一种高平整度、低损伤大直径单晶碳化硅衬底的制作方法

本发明涉及晶体材料加工技术领域，具体说是一种高平整度、低损伤大直径单晶碳化硅衬底。

背景技术：

单晶碳化硅是最重要的第三代半导体材料之一，因其具有禁带宽度大、饱和电子迁移率高、击穿场强大、热导率高等优异性质，在电力电子、射频器件、光电子器件等领域有着及其广泛的应用前景。

目前商品单晶碳化硅多使用pvt(物理气相沉积法)的生长方法，然后通过端面加工、多线切割、研磨、机械抛光、化学机械抛光、清洗封装、形成开盒即用的碳化硅衬底。由于单晶碳化硅莫氏为9.2，自然界中仅次于金刚石，对其进行物理加工难度非常高，而且碳化硅具有高的化学稳定性，如耐酸碱、耐氧化能力，这大大增加了化学机械抛光(cmp)的难度。化学机械抛光是目前唯一的一种全局平坦化抛光方法，使用的是化学抛光液，其中包含强氧化性的化学剂和作为磨料的颗粒。抛光过程中，化学作用和机械作用同时作用于晶片表面，去除晶片表面的损伤层。

鉴于碳化硅材料的加工难度，目前多使用初加工→砂线切割→游离磨料研磨→铜盘抛光→锡盘抛光→粗cmp→精cmp的方法，存在加工步骤过于繁琐、效率低、游离磨料在加工过程中难以清洗、一次通过率低、面型差(ttv/bow/warp)、亚表面损伤难以消除等问题。若加工完成后衬底表面存在损伤，会直接以三角形缺陷的方式蔓延至外延片表面，形成大量的不合格区。下一步制造芯片的过程中，这些不合格区会大大降低芯片良率，是影响芯片良率的首要因素。

现有技术由于使用砂线切割，这是一种类似于研磨的切削方式，切削力非常弱，使得加工效率大大降低；在游离磨料研磨过程中，游离磨料的大颗粒会导致深划痕的产生，下一道工序难以去除。铜盘锡盘是单面加工方法，由于盘面较软，盘面的平整度控制不好会严重影响晶片面型(ttv/ltv/bow/warp/)。

传统的碱性cmp加工一直存在表面质量和去除率的矛盾：用高硬度的磨料可以提高去除率，但会造成表面损伤；用低硬度的磨料可以获得高质量的表面，但是去除率非常低。最终获得的晶片表面，若存在损伤层，会对应用造成致命的影响。

技术实现要素：

针对现有技术中存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种高平整度、低损伤大直径单晶碳化硅衬底，所述衬底的表面粗糙度≤0.2nm，且无亚表面损伤层。通过本发明的制备方法制得的单晶碳化硅衬底的表面粗糙度、细小划痕die(不合格方块)占比、pit(凹坑)占比、bump(凸起)均较低，且面型数据好，厚度偏差小、弯曲度小、翘曲度小。

为达到以上目的，本发明采取的技术方案是：

一方面，本发明提供了一种高平整度、低损伤大直径单晶碳化硅衬底，所述衬底的表面粗糙度≤0.2nm，无亚表面损伤层。

进一步的，所述表面粗糙度≤0.10nm，所述衬底的细小划痕die占比＜10％、pit占比＜0.1个/cm²、bump占比＜0.1个/cm²。

更进一步的，所述表面粗糙度≤0.09nm，所述细小划痕die占比＜8％、pit占比＜0.08个/cm²、bump占比＜0.08个/cm²。

更进一步的，所述表面粗糙度≤0.07nm，所述细小划痕die占比＜6％、pit占比＜0.05个/cm²、bump占比＜0.05个/cm²。

更进一步的，所述表面粗糙度≤0.05nm，所述细小划痕die占比＜4％、pit占比＜0.03个/cm²、bump占比＜0.03个/cm²。

进一步的，所述衬底厚度小于500um。优选的，所述衬底厚度小于350um。更优选的，所述衬底厚度小于200um。更优选的，所述衬底厚度小于100um。更优选的，所述衬底厚度小于50um。

进一步的，所述衬底的直径是4英寸、6英寸和8英寸中的一种。优选的，所述衬底的直径是6英寸和8英寸中的一种。

进一步的，所述衬底的直径为4英寸，其面型数据：ttv(总厚度变化)＜5um，ltv(局部厚度变化)(1cm*1cm)＜2um，bow(弯曲度)＜20um，warp(翘曲度)＜40um。

