碳化硅襯底全流程顆粒物管控細(xì)化要求
一、 引言
碳化硅（SiC）襯底作為第三代半導(dǎo)體材料，廣泛應(yīng)用于高功率、高頻和高溫電子器件。其制造過(guò)程中，顆粒物的管控直接影響襯底表面質(zhì)量、器件性能和良率。本報(bào)告針對(duì)襯底制造中的線(xiàn)切、倒角、研磨及拋光工藝，詳細(xì)闡述顆粒物的大小、數(shù)量要求及管控措施。
二、顆粒物對(duì)SiC襯底的影響
表面缺陷：顆粒物可能導(dǎo)致劃痕、凹坑或微裂紋，影響外延層生長(zhǎng)均勻性。
器件失效：殘留顆粒在后續(xù)工藝中可能引發(fā)局部電場(chǎng)集中或短路。
污染風(fēng)險(xiǎn)：顆粒物攜帶金屬離子或其他雜質(zhì)，污染潔凈室環(huán)境。
三、各制造工藝環(huán)節(jié)具體管控要求
1. 長(zhǎng)晶（Crystal Growth）
工藝描述：物理氣相傳輸法（PVT法）生長(zhǎng)SiC單晶。
顆粒物來(lái)源：
石墨坩堝/保溫材料粉塵（C、Si顆粒）。
原料SiC粉末中的雜質(zhì)顆粒（金屬、氧化物）。
管控要求：
顆粒尺寸：原料粉末中雜質(zhì)顆粒 ≤5 μm（SEMI標(biāo)準(zhǔn)M11-0315）。
顆粒密度：晶錠內(nèi)部宏觀缺陷（如微管、包裹體）密度 ≤10個(gè)/cm2（ASTM F2136）。
檢測(cè)方法：
X射線(xiàn)衍射（XRD）：分析原料純度（≥99.9995%）。
紅外顯微鏡：檢測(cè)晶錠內(nèi)部包裹體（分辨率≤1 μm）。
管控措施：
使用高純度石墨件（灰分≤5 ppm，顆粒度≤10 μm）。
原料粉末通過(guò) 氣流分級(jí)篩分（D50=50 μm，D90≤100 μm）。
長(zhǎng)晶爐內(nèi)充高純氬氣（O?≤0.1 ppm，H?O≤0.5 ppm）。
2. 晶錠加工（Ingot Processing）
2.1 線(xiàn)切（Multi-Wire Sawing）
顆粒物來(lái)源：金剛石線(xiàn)磨損顆粒、SiC碎屑。
管控要求：
切割表面顆粒尺寸分級(jí)：
- 0.1–0.5 μm：密度 ≤80個(gè)/cm2
- 0.5–1.0 μm：密度 ≤20個(gè)/cm2
--- >1.0 μm：零容忍
總顆粒密度：≤100個(gè)/cm2
管控措施：
金剛石線(xiàn)徑≤120 μm，線(xiàn)張力控制±2 N（減少線(xiàn)抖動(dòng)碎屑）。
切割后立即用 SC1清洗液（NH?OH:H?O?:H?O=1:1:5）超聲清洗30分鐘。
2.2 滾圓（Cylindrical Grinding）
顆粒物來(lái)源：SiC晶錠邊緣磨削碎屑。
管控要求： 顆粒尺寸：≤0.5 μm
顆粒密度：晶錠表面 ≤50個(gè)/cm2
檢測(cè)方法：激光共聚焦顯微鏡（臺(tái)階高度≤2 μm）。
管控措施：
使用金剛石砂輪（粒度#2000，轉(zhuǎn)速≤2000 rpm）減少熱應(yīng)力碎屑。
實(shí)時(shí)噴淋 納米純水（電阻率≥18.2 MΩ·cm）冷卻。
3. 襯底切片（Slicing）與粗拋（Rough Polishing）
顆粒物來(lái)源：切片后的表面損傷層碎屑、拋光液殘留。
管控要求：切片后表面粗糙度：Ra ≤1 μm（AFM檢測(cè)）。
粗拋后顆粒尺寸分級(jí)：
- 0.3–0.5 μm：密度 ≤30個(gè)/cm2
- 0.1–0.3 μm：密度 ≤50個(gè)/cm2
管控措施：
粗拋液采用 氧化鋁（Al?O?）磨料（粒徑0.5 μm，濃度10 wt%）。
多級(jí)過(guò)濾系統(tǒng)（5 μm→1 μm→0.5 μm）循環(huán)拋光液。
4. 化學(xué)機(jī)械拋光（CMP）
管控要求：
最終表面顆粒尺寸分級(jí)：
- 0.05–0.1 μm：密度 ≤5個(gè)/cm2
