磨料顆粒與加工工件作用，從而達(dá)到去除表面微量金屬的目的，最終使工件達(dá)到符合要求的加工精度與粗糙度。傳統(tǒng)的研磨拋光通常是根據(jù)不同的加工條件選擇不同的磨料（性質(zhì)、粒度等不同），將加工工件置于研磨墊或拋光盤上，用夾具裝置固定工件，再對工件施加一定的壓力，機(jī)床的主軸旋轉(zhuǎn)從而帶動(dòng)磨盤進(jìn)行行星轉(zhuǎn)動(dòng)，磨盤與加工工件間的相對運(yùn)動(dòng)以及游離磨料的切削作用會(huì)使工件表面去除微薄量的材料，從而達(dá)到加工的目的，拋光過程的加工示意圖如下圖所示。

材料的去除率主要取決于游離的磨料作用，因此選擇合適的磨料是制備精密拋光研磨制品的關(guān)鍵因素。磨料相對加工工件的硬度對磨料在磨削過程中的作用機(jī)制有著重要影響，因此磨料大多選擇具有高強(qiáng)度和高硬度的SiC、金剛石、立方氮化硼（CBN）等。

磨料的粒徑大小直接影響磨粒的壓強(qiáng)及其切入工件的深度，大粒徑磨粒壓強(qiáng)大，機(jī)械去除作用強(qiáng)，材料去除率較高，因此粒徑較大的磨粒容易在拋光表面產(chǎn)生殘留劃痕甚至裂紋；小粒徑磨粒，去除率較小容易獲得較好的拋光表面質(zhì)量。因此在研磨段的粒徑相對于拋光的粒徑要大，粗磨>精磨>粗拋>精拋，不同的加工精度有不同的要求。相關(guān)文獻(xiàn)指出：當(dāng)磨料粒度在小范圍內(nèi)呈正態(tài)均勻分布時(shí)，所制備漿料的懸浮穩(wěn)定性和分散穩(wěn)定性會(huì)提高，因此合理的顆粒級配也是制備精密拋光研磨液的重要參數(shù)。

拋光研磨液具備以下幾點(diǎn)作用：

懸浮作用：游離磨料的加入要求研磨液具有良好的懸浮性，保證磨料分布均勻并在一定使用時(shí)間內(nèi)不產(chǎn)生絮凝或沉淀，從而大大提高研磨加工的質(zhì)量和效率。加工過程中，研磨液會(huì)吸附在固體顆粒表面上，進(jìn)而產(chǎn)生足夠高的位壘，使顆粒均勻分散以達(dá)到分散、懸浮的特性。

潤滑作用：研磨液提供的液體環(huán)境能減少磨粒、磨屑與工件表面之間的摩擦，起到潤滑的作用。通過在研磨液中添加部分活性元素硫、氯等極壓添加劑來提高耐高壓能力。類似含極壓元素的化合物適合在邊界條件潤滑狀態(tài)較好的情況下，進(jìn)行高溫、高壓的研磨加工，能夠有效的防止工件的表面粗糙度的惡化，從而降低損傷程度。

冷卻作用：研磨液在加工過程中能滲入高溫研磨區(qū)域內(nèi)，有效降低研磨區(qū)溫度，防止工件表面燒傷和裂紋的產(chǎn)生。研磨液的冷卻性能與它的導(dǎo)熱性能、對工件表面潤濕性以及供液方式緊密相關(guān)。實(shí)際加工過程中，努力降低研磨液表面張力，提高滲透性和潤滑性，可獲得比較理想的液體。

清洗作用：在研磨加工時(shí)，會(huì)產(chǎn)生大量細(xì)碎的磨屑和磨粒粉末，容易粘附在磨床工件臺表面上，從而影響研磨墊表面質(zhì)量，降低機(jī)床精度。研磨液的液體環(huán)境，可以通過其流動(dòng)性帶走多余的碎屑，又同時(shí)保證了工件與磨床接觸面的光潔程度。

防銹功能：研磨設(shè)備多為金屬材質(zhì)，在空氣中或者溶液中會(huì)發(fā)生氧化生銹的現(xiàn)象。所以要求研磨液具備一定的防銹蝕能力，因此制備研磨液時(shí)，需要考慮其本身的防銹性能以及加入表面活性劑的防銹作用。

抗氧化安定性：對于油基磨削液中，需要考慮所用基礎(chǔ)油的氧化安定性能。通常情況下，油品與空氣接觸容易導(dǎo)致氧化，這種變化是不可逆的，會(huì)影響酸度、粘度、顏色，導(dǎo)致沉淀的產(chǎn)生大大影響使用性能。