SiC单晶片CMP超精密加工技术现状与趋势
文摘综述了半导体材料SiC抛光技术的发展，介绍了SiC单晶片CMP技术的研究现状，分析了CMP的原理和工艺参数对抛光的影响，指出了SiC单晶片CMP急待解决的技术和理论问题，并对其发展方向进行了展望。
关键词SiC单晶片，化学机械抛光，粗糙度，抛光效率
0引言
SiC单晶片是继第一代半导体材料(Ge和Si)、第二代半导体材料(GaAs、InP等)之后发展起来的第三代半导体材料，具有大的禁带宽度、高饱和电子漂移速度、高击穿电场强度、高热导率、低介电常数和抗辐射能力强等优良的特性，在高温、高频率、大功率、抗辐射、不挥发存储器件及短波长光电子器件和光电集成等应用场合是理想的半导体材料之一，特别是在极端条件和恶劣环境下应用，SiC器件的特性远远超过了Si器件和GaAs器件。SiC单晶片的应用要求晶片表面超光滑、无缺陷、无损伤，SiC的加工质量和精度直接影响器件的性能。SiC单晶的硬度是刚玉的1．8倍，石英的3倍，仅小于金刚石。SiC单晶的压缩强度高于其弯曲强度，材料表现为较大的硬脆性。在单晶的加工过程中，SiC的莫氏硬度为9．2，仅次于金刚石，所以晶体的切割、研抛难度极大，大直径、高质量的单晶生长技术和高精度、高效率、低成本的晶体基片加工技术是SiC单晶衬底材料制备技术的关键和发展方向。
本文综述了半导体材料SiC抛光技术的发展，介绍了SiC单晶片CMP技术的研究现状，并对其发展方向进行了展望。
1 SiC单晶片超精密加工发展现状
超精密加工的主要手段是超精密抛光。超光滑表面是指表面粗糙度均方根值小于1 nm的表面，具有表面无任何损伤、变质，亚表面无破坏，无表面应力的特征。目前已开发了一系列的无加工变质层、无表面损伤的超精密加工方法。它们包括化学机械抛光(CMP)、电化学抛光(ECMP)、催化剂辅助抛光(CACP)或催化剂辅助刻蚀和摩擦化学抛光(TCP)，又称为无磨料抛光。
ECMP是基于电化学氧化和氧化层抛光去除两个原理相结合。通过控制抛光时的电流密度实现对晶片表面的氧化速率控制，进而限制抛光速率。但这种方法会受到晶片掺杂浓度的制约，不能用于低掺杂和杂质浓度分别均匀性不佳的晶片。
CACP，又称为催化剂辅助刻蚀，在晶片抛光时使用催化剂加快化学去除的作用。
TCP是当SiC晶体材料在一定的溶液环境中与某种硬度的材料产生摩擦时，会激发SiC的分解。使用这种机理的抛光方法，被称为摩擦化学抛光又称为无磨料抛光，Zhize等人一1用TCP方法对SiC单晶片抛光，抛光效率为0．2—0．4um/h，2 cm×2 cm的SiC单晶片样品的表面粗糙度为3 nm。为了应用于器件制造和外延生长，对于单晶材料最终的表面质量有严格的要求，即晶片表面的均方根粗糙度达到纳米以下。实际中，只有使用CMP加工的最终表面能够达到这一目标。尽管被认为是进行硅片平坦化、获得超光滑无损伤表面的最有效方法，但它的材料去除机理、过程变量对硅片表面材料去除速率和非均匀性的影响等方面的许多问题还没有完全研究清楚，特别是对于不同半导体材料的反应机理还需进一步研究。