优选的，面型数据：ttv＜3um，ltv(1cm*1cm)＜1.5um，bow＜15um，warp＜30um。更优选的，面型数据：ttv＜1um，ltv(1cm*1cm)＜1um，度bow＜10um，warp＜20um。更优选的，面型数据：ttv＜0.5um，ltv(1cm*1cm)＜0.5um，弯曲度bow＜5um，warp＜10um。更优选的，面型数据：ttv＜0.1um，ltv(1cm*1cm)＜0.08um，度bow＜2um，warp＜5um。更优选的，面型数据：ttv＜0.08um，ltv(1cm*1cm)＜0.08um，弯曲度bow＜0.5um，warp＜1um。

进一步的，所述衬底的直径为6英寸，其面型数据：ttv＜10um，ltv(1cm*1cm)＜2um，bow＜40um，warp＜60um。优选的，面型数据：ttv＜5um，ltv(1cm*1cm)＜1.5um，bow＜30um，warp＜50um。更优选的，面型数据：ttv＜3um，ltv(1cm*1cm)＜1um，bow＜20um，warp＜30um。更优选的，面型数据：ttv＜1um，ltv(1cm*1cm)＜0.5um，bow＜10um，warp＜15um。更优选的，面型数据：ttv＜0.15um，ltv(1cm*1cm)＜0.12um，bow＜3um，warp＜8um。更优选的，面型数据：ttv＜0.1um，ltv(1cm*1cm)＜0.1um，bow＜1um，warp＜2um。

进一步的，所述衬底的直径为8英寸，其面型数据：ttv＜10um，ltv(1cm*1cm)＜2um，bow＜50um，warp＜70um。优选的，面型数据：ttv＜6um，ltv(1cm*1cm)＜1.5um，bow＜40um，warp＜60um。更优选的，面型数据：ttv＜4um，ltv(1cm*1cm)＜1um，bow＜30um，warp＜50um。更优选的，面型数据：ttv＜2um，ltv(1cm*1cm)＜0.5um，bow＜20um，warp＜40um。更优选的，面型数据：ttv＜1um，ltv(1cm*1cm)＜0.5um，bow＜5um，warp＜10um；更优选的，面型数据：ttv＜0.5um，ltv(1cm*1cm)＜0.2um，bow＜3um，warp＜5um。

另一方面，本发明还提供了一种高平整度、低损伤大直径单晶碳化硅衬底的制备方法，所述衬底的制备方法包括如下步骤：对单晶碳化硅进行全固结磨料加工，然后再进行化学机械抛光处理，获得所述高平整度、低损伤单晶碳化硅衬底；其中，所述固结磨料加工包括线切割和砂轮研磨，在所述切割线上固结磨料颗粒，在所述砂轮上固结磨料颗粒。

进一步的，所述磨料颗粒选自氧化硅、氧化铝、氧化铈、碳化硅、碳化硼、氧化锆、金刚石中的一种或多种。

进一步的，在对单晶碳化硅进行钻石线切割之前，对所述单晶碳化硅还进行初加工，其中，初加工采用固结磨料加工方式。

进一步的，所述线切割具体为钻石线切割。

进一步的，在所述钻石线切割加工中使用的冷却液中添加磨料颗粒，其中，所述磨料颗粒在冷却液中的质量百分比浓度为2-10％。所述磨料颗粒可以是氧化铝、金刚石、碳化硼中的一种或多种。所述磨料颗粒的粒径为50-100nm。优选的，所述磨料颗粒的粒径为60-80nm。

进一步的，所述钻石线切割加工步骤中的切割线张力22-40n，线运行速度1200-1800m/min，摇摆角度1-10°，进刀速度5-15mm/h，钻石线直径0.12-0.28mm。优选的，所述钻石线切割加工步骤中的切割线张力30-40n，线运行速度1300-1600m/min，摇摆角度3-8°，进刀速度8-12mm/h，钻石线直径0.15-0.20mm。更优选的，所述钻石线切割加工步骤中的切割线张力33-38n，线运行速度1400-1500m/min，摇摆角度4-6°，进刀速度9-11mm/h，钻石线直径0.15-0.18mm。

钻石线切割方法的原理是：使用钻石线(通过金属镍)在槽轮之间形成一张等间距的线网，通过线网高速往复运动，达到切削效果。本发明在冷却液中添加一定浓度的磨料颗粒，颗粒可以是氧化铝、金刚石、碳化硼等，质量百分比浓度为2％～10％，结合了传统的砂浆切割方法和固结砂浆线切割方法，使得切削面粗糙度更低、刀痕率更低。

