一种减薄碳化硅片的方法、装置及其应用与流程

本申请涉及碳化硅圆片制备领域，特别是涉及一种减薄碳化硅片的方法、装置及其应用。

背景技术：

碳化硅(sic)作为新一代的宽禁带半导体材料，在功率半导体领域具有极其优异的性能表现，是功率半导体器件发展的前沿和未来方向。sic(碳化硅)是一种由硅(si)和碳(c)构成的化合物半导体材料，具有优越的电学性能：例如，禁带宽度为2.3～3.3ev，是si的3倍；击穿场强为0.8e16～3e16v/cm，是si的10倍；饱和漂移速度为2e7cm/s，是si的2.7倍；热导率为4.9w/cmk，约是si的3.2倍。这些特性使碳化硅材料有禁带宽度大、击穿场强高、热导率大、饱和速度大、最大工作温度高等优良特性，从而使得碳化硅电子器件可以在高电压、高发热量、高频率的环境下工作。因此，碳化硅被认为是制作高功率电子器的最佳材料；与砷化镓、硅等材料相比，碳化硅在高压、高温方面有压倒性的优势。

目前通用的碳化硅圆片包括2英寸、3英寸、4英寸、6英寸等等。在碳化硅半导体生产制造的过程中，特别是碳化硅功率半导体产品的制造过程后段，都会进行背面减薄背金工艺；但是，对于碳化硅圆片或碳化硅片目前尚没有有效的减薄方案。类似的减薄方法是，硅圆片的减薄加工，但是该方案并不适用于碳化硅圆片。因为，现有的硅片减薄加工采用的是机械减薄方法，即采用二氧化硅材质的磨头对硅片进行磨削减薄；但是，二氧化硅磨头的硬度低于碳化硅圆片，所以如果参考硅片减薄的方法，进行机械减薄，不仅无法得到满意的减薄效果，同时硅圆片的减薄磨头还会报废，极大的提高了碳化硅圆片产品的生产成本。

因此，目前尚没有简单有效的碳化硅片减薄方法，不利于碳化硅圆片的制备和后期加工。

技术实现要素：

本申请的目的是提供一种新的减薄碳化硅片的方法、装置及其应用。

本申请采用了以下技术方案：

本申请的一方面公开了一种减薄碳化硅片的方法，包括以下步骤，

沉积步骤，包括在碳化硅片的背面沉积金属层；优选为纯铝层；

热反应步骤，包括将沉积金属层的碳化硅片在惰性气氛下进行高温热处理；

贴膜保护步骤，包括在碳化硅片正面粘贴保护膜；

酸腐蚀步骤，包括采用酸性溶液对贴保护膜的碳化硅片进行浸泡；

水洗步骤，包括对酸性溶液浸泡的产物进行水冲洗，并干燥；

机械磨削步骤，包括采用磨头对酸腐蚀和水洗后的碳化硅片的背面进行磨削，使碳化硅片减薄；

去保护膜步骤，包括去除粘贴在碳化硅片正面的保护膜。

需要说明的是，本申请的关键在于利用金属层中的金属与碳化硅中的硅在高温下发生互溶反应的特征，对碳化硅进行减薄；具体来说，热反应步骤金属层中的金属会与碳化硅表层的硅发生互溶反应，金属进入碳化硅表层中替换其中的硅，硅则进入金属层中，而碳则析出为碳层，替换硅的金属均匀分散于碳层中；经过酸腐蚀步骤将金属和互溶出来的硅洗除，在碳化硅表层剩余碳层；由于碳的硬度较小，因此可以再采用常规的机械磨削方法将碳层去掉，实现碳化硅片减薄。其中，常规的机械磨削方法，例如，硅圆片减薄加工的二氧化硅磨头，或者其它硬度大于碳的磨头都可以用于本申请，在此不作具体限定。本申请的一种实现方式中，具体采用的是铝，即金属层为纯铝沉积形成的铝层；利用铝与碳化硅的互溶反应，改变碳化硅表层的硬度。可以理解，除了铝以外，其它能够与碳化硅发生类似互溶反应的金属也适用于本申请。

