第7讲：SiC单晶衬底加工技术

SiC单晶是一种硬而脆的材料，切片加工难度大，磨削精度要求高，因此晶圆制造是一个长时间且难度较高的过程。本文介绍了几种SiC单晶的切割加工技术以及近年来新出现的晶圆制备方法。

将通过升华法制备的SiC单晶从坩埚中取出，经过多个加工工艺制成晶圆。图1展示了晶圆制造的大致工艺流程。SiC单晶（也称为SiC boule），首先确认其晶体方向，然后进行外圆磨削，加工成圆柱形晶体（有时称为SiC puck）。用于功率器件的n型SiC晶圆，其圆柱形晶体的上下表面通常是偏角为4°的{0001}平面。接下来，形成一个定向边或定向切口，用于指定晶片表面的晶体取向。在大口径的SiC晶圆中，通常倾向于采用定向切口。之后，将圆柱形的单晶SiC加工成薄片，多数情况下，采用多线切割法进行切片。多线切割是在切割线与SiC晶体之间放入磨粒，按压切割线的同时让其移动来进行切割。切割后的SiC板由于存在厚度分布不均匀以及表面凹凸等问题，需要进行平整化处理。在平整化过程中，首先通过研磨去除微米级以上的凹凸。在该阶段，由于磨粒的作用，表面上会留下细微的划痕和凹凸。接下来，通过精加工抛光去除微米级以下的凹凸，使表面达到镜面效果。与研磨相比，抛光使用的磨粒颗粒更小，并且在加工过程中会特别注意，避免在表面留下划痕，同时也不会在内部留下潜在的伤痕。

图1：SiC晶圆加工工艺概要（a）从坩埚中取出SiC晶锭；（b）外圆磨削；（c）形成定向边或定向切口；（d）多线切割形成切片；（e）研磨、抛光

经过抛光的晶圆外周通常会形成边缘，在碰到物体时非常容易破裂。因此，需要对晶圆的外周进行边缘研磨，以避免出现锐角。图2展示了磨边前后的外周部的剖面形状图。此外，关于边缘形状，行业协会已制定了相关标准。

图2：晶圆边缘在磨边前后的剖面形状图

SiC是一种非常硬的材料，常被用作各种材料加工时的磨粒，因此将SiC晶棒加工成晶圆是一个长时间且难度较高的过程，仍在不断尝试改良中。

作为切片加工的新尝试，有报道称有利用激光切片的方法。在这种技术中，激光束从圆柱形晶体的顶部照射，在SiC晶体内所需的切片深度处聚焦形成改质区，通过对整个表面进行扫描将改质区扩展为平面，然后剥离出薄片。一般使用多线切割进行切割时，会产生不可忽略的切口损耗，同时由于切割线的波动会导致凹凸不平，因此研磨量也会增加，导致浪费更多的晶体部分。相比之下，采用激光进行切片的方法，可以减少切口损耗，同时还能缩短加工时间，因此被视为一种有前景的技术。

此外，作为切片加工的另一种方法，正尝试在金属丝与SiC晶体之间施加电压，产生放电以进行切割，从而减少切口损耗，这种方法被称为金属丝放电切片加工。

作为一种与传统SiC单晶制备晶圆不同的方法，已有研究报告提出在异质衬底（支撑衬底）的表面上粘合SiC单晶薄膜来制备SiC晶圆。图3展示了粘合和剥离过程的工艺流程示意图。首先，氢离子等从SiC单晶的表面方向注入到剥离深度。在表面平坦的支撑衬底（多晶SiC等）上叠加SiC单晶的离子注入面，然后通过加压和升温将SiC单晶层转移至支撑衬底上，然后剥离。此后，SiC单晶将进行表面平坦化处理，并再次用于以上粘合过程。与SiC单晶相比，支撑衬底的成本较低，尽管目前仍有许多问题有待解决，但为了降低晶圆成本，开发仍在进行中。

图3：将单晶薄膜压到支撑衬底上的SiC晶圆制作流程

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