20世纪90年代以来，SiC单晶CMP超精密加工及器件的研制受到美、日、俄、西欧等国家的极大关注，成为研究热点。法国的NOVCSIC公司通过CMP加工工艺获得了均方根粗糙度(RMS)为O．15 nm的6H—SiC和4H—SiC的(0001)晶向和偏角的Si面。抛光片的双晶x射线衍射摇摆曲线的半高宽(FWHM)为20～25 arcsec。美国Cree公司是目前能提供用于LED的高质量SiC衬底的少数厂家之一。山东大学晶体材料国家重点实验室已获得表面粗糙度在l nm以下的6H—SiC单晶晶片。陈秀芳等人使用胶体SiO2抛光液对6H—SiC单晶片抛光，获得2um×2um区域O．1 nm的粗糙度。
2 SiC单晶片的CMP加工
2．1 CMP技术原理
CMP的原理是粘在抛光机上盘的加工表面与抛光机下盘浸有抛光液的多孔抛光布吸附的抛光液中的氧化剂、催化剂等物质在设定温度下反应(温度由反应放出热、冷却水、摩擦热等因素决定)，上下盘高速反向运转，抛光液连续流动，加工表面的反应物被不断的剥离，新抛光液补充进来，反应产物随抛光液带走，新裸露的被加工表面又被氧化，产物再被剥离下来而循环反复。CMP既有化学作用又有机械作用，CMP实际上是磨粒磨损下的电化学腐蚀过程。
2．2 SiC单晶片CMP磨削材料去除速率
经C．L．Neslen等¨纠试验研究，在CMP中抛光液温度、抛光液pH值，抛光压力、抛光垫旋转速率对SiC单晶片材料去除速率的影响，不同的温度和抛光液pH值对材料的去除速率没有显著的影响，最大的影响是旋转速率和抛光压力。抛光温度主要是通过改变抛光垫组织的动态剪切参数来影响材料去除速率的。而更高的抛光液pH值并不必然导致材料去除速率的提高，它主要依赖于抛光液的类型。增加抛光压力能显著提高去除速率，但太高的压力会损坏抛光垫，从而增加抛光成本。抛光垫的速率与抛光速率之间有着密切关系。山东大学陈秀芳等人对其进行了研究，因为CMP实现的是纳米级的抛光，所以其抛光速率较慢。为去除研磨所造成的加工变质层单纯的CMP会耗费大量的时间。为了提高效率，可采用不同的抛光布和不同的抛光液配比，逐层去除研磨阶段的损伤层。具体的抛光过程分为粗抛和精抛，在合适的压力和磨盘转速下，粗抛的材料去除速率为0．5～1．5um/h，用显微镜观察表面只有零星的“小坑”，用台阶仪测粗糙度在7 nm左右；精抛的材料去除速率可达0．1～0.5um/h，用显微镜观察表面非常光亮，无戈Ⅱ痕和麻点等抛光缺陷，台阶仪测粗糙度<5nm。
2．3 SiC单晶片CMP磨削表面质量
目前经过CMP抛光后的SiC单晶片表面粗糙度小于0．5 nm。经研究发现虽然SiC的化学惰性高，稳定性好，但是SiC晶体si面表面是一层si的悬键，抛光过程中，晶体与抛光液的摩擦界面上的机械能一部分转化为热能，使界面真实接触部位处于高温高压状态，处于这种状态的界面是不稳定的，SiC表面的一层原子很容易渗透到抛光液中，并与其中的碱反应生成溶于水的盐：Si+2NaOH+H20——Na2SiO3+2H2，如果将反应生成物控制在晶体表层极小的深度内，因加工尺度很小，抛光液中的软质磨粒就可以在不伤及SiC母体的情况下使其脱落，可以获得一般机械加工达不到的超精密表面，同时又露出新鲜的表面，这就是一边反应生成易于去除的局部软质异物，一边进行加工的CMP法。有研究表明，采用质软抛光布，控制晶片上的压力在20～60 kPa。选择20一40℃的抛光温度，对SiC晶片进行纳米级精抛光。当抛光布为Nitta Haas Suba 800、抛光转速为80r／rain、抛光压力为500 kPa、抛光机器为Engi8 Japan，FJ一380IN、抛光液组成为40％SiO2胶体、强氧化剂10 g／L、pH=7．4，精抛条件合适的时候，其表面粗糙度可以达到0．3 nm。