还需要说明的是，贴膜保护步骤的作用是避免酸腐蚀步骤对不需要处理的部分造成腐蚀，具体的，由于碳化硅片的正面是工作面，具有精确设计的操作器件，为了避免酸腐蚀步骤对碳化硅片的正面造成影响，因此需要在正面贴保护膜，对操作器件进行保护。可以理解，对于其它碳化硅材料或产品，如果不需要对相应部位进行保护，也可以不用贴膜保护步骤，以及相应的后续的去保护膜步骤。当然，通常来说都需要贴膜保护步骤和去保护膜步骤。

优选的，本申请的方法还包括在沉积步骤之前对碳化硅片进行预处理，预处理包括在碳化硅片正面粘贴保护膜，再依序进行酸处理、水冲洗和干燥，然后对其进行沉积步骤；并且，在进行热反应步骤之前，先进行去保护膜步骤，去除预处理时粘贴的保护膜，再进行热反应步骤。

需要说明的是，预处理的作用是先对碳化硅表面进行酸洗，去除碳化硅表面的杂质或异物，以确保后续的金属层沉积以及金属和碳化硅互溶反应的进行；可以理解，如果碳化硅表面是洁净的，可以不进行预处理。同样的，因为预处理中涉及酸处理，因此需要对碳化硅片的正面进行保护，即需要粘贴保护膜。而在热反应步骤需要采用高温进行处理，因此需要去除预处理时粘贴的保护膜。预处理的粘贴保护膜可以参考本申请方法的贴膜保护步骤，水冲洗和干燥可以参考本申请方法的水洗步骤。

优选的，预处理中的酸处理包括，将碳化硅片使用浓度低于60％的氢氟酸或盐酸浸泡0.5～10分钟。本申请的一种实现方式中，具体采用的是1％浓度的氢氟酸进行浸泡。

优选的，沉积步骤采用蒸发或者溅射将金属沉积在碳化硅片的背面。

需要说明的是，金属的沉积可以参考现有的金属沉积方法，包括但不仅限于蒸发、溅射。

优选的，金属层的厚度小于30μm。更优选的，金属层的厚度为1-4μm。

优选的，热反应步骤中，高温热处理的条件为，100-1000摄氏度热处理60分钟以下。更优选的，热反应步骤中，高温热处理的条件为400-550摄氏度热处理4-10分钟。

需要说明的是，金属层与碳化硅表层的硅进行互溶反应，其反应表层的深度直接决定了能够被磨削减薄的厚度，而影响互溶反应深度的因素主要包括金属层厚度和高温处理条件。其中，金属层厚度直接决定了能够参与互溶反应的金属的量；但是，并非金属层越厚越好，在互溶反应在表层达到饱和后，增加金属层的厚度不仅难以起到预期的效果，还会增加材料和沉积成本；因此，本申请优选的方案中限定金属层的厚度为小于30μm，例如，本申请的一种实现方式中，具体采用铝层，其厚度为1-4μm即可满足铝与碳化硅的高温互溶反应。至于高温热处理条件，实际上就是金属与碳化硅进行互溶反应的条件，该反应条件与具体采用的金属类型相关，一般来说，100-1000摄氏度热处理60分钟以下即可；本申请的一种实现方式中，采用铝层的高温热处理条件为400-550摄氏度热处理4-10分钟。

还需要说明的是，按照本申请的碳化硅片减薄方法，从沉积步骤到机械磨削步骤，一次性操作能够减小的厚度是有限的，如果需要减去的厚度很大，可以反复进行多次循环操作，以达到所需的碳化硅片厚度，在此不作具体限定。

优选的，惰性气氛为氮气或氩气。

优选的，贴膜保护步骤和预处理中，在碳化硅片正面粘贴保护膜的具体方法包括，先对碳化硅片的正面进行光刻胶的涂布，然后再贴蓝膜进行保护。

优选的，光刻胶的涂布厚度不超过10μm。更优选的，光刻胶的涂布厚度为0.5-5μm。

优选的，去保护膜步骤中，去除粘贴在碳化硅片正面保护膜的方法包括，直接去除碳化硅片正面的蓝膜，并使用去胶溶液将表明的光刻胶去除干净，然后用水冲洗，干燥即可。

优选的，酸腐蚀步骤中，采用的酸性溶液为浓度低于60％的酸性溶液。优选为盐酸。优选的，浸泡时间不超过120分钟。本申请的一种实现方式中，具体采用10％浓度的盐酸，浸泡0.5-30分钟即可。

