中国粉体网讯 近期，SiC晶圆研磨抛光材料头部企业中机新材与知名SiC衬底厂商南砂晶圆签订了战略合作框架协议。这一举动可以看出，目前在碳化硅的“疯狂”之下，对SiC晶圆加工环节同样重视且需求巨大。
来源：中机新材实验室
衬底大型化可增加单批次芯片产量和降低边缘损耗，是碳化硅降本的核心。同规格器件使用8寸的衬底制作成本要比6寸的降低一半以上。近几年，SiC在电动车主驱上的渗透迅猛，导致市场对8英寸SiC衬底的需求更为迫切，6英寸向8英寸转换的时机也大大提前，海外客户的意向几乎都集中在8英寸SiC衬底方面。同时，国内厂商也在8英寸SiC赛道不断追赶国际龙头。
整体来看，目前生长8英寸SiC单晶的技术已经逐渐成熟，但在磨抛等后道工序还存在技术难点，目前业内8英寸SiC衬底磨抛良率仅为40-50%。
磨抛有多难？
首先，碳化硅材料硬度高、脆性大、化学性质稳定，加工难度极大。生长成碳化硅晶锭后需要借助X射线单晶定向仪定向再磨平、滚磨成标准尺寸的碳化硅晶棒。晶棒要制成SiC单晶片，还需要以下几个阶段：切割—粗研—细研—抛光，简称切抛磨。
晶体生长后需经历晶体加工和晶片加工
来源：创力
切割是碳化硅晶棒第一道加工工序，决定了后续研磨、抛光的加工水平，切片后需要使用全自动测试设备进行翘曲度（Warp）、弯曲度（Bow）、厚度变化（TTV）等面型检测。
而切割片存在损伤层，需要通过磨削、研磨、抛光和清洗环节提高表面质量和精度。碳化硅衬底难加工的材料特性叠加其大尺寸化、超薄化的放大效应，给现有的加工技术带来了巨大的挑战，高效率、高质量的碳化硅衬底加工技术成了当下的研究热点。
具体来讲，其一，晶圆尺寸增加，磨抛环节更容易受到应力影响，良率不易控制；其二，厚度越来越薄，对磨抛要求也再提高；其三，在切割过程中，如采用激光剥离技术，衬底片切割时损伤层容易加深且不稳定，一般在50μm左右，磨抛负担较大，如采用减薄砂轮，损耗比例为1:1；其四，若采用双抛工艺，仍需要4台设备，工序多且综合成本较高，采用减薄工艺，虽减少工序但减薄砂轮价格较高，损耗较高，且减薄过程中衬底片处于真空条件下，不利于整体弯曲程度、WARP的修复。
研磨液市场达10亿元
研磨的目的是去除切割过程中造成的SiC切片表面的刀痕以及表面损伤层。由于SiC的高硬度，研磨过程中必须使用高硬度的磨料（如碳化硼或金刚石粉）研磨SiC切片的晶体表面。
研磨根据工艺的不同可分为粗磨和精磨。粗磨主要是去除切割造成的刀痕以及切割引起的变质层，使用粒径较大的磨粒，提高加工效率；精磨主要是去除粗磨留下的表面损伤层，改善表面光洁度，并控制表面面形和晶片的厚度，利于后续的抛光，因此使用粒径较细的磨粒研磨晶片。
为获得高效的研磨速率，目前SiC单晶衬底研磨液选择聚晶（堆积）金刚石研磨液，兼具磨除率高和加工工件表面光洁度好的优点。聚晶磨料是用粘接剂把细颗粒磨料粘接起来，通过烧结而成的磨料聚集体，三要素为磨料、气孔和结合剂，形状有球形、条形、近球形等。球形和类球形团聚磨料的形貌规则，切削刃分布均匀，使用这类磨料加工工件时，能显著的降低工件表面粗糙度，在实际中使用更广泛。
根据天科合达公布的数据（天岳先进直接采购金刚石微粉，辅以自身配方进行生产），2018年、2019年、2020年1-3月，天科合达研磨液成本分别占到碳化硅衬底生产总成本的16.6%、16.8%和15.5%，三年平均占比为16.3%。假设至2027年，全球碳化硅衬底需求量超300万片，则对应碳化硅研磨液市场规模超10亿元。
小抛光，大难题
抛光作为SiC晶圆生产链的最后一环，其加工后的晶圆表面质量会直接影响所生产的半导体器件的性能。
干法和湿法的抛光工艺路线
其中，抛光又分为粗抛和精抛。粗抛的目的是将衬底表面粗糙度加工至纳米级别；精抛是碳化硅衬底晶片制作的最后一步工艺，其直接关系到加工之后的衬底能否投入生产。精抛的目的是进一步改善碳化硅衬底的表面质量，得到超光滑表面质量 的晶片，通常要求表面粗糙度低于0.2 nm以下。
然而SiC具有的极高硬度和很强的化学稳定性给SiC的无损高质量抛光带来了极大的挑战。碳化硅的莫氏硬度达到9.25-9.5，用传统的CMP抛光移除材料1-2μm深度，需要数十小时才能完成，不仅影响产能，也导致成本居高不下。据台湾工研院测算，碳化硅晶圆制造成本约占售价的一半，而硅晶圆只需26%。
碳化硅晶圆与硅晶圆成本构成对比
获得超光滑表面碳化硅晶片的抛光方式中，包括电化学抛光(ECMP)、摩擦化学抛光(TCP)、化学机械抛光(CMP)等，其中化学机械抛光将化学抛光技术和机械抛光技术相结合，是当前国际上公认，可实现全局平坦化和超光滑无损伤纳米级表面的加工方式。
CMP的抛光效果主要受工艺参数、抛光液、抛光垫三方面参数的影响。抛光液和抛光垫是CMP的主要耗材，控制优化其性能以保证可重复的抛光效率对于工艺稳定性至关重要。其中，抛光液是化学机械抛光技术的核心，因此它带来的影响是决定性的。目前，常用于CMP抛光液中的氧化剂主要是H2O2和KMnO4，磨粒主要有SiO2、CeO2和Al2O3。同时，对抛光液进行改良，研发具备自催化作用的抛光垫，是未来CMP耗材的研究方向。
小结
目前，主要是通过单面磨削和化学机械抛光的方式实现大尺寸碳化硅衬底的磨抛加工，但是较低的良品率以及加工效率是其亟待解决的难题。未来碳化硅衬底磨抛加工技术的发展将集中在工艺参数的优化、新磨料及抛光液的研究、加工设备的自动化和智能化发展、环保加工方法的开发、多尺度磨抛加工以及跨学科研究等方面。
来源：
行家说三代半：该环节良率仅有50%，8英寸SiC如何破局?
冯玢等：碳化硅衬底精密加工技术
罗求法等：碳化硅衬底磨抛加工技术的研究进展与发展趋势
碳化硅芯观察：聚焦|克服那个碳化硅晶片抛光难题
（中国粉体网编辑整理/空青）
注：图片非商业用途，存在侵权告知删除