图2为O．Eryu等人对6H—SiC单晶片CMP后的表面质量图。试验中抛光压力为60～100 kPa，抛光垫选择POVOL KOGYO KT型抛光垫，抛光液选用粒径为0．05um、浓度为20％的Si02溶液。
2．4 CMP影响因素分析
2．4．1抛光液
抛光液是影响CMP的决定性因素。它影响CMP的化学过程和机械作用过程，还影响最终的加工表面质量。抛光液由水、抛光粉和一些添加剂(表面活性剂、稳定剂、分散剂)等组成，适合的抛光液能达到化学作用和机械作用的最佳效果，抛光效率高、质量好，而且要求流动性好、不易沉淀或结块、悬浮性能好且无毒。抛光液的化学作用在晶片的CMP过程中起着重要作用。抛光液的组成及pH值、抛光粉粒径及浓度、抛光液流速及流动途径等对工件表面粗糙度和材料去除速率都有影响。抛光液所以选择pH值为7—11是因为6H—SiC分(000—1)C面和(0001)Si面，对C面的抛光是要选择酸性抛光液，而对Si面应选择碱性抛光液。6H—SiC的化学性质非常稳定，但在抛光过程中，晶片表面与抛光液中的磨料之间剧烈摩擦，其接触的瞬间温度非常高，表面同抛光液中碱液反应，形成软质层，抛光液中的强氧化剂在抛光过程中起到催化作用，它可以使晶片表面形成较软的氧化层，这层软质在抛光的过程中很容易被抛光布去除。试验表明选用pH值为7—1l、SiO2质量分数为2％-60％的抛光液，当抛光液中SiO2胶体小于2％时，抛光的去除速率变得比较慢，表面也容易出现划伤；但当抛光液浓度为一定值时，其抛光速率不再改变；在其他抛光条件不变的情况下，浓度在60％和20％时，其速率几乎相等。在配置抛光液浓度时，要从抛光速率和抛光液成本考虑选择合适的抛光液浓度，粒径为5．1um的SiO2胶体抛光液，并加入适量强氧化剂。
2．4．2磨粒
磨粒的大小及其分布、浓度和种类对材料的去除都将产生重要的影响。磨粒的直径越大，单个磨粒的机械能越高，但是一定浓度下，磨粒尺寸的增加降低了磨粒的个数。Luo等的研究表明磨粒大小的分布对材料去除有重要影响。磨粒浓度越大，材料去除速率越高，但是过高的浓度又降低了材料去除速率。Si02是芯片抛光常用的磨料，Al2O3和SiO2用于金属抛光，此外，也可以使用CeO2等。不同磨料的硬度不同，对材料去除也将产生一定的影响。
2．4．3抛光垫
首先，加工区域的抛光粉主要借助抛光垫的支撑作用，贮藏抛光液，对晶体表面产生作用力，实现材料去除；传输压力到样品表面，使压力均匀分布。因此，抛光垫在流场作用下的变形和抛光垫局部的显微硬度都会直接影响抛光粉对晶体表面的作用力，从而影响抛光效率和晶体表面材料去除的均匀性，其中抛光垫力学性质，如硬度、弹性等对抛光垫的变形产生重要影响。其次，抛光垫是抛光反应产物流出加工区域、新的抛光液进入加工区域的重要渠道，因此抛光垫的组织特性，如表面粗糙度、微空形状、孔隙率、沟槽形状分布等表面因素对抛光液在加工区域的流量及其分布等有重要影响。从而影响抛光液效率和表面材料去除的均匀性。
2．4．4抛光参数