进一步的，所述砂轮研磨包括粗磨和精磨两个步骤。其中，所述粗磨中固结磨料是在研磨砂轮上固结了1000目-5000目的磨料颗粒；所述精磨中固结磨料是在研磨砂轮上固结了20000目-30000目的磨料颗粒。优选的，所述粗磨中固结磨料是在研磨砂轮上固结了2000目-4000目的磨料颗粒；所述精磨中固结磨料是在研磨砂轮上固结了25000目-30000目的磨料颗粒。更优选的，所述粗磨中固结磨料是在研磨砂轮上固结了3000目的磨料颗粒；所述精磨中固结磨料是在研磨砂轮上固结了28000目的磨料颗粒。

更进一步的，所述粗磨步骤的研磨砂轮的转速为1000-2000rpm、进刀速度为0.2-1um/s；所述精磨步骤的研磨砂轮的转速1000-2000rpm、进刀速度0.2-1um/s。优选的，所述粗磨步骤的研磨砂轮的转速为1300-1600rpm、进刀速度为0.6-0.8um/s；所述精磨步骤的研磨砂轮的转速1000-1200rpm、进刀速度0.4-0.6um/s。

所述砂轮研磨(grinding)的原理是：使用包含金刚石颗粒的树脂砂轮，对晶片进行单面加工。晶片低速转动，砂轮高速转动，不同目数的砂轮会得到不同的加工表面粗糙度。

进一步的，所述化学机械抛光具体为酸性化学机械抛光。

进一步的，所述酸性化学机械抛光处理步骤中使用的抛光液包括：磨料、氧化剂、水溶性酸性聚合物和ro水；其中，磨料的质量百分比浓度为1-30％；所述磨料选自氧化硅、氧化铝、钻石颗粒、氧化铈、碳化硅、碳化硼、氧化锆、金刚石中的一种或多种；所述氧化剂选自双氧水、高锰酸钾、硝酸、盐酸、高氯酸钾中的一种或多种；所述水溶性酸性聚合物选自羧基聚合物、磺酸基聚合物中一种或多种。

在抛光液中增加水溶性酸性聚合物，不仅能起到控制抛光液的ph值，还能起到维持抛光液分散稳定性的作用。增加水溶性酸性聚合物后，在进行化学机械抛光过程中，抛光液的ph值一直保持在2-4范围内，且磨料在抛光液中的分散均匀性基本不受影响，减少了产品抛光表面出现划痕和损伤的可能性。

更进一步的，所述抛光液中还可包括以下组分：缓蚀剂、粘度调节剂、表面活性剂、抗菌剂等。

更进一步的，所述酸性化学机械抛光处理步骤中的酸性化学机械抛光液的ph值2-4，转速20-50rpm，压力200-500g/cm²，料流量3-10l/min。优选的，所述酸性化学机械抛光处理步骤中的酸性化学机械抛光液的ph值2.5-3.5，转速25-45rpm，压力250-450g/cm²，料流量5-7l/min。更优选的，所述酸性化学机械抛光处理步骤中的酸性化学机械抛光液的ph值3.0-3.5，转速30-40rpm，压力300-400g/cm²，料流量6-7l/min。

本发明具有如下有益效果：

1.本发明采用全固结磨料加工方法，可以大幅度提升加工效率；固结磨料取代传统的游离磨料研磨和抛光，其优势在于磨料镶嵌在载体上，产生的嵌入划痕很浅，可以解决由于磨料聚集、磨料盘面镶嵌导致的划痕问题。固结磨料研磨，可以有效去除晶片表面高点，砂轮不易变形，加工出来的面型参数好，从而提高晶片平整度。

2.本发明采用砂轮固结磨料进行加工，所得的单晶碳化硅衬底具有较好的面型数据，具有较低的总厚度变化、局部厚度变化、弯曲度和翘曲度。

3.本发明采用酸性cmp加工方法，可以快速有效的去除grinding(研磨)工序造成的损伤，效率提升5-10倍，同时可以保证晶片表面粗糙度≤0.2nm。本发明制得的衬底无亚表面损伤层。

4.本发明的单晶碳化硅衬底的加工方法适用于2、3、4、6、8英寸衬底加工，衬底尺寸越大，优势越明显。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本发明的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为采用传统加工方法制得的单晶碳化硅衬底的afm表面形貌图

图2为采用本发明的方法制得的单晶碳化硅衬底的afm表面形貌图

图3为本发明的一种高平整度、低损伤单晶碳化硅衬底的制备方法的流程图

具体实施方式

为了更清楚的阐释本发明的整体构思，下面结合说明书附图以示例的方式进行详细说明。

一种高平整度、低损伤单晶碳化硅衬底的制备方法，所述制备方法包括：

步骤1、初加工：对单晶碳化硅衬底进行初加工；

步骤2、钻石线切割：使用钻石线对经步骤1初加工的单晶碳化硅进行切割，其中，切割线张力22-40n，线运行速度1200-1800m/min，摇摆角度1-10°，进刀速度5-15mm/h，钻石线直径0.12-0.28mm；