本申请的另一面公开了一种减薄碳化硅片的装置，包括沉积模块、热反应模块、贴膜保护模块、酸腐蚀模块、水洗模块、机械磨削模块和去保护膜模块；

沉积模块，包括用于在碳化硅片的背面沉积金属层；

热反应模块，包括用于将沉积金属层的碳化硅片在惰性气氛下高温热处理；

贴膜保护模块，包括用于在碳化硅片正面粘贴保护膜；

酸腐蚀模块，包括用于采用酸性溶液对贴保护膜的碳化硅片进行浸泡；

水洗模块，包括用于对酸性溶液浸泡的产物进行水冲洗，并干燥；

机械磨削模块，包括用于采用磨头对酸腐蚀和水洗后的碳化硅片的背面进行磨削，使碳化硅片减薄；

去保护膜模块，包括用于去除粘贴在碳化硅片正面的保护膜。

其中，去保护膜模块，在本申请的一种实现方式中，具体是用于去除碳化硅片正面的蓝膜，并使用去胶溶液将表明的光刻胶去除干净，再进行水冲洗和干燥；其中，水冲洗和干燥可以调用本申请装置的水洗模块或者在去保护膜模块中增加相应的组件。

需要说明的是，本申请的减薄碳化硅片方法，其各个步骤都可以采用自动化实现，因此，本申请提供了一种新的专门用于执行本申请减薄碳化硅片方法的装置。其中，沉积模块可以参考现有的金属沉积装置；热反应模块也可以参考现有的惰性气氛加热设备；贴膜保护模块可以通过机械手臂实现涂胶、贴膜等作业；酸腐蚀模块主要是提供酸性溶液对碳化硅片进行浸泡可以通过浸泡液池和机械手臂实现自动化；水洗模块主要是用于清水冲洗和甩干，可以采用常规的喷水冲洗或在机械手臂的协助下进行水洗，甩干可以参考离心甩干等设备；机械磨削模块可以参考现有的硅片减薄加工设备；去保护膜模块主要是用于去除保护膜并用去胶溶液将表明的胶去除干净，同样可以通过机械手臂实现保护膜移除，去胶溶液清洗可以参考水洗等类似的清洗设备。

可以理解，本申请的关键在于将以上各模块有机结合的组装成本申请的装置，该装置专门用于碳化硅片的减薄；至于各模块之间的联动配合，可以采用常规的传送带或者机械手臂实现；各模块的具体运行参数可以通过软件控制和设定，软件控制编程可以参考常规的程序编程方法。此外，为了实现自动化控制，本申请的装置可以采用常规的微处理器对各模块和机械手臂等进行协调控制；为了方便操作和控制本申请的装置还可以包括控制面板或者人机交互界面又或者远程遥控设备等；这些都可以参考现有的自动化设备或人工智能设备，在此不作具体限定。

优选的，酸腐蚀模块包括两部分，第一部分包括用于采用浓度低于60％的盐酸对碳化硅片进行不超过120分钟的浸泡处理；第二部分包括用于采用浓度低于60％的氢氟酸或盐酸对碳化硅片进行0.5～10分钟的浸泡处理。

需要说明的是，考虑到酸腐蚀步骤和预处理分别采用不同酸性溶液进行浸泡，本申请优选的酸腐蚀模块也包括两部分，分别用于酸腐蚀步骤和预处理。可以理解，如果这两个步骤采用的是相同的酸性溶液，则酸腐蚀模块也不用分割为两部分。另外，预处理中涉及到的粘贴保护膜操作可以调用本申请装置中的贴膜保护模块，水冲洗和干燥操作可以调用本申请装置中的水洗模块，预处理的去保护膜步骤可以调用本申请装置的去保护膜模块；因此，针对本申请碳化硅片减薄方法优选方案中的预处理步骤没有专门的执行模块。