- 0.1–0.2 μm：密度 ≤3個(gè)/cm2
- >0.2 μm：零容忍
表面粗糙度：Ra ≤0.1 nm（AFM檢測(cè)，掃描范圍5×5 μm2）。
檢測(cè)方法：
全片表面掃描儀（如KLA Surfscan）：靈敏度0.02 μm。
飛行時(shí)間二次離子質(zhì)譜（TOF-SIMS）：檢測(cè)有機(jī)污染物（≤1×10? atoms/cm2）。
管控措施：
終拋液采用 膠體二氧化硅（SiO?）（pH=10.5，粒徑30 nm）。
拋光后 兆聲波清洗（頻率1 MHz，功率密度1 W/cm2）去除亞微米顆粒。
5. 外延前清洗（Pre-Epitaxial Cleaning）
工藝目標(biāo)：確保表面無(wú)顆粒、有機(jī)物及金屬污染。
管控要求：
顆粒尺寸：≤0.05 μm（外延生長(zhǎng)容忍極限）。
顆粒密度：≤1個(gè)/cm2（SEMI M73標(biāo)準(zhǔn)）。
金屬污染：Fe、Ni、Cu等 ≤1×101? atoms/cm2（ICP-MS）。
清洗流程：
1. RCA-1清洗（NH?OH:H?O?:H?O=1:1:5，75℃）去除有機(jī)物。
2. RCA-2清洗（HCl:H?O?:H?O=1:1:5，70℃）去除金屬離子。
3. 氫氟酸（HF）漂洗（0.5% vol，20℃）去除氧化層。
4. 超臨界CO?干燥（壓力7.4 MPa，溫度31℃）避免水痕殘留。
6 全流程顆粒物控制邏輯
| 工藝環(huán)節(jié) | 最大顆粒尺 | 顆粒密度（個(gè)/cm2） | 關(guān)鍵指標(biāo) |
|------------------|------------|--------------------|------------------------- -|
| 長(zhǎng)晶 | 5 μm |≤10（內(nèi)部缺陷）| 晶錠純度≥6N |
| 線(xiàn)切與滾圓 | 1 μm | ≤100 | 表面損傷層≤20 μm |
| 粗拋 | 0.5 μm | ≤80 | 粗糙度Ra≤1 μm |
| CMP | 0.2 μm | ≤8 | Ra≤0.1 nm |
| 外延前清洗 | 0.05 μm | ≤1 | 金屬污染≤1×101? atoms/cm2 |
四、顆粒物超標(biāo)根因分析與對(duì)策
長(zhǎng)晶環(huán)節(jié)：石墨件粉塵→更換超高純等靜壓石墨（灰分≤1 ppm）。
線(xiàn)切環(huán)節(jié)：金剛石線(xiàn)磨損→優(yōu)化切割參數(shù)（進(jìn)給速度≤0.2 mm/min）。
CMP環(huán)節(jié)：拋光液團(tuán)聚→添加分散劑（如PEG 2000，濃度0.1%）。
五、行業(yè)標(biāo)桿數(shù)據(jù)參考
Wolfspeed 8英寸SiC襯底：
CMP后顆粒密度≤5個(gè)/cm2（＞0.1 μm），
外延層缺陷密度≤0.5個(gè)/cm2。
外延前清洗顆粒殘留≤0.3個(gè)/cm2（通過(guò)超臨界CO?干燥技術(shù)）。
六、結(jié)語(yǔ)
從長(zhǎng)晶到外延的全流程顆粒管控需遵循“逐級(jí)凈化”原則：
長(zhǎng)晶階段：控制原料純度與熱場(chǎng)穩(wěn)定性，從源頭減少缺陷；
加工階段：分尺寸區(qū)間限值（如線(xiàn)切1 μm→拋光0.2 μm→外延前0.05 μm）；
檢測(cè)閉環(huán)：結(jié)合離線(xiàn)分析（SEM/TOF-SIMS）與在線(xiàn)監(jiān)控（Surfscan實(shí)時(shí)反饋）。
通過(guò)SPC（統(tǒng)計(jì)過(guò)程控制）與FMEA（失效模式分析）實(shí)現(xiàn)工藝穩(wěn)定性，滿(mǎn)足車(chē)規(guī)級(jí)（AEC-Q101）與通信器件（5G NR）對(duì)SiC襯底的嚴(yán)苛要求。