步骤3、砂轮研磨：在grinding(研磨)设备两个工位中分别安装两种目数的砂轮，作为粗磨和精磨，对经步骤2钻石线切割的单晶碳化硅进行研磨加工，其中，粗磨使用1000目-5000目砂轮，转速，进刀速度；精磨使用20000目-30000目砂轮，转速1000-2000rpm，进刀速度0.2-1um/s；

步骤4、酸性cmp加工：使用酸性化学机械抛光液对经步骤3砂轮研磨后的单晶碳化硅进行酸性cmp加工，酸性cmp加工过程中保持ph值为2-4，转速20-50rpm，压力200-500g/cm²，料流量3-10l/min。

实施例1

一种直径为100mm的高平整度、低损伤单晶碳化硅衬底的制备方法，所述制备方法包括：

步骤1、初加工：对单晶碳化硅衬底进行初加工；

步骤2、钻石线切割：使用钻石线对经步骤1初加工的单晶碳化硅进行切割，其中，切割线张力22n，线运行速度1200m/min，摇摆角度5°，进刀速度5mm/h，钻石线直径0.12mm；

步骤3、砂轮研磨：在grinding(研磨)设备两个工位中分别安装两种目数的砂轮，作为粗磨和精磨，对经步骤2钻石线切割的单晶碳化硅进行研磨加工，其中，粗磨使用1000目砂轮，转速，进刀速度；精磨使用20000目砂轮，转速1000rpm，进刀速度0.2um/s；

步骤4、酸性cmp加工：使用酸性化学机械抛光液对经步骤3砂轮研磨后的单晶碳化硅进行酸性cmp加工，酸性cmp加工过程中保持ph值为2，转速20rpm，压力200g/cm²，料流量5l/min。

由实施例1所得的直径为100mm的单晶碳化硅衬底，其技术参数如下：

表面粗糙度为0.05nm，无亚表面损伤层，细小划痕die占比为5％，pit占比为0.05个/cm²，bump占比为0.05个/cm²。

面型数据为：ttv为2um，ltv(1cm*1cm)为1.5um，弯曲度bow为15um，warp为30um。

实施例2

一种直径为100mm的高平整度、低损伤单晶碳化硅衬底的制备方法，所述制备方法包括：

步骤1、初加工：对单晶碳化硅衬底进行初加工；

步骤2、钻石线切割：使用钻石线对经步骤1初加工的单晶碳化硅进行切割，其中，切割线张力40n，线运行速度1800m/min，摇摆角度10°，进刀速度15mm/h，钻石线直径0.28mm；

步骤3、砂轮研磨：在grinding(研磨)设备两个工位中分别安装两种目数的砂轮，作为粗磨和精磨，对经步骤2钻石线切割的单晶碳化硅进行研磨加工，其中，粗磨使用5000目砂轮，转速，进刀速度；精磨使用30000目砂轮，转速2000rpm，进刀速度1um/s；

步骤4、酸性cmp加工：使用酸性化学机械抛光液对经步骤3砂轮研磨后的单晶碳化硅进行酸性cmp加工，酸性cmp加工过程中保持ph值4，转速50rpm，压力500g/cm²，料流量5l/min。

由实施例2所得的直径为100mm的单晶碳化硅衬底，其技术参数如下：

表面粗糙度为0.08nm，无亚表面损伤层，细小划痕die占比为4％，pit占比为0.03个/cm²，bump占比为0.03个/cm²。

面型数据为：ttv为1.5um，ltv(1cm*1cm)为1.1um，弯曲度bow为10um，warp为20um。

实施例3

一种直径为150mm的高平整度、低损伤单晶碳化硅衬底的制备方法，所述制备方法包括：

步骤1、初加工：对单晶碳化硅衬底进行初加工；

步骤2、钻石线切割：使用钻石线对经步骤1初加工的单晶碳化硅进行切割，其中，切割线张力30n，线运行速度1500m/min，摇摆角度5°，进刀速度10mm/h，钻石线直径0.15mm；

步骤3、砂轮研磨：在grinding(研磨)设备两个工位中分别安装两种目数的砂轮，作为粗磨和精磨，对经步骤2钻石线切割的单晶碳化硅进行研磨加工，其中，粗磨使用3000目砂轮，转速，进刀速度；精磨使用25000目砂轮，转速1500rpm，进刀速度0.5um/s；