本申请的再一面公开了本申请的方法或本申请的装置在碳化硅材料或产品加工中的应用。

可以理解，本申请的方法和装置，其关键在于利用互溶反应减小碳化硅表面的硬度，从而可以方便的将互溶出来的硅和析出的碳层去除，实现碳化硅片减薄。利用相同的原理，不仅可以进行碳化硅片的减薄，也可以进行碳化硅片或碳化硅产品的表面加工，例如采用特定形状的保护膜对碳化硅片或碳化硅产品进行部分覆盖保护，然后对没有覆盖保护的部分进行金属沉积、热反应、酸腐蚀、冲洗和机械磨削，从而获得与特定形状保护膜相同形状的图案，实现碳化硅片或碳化硅产品的表面加工。

本申请的有益效果在于：

本申请减薄碳化硅片的方法，利用金属，例如纯铝，在高温下与碳化硅中的硅发生互溶反应，改变碳化硅背面表层的物理化学性质，降低表层的硬度，使其能够正常使用硅圆片减薄设备进行减薄；本申请的方法不仅减薄效果良好，而且碳化硅片的机械磨削减薄完全兼容现行的硅圆片生产线，极大的降低了碳化硅片产品的生产成本。

附图说明

图1是本申请实施例中碳化硅圆片正面涂布光刻胶并粘贴蓝膜保护的结构示意图；

图2是本申请实施例中碳化硅圆片背面沉积纯铝层的结构示意图；

图3是本申请实施例中沉积纯铝层的碳化硅圆片去除蓝膜和光刻胶的结构示意图；

图4是本申请实施例中铝与碳化硅中的硅发生互溶反应的结构示意图；

图5是本申请实施例中高温热处理发生互溶反应后碳化硅圆片正面涂布光刻胶并粘贴蓝膜保护的结构示意图；

图6是本申请实施例中酸腐蚀步骤后的碳化硅圆片的结构示意图；

图7是本申请实施例中机械磨削步骤后的碳化硅圆片的结构示意图；

图8是本申请实施例中经过反复执行铝沉积、互溶反应、酸腐蚀和机械磨削处理后，最终碳化硅圆片减薄到所需厚度的结构示意图。

具体实施方式

本申请的碳化硅片减薄方法，通过化学处理，改变碳化硅片背面表层的硬度，使其可以采用硅圆片的机械减薄设备进行磨削减薄。本申请的减薄方法，不影响碳化硅片原本的生产工艺流程，也不会影响碳化硅片本身的质量；在经过本申请的金属沉积、热反应和酸腐蚀处理后，机械磨削步骤可以完全兼容现有的硅圆片机械减薄设备，即不需要对硅圆片机械减薄设备进行任何改进，即可用于对碳化硅片进行机械磨削，极大的降低了碳化硅片的生产成本。

下面通过具体实施例和附图对本申请作进一步详细说明。以下实施例仅对本申请进行进一步说明，不应理解为对本申请的限制。

实施例

本例的减薄碳化硅片的方法包括预处理、沉积步骤、去保护膜步骤、热反应步骤、贴膜保护步骤、酸腐蚀步骤、水洗步骤、机械磨削步骤和去保护膜步骤；其中，预处理可以根据需求选择使用。各步骤详细如下：

预处理：在正常碳化硅圆片正面器件的生产工艺流程完成后，对碳化硅圆片的正面进行光刻胶的涂布，一般光刻胶的涂布厚度为0.5～5μm，然后正面贴蓝膜保护，如图1所示，图1中，1为碳化硅圆片、2为碳化硅圆片正面器件、3为光刻胶、4为蓝膜；贴蓝膜保护后，将碳化硅圆片使用1％含量的氢氟酸进行浸泡0.5～10分钟，由于正面有蓝膜和光刻胶保护，所以只有碳化硅背面被氢氟酸腐蚀；然后进行正常的冲水和甩干作业，将碳化硅背面清洗干净。

沉积步骤：本例具体采用的是纯铝形成金属层，因此，对碳化硅圆片的背面进行纯铝的蒸发或溅射作业，在碳化硅圆片的背面淀积一层纯铝，一般来说，纯铝层的厚度为1～4μm即可，如图2所示，图2中，1为碳化硅圆片、2为碳化硅圆片正面器件、3为光刻胶、4为蓝膜、5为铝层。