CMP抛光过程参数，如抛光压力和抛光垫转速等对材料去除速率和抛光表面质量有显著影响。材料去除速率随着抛光压力和抛光垫转速的增大而增加，抛光表面质量随压力增大而变差，抛光压力和抛光垫转速越大，工件和抛光垫之间的摩擦力就越大，抛光温度越高，抛光过程中，抛光液对工件的腐蚀效果越明显，材料去除速率越大。因此，适当的选择抛光垫转速和抛光压力可以提高工件表面质量，CMP是一个复杂的化学机械过程，它与被抛光材料、抛光液、抛光垫以及抛光工艺参数等均有关，它们之间存在复杂的相互作用。目前，抛光要素之间的相互影响、相互作用及其与抛光性能的关系研究还有待加强，这对于实现这些因素的相互最佳配合，以达到满意的CMP效果，以及探索确切的CMP机理至关重要。
2．5 SiC单晶片CMP抛光存在的问题
目前，如人们对诸如抛光参数(如压力、转速、温度等)对平面度的影响、抛光垫一浆料一片子之间的相互作用、浆料化学性质(如组成、pH值、粒径等)对各种参数的影响等比较基本的基础机理了解甚少，因而定量确定最佳CMP工艺，系统地研究CMP工艺过程参数，建立完善的CMP理论模型，满足各种超大型集成电路生产对CMP工艺的不同要求，是研究CMP技术的重大课题。
2．5．1 CMP加工材料去除机理
国内对SiC单晶片研究很少，未能形成体系。包括纳米磨损的基本机理和纳米固体颗粒的作用规律等一系列科学问题，以及抛光液、抛光垫、工件三者之间的物理化学作用、微观流体力学、接触力学作用：化学腐蚀和氧化作用、润滑作用和机械作用的平衡关系等。CMP加工中工件和抛光垫间所处的润滑状态与材料去除关系密切，并且如考虑到抛光工艺参数如压力、转速和抛光液的黏度、流动性等变化时对液膜厚度的影响，情况将更为复杂，这都有待于进一步的研究。
2．5．2 CMP工艺方面的问题
．在CMP加工中，由于目前加工控制还处于半经验状态，难以维持稳定的、一次性通过的生产运转；因而开发实用的在线检测工具是必须的；另外抛后片子表面残留浆料的清除是CMP后清洗工艺的的主要课题，在实际生产中，片子表面残留物超标也是造成成品率下降的主要因素之一。
2．6 CMP发展趋势
(1)研究SiC单晶的材料去除理论基础与模型设计，SiC单晶片的显微结构及超光滑表面的微观形貌特征；研究SiC单晶片超光滑表面的形成机理与原子级材料去除机理，建立CMP的理论模型。
(2)CMP的发展主要是抛光浆的研究，相应的CMP浆料及机理还有待进一步研究，应从溶胶型SiO2和其他新的磨料粒子；可溶性有机碱的络合和缓冲特性，如何避免碱金属粒子的玷污，如何保持抛光浆液的稳定性等方面进行研究。
(3)采用软质抛光垫，同时采用软质微细抛光粉(纳米级)，甚至比工件还要软的磨料，结合化学作用促进表面的界面化学反应，提高抛光速率和表面质量，实现材料的原子级去除且不损伤材料本体表面，获得表面变质层和表面粗糙度极小的优质表面。
(4)探讨超声波辅助CMP，综合各种加工方法的优点，互相取长补短。降低制造成本，提高加工效率，减小变质层厚度，提高材料表面质量。
3结束语
随着第三代半导体的不断发展，基于SiC衬底的光学部件和电子产品要求也在不断地提高，SiC衬底抛光变得越来越重要。抛光片作为外延的最佳衬底，也随之成为研究热点，未来SiC会向大尺寸、更低缺陷水平方向发展。十余年来，作为惟一的可以达到全局平面化的表面精加工技术，CMP技术的应用取得了迅速发展。但由于CMP产生背景的特殊性及CMP加工影响因素的复杂性，其理论研究相对欠缺，限制了CMP加工精度的进一步提高，所以必须研究确切的CMP机理。同时，针对现有CMP技术中存在的加工划痕等难题，需要进一步探索SiC单晶片的CMP超精抛光技术。
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