步骤4、酸性cmp加工：使用酸性化学机械抛光液对经步骤3砂轮研磨后的单晶碳化硅进行酸性cmp加工，酸性cmp加工过程中保持ph值为3，转速30rpm，压力300g/cm²，料流量8l/min。

由实施例3所得的直径为150mm的单晶碳化硅衬底，其技术参数如下：

表面粗糙度为0.08nm，无亚表面损伤层，细小划痕die占比为6％，pit占比为0.06个/cm²，bump占比为0.05个/cm²。

面型数据为：ttv为3um，ltv(1cm*1cm)为1.8um，弯曲度bow为17um，warp为25um。

实施例4

一种直径为150mm的高平整度、低损伤单晶碳化硅衬底的制备方法，所述制备方法包括：

步骤1、初加工：对单晶碳化硅衬底进行初加工；

步骤2、钻石线切割：使用钻石线对经步骤1初加工的单晶碳化硅进行切割，其中，切割线张力35n，线运行速度1600m/min，摇摆角度5°，进刀速度12mm/h，钻石线直径0.15mm；

步骤3、砂轮研磨：在grinding(研磨)设备两个工位中分别安装两种目数的砂轮，作为粗磨和精磨，对经步骤2钻石线切割的单晶碳化硅进行研磨加工，其中，粗磨使用3000目砂轮，转速，进刀速度；精磨使用25000目砂轮，转速1500rpm，进刀速度0.6um/s；

步骤4、酸性cmp加工：使用酸性化学机械抛光液对经步骤3砂轮研磨后的单晶碳化硅进行酸性cmp加工，酸性cmp加工过程中保持ph值为2.5，转速40rpm，压力400g/cm²，料流量6l/min。

由实施例4所得的直径为150mm的单晶碳化硅衬底，其技术参数如下：

表面粗糙度为0.01nm，无亚表面损伤层，细小划痕die占比为5％，pit占比为0.03个/cm²，bump占比为0.03个/cm²。

面型数据为：ttv为1.4um，ltv(1cm*1cm)为0.9um，弯曲度bow为9um，warp为16um。

实施例5

一种直径为200mm的高平整度、低损伤单晶碳化硅衬底的制备方法，所述制备方法包括：

步骤1、初加工：对单晶碳化硅衬底进行初加工；

步骤2、钻石线切割：使用钻石线对经步骤1初加工的单晶碳化硅进行切割，其中，切割线张力35n，线运行速度1500m/min，摇摆角度4°，进刀速度10mm/h，钻石线直径0.154mm；

步骤3、砂轮研磨：在grinding(研磨)设备两个工位中分别安装两种目数的砂轮，作为粗磨和精磨，对经步骤2钻石线切割的单晶碳化硅进行研磨加工，其中，粗磨使用3000目砂轮，转速，进刀速度；精磨使用25000目砂轮，转速1500rpm，进刀速度0.6um/s；

步骤4、酸性cmp加工：使用酸性化学机械抛光液对经步骤3砂轮研磨后的单晶碳化硅进行酸性cmp加工，酸性cmp加工过程中保持ph值2，转速35rpm，压力400g/cm²，料流量8l/min。

由实施例5所得的直径为200mm的单晶碳化硅衬底，其技术参数如下：

表面粗糙度为0.01nm，无亚表面损伤层，细小划痕die占比为9％，pit占比为0.03个/cm²，bump占比为0.02个/cm²。

面型数据为：ttv为3.5um，ltv(1cm*1cm)为2.3um，弯曲度bow为24um，warp为35um。

对比例1

图1显示了采用传统加工方法制得的单晶碳化硅衬底的表面10um*10umafm表面形貌图，从afm表面形貌图上看，所得衬底的表面具有较多的划痕和较大的粗糙度，表面存在损伤层。图2显示了采用本发明的方法制得的单晶碳化硅衬底的表面10um*10umafm表面形貌图，从afm表面形貌图上看，所得衬底的表面几乎无划痕，表面均匀性较好，粗糙度低，表面不存在损伤层。

对比例2

针对钻石线切割过程中的冷却液中加与不加磨料所得到的切割片的表面粗糙度和刀痕率进行了测试。测试结果显示，冷却液中不添加磨料，切割片表面粗糙度未500-700nm，刀痕率5％-10％；冷却液中添加磨料后，切割片表面粗糙度200-400nm，刀痕率＜5％。

钻石线切割的切削速率比砂线切割的切削速率提高5-10倍。

本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。以上所述仅为本发明的实施例而已，并不用于限制本发明。对于本领域技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的权利要求范围之内。