去保护膜步骤：为了避免后续高温对蓝膜造成破坏，影响碳化硅圆片正面的器件，在进行热反应步骤之前，先将碳化硅圆片正面的蓝膜去除，并使用去胶溶液将表明的光刻胶去除干净，并冲水甩干，如图3所示，图3中，1为碳化硅圆片、2为碳化硅圆片正面器件、5为铝层。

热反应步骤：去除蓝膜后，将沉积铝层的碳化硅圆片，在氮气或者氩气的环境中进行4～10分钟、400～550摄氏度的高温快速热退火工艺；此时，纯铝在高温下与碳化硅中的si发生互溶反应，硅互溶到铝层中，由于硅的脱离，使得碳析出为碳层，铝互溶后镶嵌在碳层中，如图4所示，图4中，1为碳化硅圆片、2为碳化硅圆片正面器件、5为铝层、21为互溶的硅、22为碳层、51为互溶的铝；这样的结果是，一方面，互溶出来的硅可以采用酸性溶液溶解去除，另一方面，析出的碳层硬度低，容易通过磨削方式去除，从而实现碳化硅圆片减薄。

贴膜保护步骤：由于需要采用酸性溶液对互溶后的铝层和互溶出来的硅进行清洗，因此，需要对碳化硅圆片正面进行贴膜保护。具体的，对热反应步骤后的碳化硅圆片的正面进行光刻胶的涂布，光刻胶的涂布厚度为0.5～5μm，然后正面贴蓝膜保护，如图5所示；图5中，1为碳化硅圆片、2为碳化硅圆片正面器件、3为光刻胶、4为蓝膜、5为铝层、21为互溶的硅、22为碳层、51为互溶的铝。

酸腐蚀步骤：将贴好蓝膜的碳化硅圆片使用10％含量的盐酸进行浸泡0.5～30分钟，使碳化硅圆片背面的铝全部反应去除干净；此时，由于正面有蓝膜和光刻胶保护，所以只有碳化硅背面被盐酸腐蚀，盐酸腐蚀后在碳化硅表层剩余碳层，如图6所示，图6中，1为碳化硅圆片、2为碳化硅圆片正面器件、3为光刻胶、4为蓝膜、22为碳层。

水洗步骤：主要是对酸腐蚀步骤的碳化硅圆片进行正常的冲水和甩干作业，以便于后续处理。

机械磨削步骤：采用硅圆片的机械减薄设备，将碳化硅圆片进行正常的减薄作业；碳化硅圆片不能直接用硅圆片的机械减薄设备进行处理是因为，碳化硅的硬度大于硅圆片机械减薄设备的二氧化硅磨头；而本例经过处理后，碳层的硬度低于二氧化硅磨头，因此可以采用硅圆片的机械减薄设备磨削碳层，实现碳化硅圆片减薄；减薄的碳化硅圆片如图7所示，图7中，1为碳化硅圆片、2为碳化硅圆片正面器件、3为光刻胶、4为蓝膜。

经过以上处理，可以磨削去除发生互溶反应后剩余的碳层，从而实现碳化硅圆片减薄，但是，从铝沉积、热反应、酸腐蚀到机械磨削步骤，一次性能够磨削的碳层厚度有限；因此，通常需要经过反复多次循环，最终达到所需厚度的碳化硅圆片，如图8所示，图8中，1为碳化硅圆片、2为碳化硅圆片正面器件、3为光刻胶、4为蓝膜。

去保护膜步骤：在机械磨削步骤完成后，将碳化硅圆片正面的蓝膜去除，并使用去胶溶液将表明的光刻胶去除干净，冲水、甩干，即获得减薄后的碳化硅圆片。

本例的方法，一方面，不会影响碳化硅圆片正常的制备工艺和流程，只需要对正常制备的碳化硅圆片进行后续的铝沉积、热反应、酸腐蚀等化学处理即可；另一方面，本申请方法的机械磨削步骤可以直接使用硅圆片的机械减薄设备，降低了碳化硅圆片的生产成本。

以上内容是结合具体的实施方式对本申请所作的进一步详细说明，不能认定本申请的具体实施只局限于这些说明。对于本申请所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换。