半導體(tǐ)産業是現代科技發展的原始驅動力，代表一(yī)個國家科學技術發展最高水平。第一(yī)代Si基半導體(tǐ)産業在過去(qù)半個多世紀引領發達國家經濟高速發展，構建了堅實的規模與技術壁壘，中(zhōng)國在過去(qù)十幾年奮起直追，但前行路途仍充滿艱難與挑戰。第三代SiC基寬禁帶半導體(tǐ)全球目前整體(tǐ)處于發展初期階段，我(wǒ)(wǒ)國與國際巨頭公司之間的整體(tǐ)技術差距相對較小(xiǎo)，有可能實現彎道超車(chē)。碳化矽晶圓是一(yī)種由碳和矽兩種元素組成的化合物(wù)半導體(tǐ)單晶材料，具備禁帶寬度大(dà)、熱導率高、臨界擊穿場強高、電(diàn)子飽和漂移速率高等特點，可有效突破傳統矽基半導體(tǐ)器件及其材料的物(wù)理極限，開(kāi)發出更适應高壓、高溫、高功率、高頻(pín)等條件的新一(yī)代半導體(tǐ)器件。

　　SiC根據其電(diàn)學性上質分(fēn)為導電(diàn)型和半絕緣型兩種，其中(zhōng)半絕緣型（電(diàn)阻率＞105Ω.cm）碳化矽襯底能夠制得碳化矽基氮化镓異質外(wài)延片，可進一(yī)步制成HEMT等微波射頻(pín)器件，應用于5G通信、信号接收器等為代表的射頻(pín)領域；導電(diàn)型（電(diàn)阻率15~30mΩ.cm）碳化矽襯底則可制得碳化矽同質外(wài)延片，可進一(yī)步制成肖特基二極管、MOSFET、IGBT等功率器件，應用在新能源汽車(chē)、“新基建”為代表的電(diàn)力電(diàn)子領域。碳化矽在民用、軍用領域均具有明确且可觀的市場前景。

　　據CASA Research整理，2019年有6家國際巨頭宣布了12項擴産，主要為襯底産能的擴張，其中(zhōng)最大(dà)的項目為美國Cree公司投資(zī)近10億美元的擴産計劃。根據Yole數據，導電(diàn)型碳化矽襯底市場規模取得較快增長，2018年至2020年，全球導電(diàn)型碳化矽襯底市場規模從1.73億美元增長至億美元增長至2.76億美元，複合增長率為26.36%。根據Yole預計，受益于碳化矽功率器件在電(diàn)動汽車(chē)等下(xià)遊應用的增長，導電(diàn)型碳化矽襯底市場未來将快速發展。

　　不論導電(diàn)型還是半絕緣型，其應用中(zhōng)SiC襯底的表面超光滑是必備條件。SiC表面的不平整會導緻其表面同質外(wài)延的SiC薄膜和異質外(wài)延的GaN薄膜位錯密度的增加，從而影響器件性能。上述應用領域的快速發展要求SiC晶片表面能達到原子級平整且表面幾乎無微觀缺陷，SiC晶片的超精密平整技術研究對于促進第三代半導體(tǐ)技術的發展具有極其重要的意義。

　　襯底是所有半導體(tǐ)芯片的底層材料，起到物(wù)理支撐、導熱、導電(diàn)等作用；數據顯示，襯底成本大(dà)約占晶片加工(gōng)總成本的50%，外(wài)延片占25%，器件晶圓制造環節20%，封裝測試環節5%。SiC襯底不止貴，生(shēng)産工(gōng)藝還複雜(zá)，與矽相比，SiC很難處理。SiC單晶襯底加工(gōng)過程包括單晶多線切割、研磨、抛光、清洗最終得到滿足外(wài)延生(shēng)長的襯底片。SiC是世界上硬度排名第三的物(wù)質，不僅具有高硬度的特點，高脆性、低斷裂韌性也使得其磨削加工(gōng)過程中(zhōng)易引起材料的脆性斷裂從而在材料表面留下(xià)表面破碎層，且産生(shēng)較為嚴重的表面與亞表層損傷，影響加工(gōng)精度。所以在研磨、鋸切和抛光階段，挑戰也非常大(dà)，其加工(gōng)難主要體(tǐ)現在：(1)硬度大(dà)，莫氏硬度分(fēn)布在9.2～9.6；(2)化學穩定性高，幾乎不與任何強酸或強堿發生(shēng)反應；(3)加工(gōng)設備尚不成熟。

　　因此，碳化矽襯底切割、研磨、加工(gōng)的耗材還需不斷發展和完善。下(xià)面我(wǒ)(wǒ)們對各工(gōng)序産品進行逐一(yī)介紹。

　　01

　　碳化矽單晶襯底多線切割液

　　目前切割碳化矽的主流方法是砂漿線切割(遊離(lí)磨粒線切割)，砂漿線切割(遊離(lí)磨粒線切割)是指在加工(gōng)過程中(zhōng)切割線往複高速運動，在晶棒和切割線處噴入切割液，高速運動的切割線将磨料帶到加工(gōng)區域，實現材料的切割。砂漿線切割(遊離(lí)磨粒線切割)法出品率高，鋸切損耗小(xiǎo)，表面質量好。

　　砂漿線切割(遊離(lí)磨粒線切割)的線切割液主要由油性線切割液和金剛石粉組成。線切割液提供粉末的分(fēn)散與傳輸。金剛石粉末分(fēn)散在線切割液之後，随着線切割液的運動而均勻分(fēn)布在鋼線之上，通過切割液中(zhōng)的遊離(lí)磨粒與工(gōng)件之間滾動-壓痕機理來進行碳化矽的切割。

　　在切割過程中(zhōng)，線切割液品質十分(fēn)重要，需滿足以下(xià)性能：

　　①分(fēn)散性好：能夠讓金剛石粉末長時間分(fēn)散懸浮在液體(tǐ)之中(zhōng)。

　　②優異的散熱性能：在使用過程中(zhōng)保持穩定的溫度範圍。

　　③穩定性好：加工(gōng)過程中(zhōng)粘度穩定，泡沫抑制性能優異。

　　④易沖洗、使用壽命長。

　　02

　　碳化矽單晶襯底研磨液

　　研磨的目的是去(qù)除切割過程中(zhōng)造成的SiC切片表面的刀痕以及表面損傷層。由于SiC的高硬度，研磨過程中(zhōng)必須使用高硬度的磨料（如碳化硼或金剛石粉）研磨SiC切片的晶體(tǐ)表面。研磨根據工(gōng)藝的不同可分(fēn)為粗磨和精磨。

　　粗磨主要是去(qù)除切割造成的刀痕以及切割引起的變質層，使用粒徑較大(dà)的磨粒，提高加工(gōng)效率。精磨主要是去(qù)除粗磨留下(xià)的表面損傷層，改善表面光潔度，并控制表面面形和晶片的厚度，利于後續的抛光，因此使用粒徑較細的磨粒研磨晶片。

　　為獲得高效的研磨速率，SiC單晶襯底研磨液，需具有以下(xià)性能：

　　①懸浮性好，能分(fēn)散高硬度磨料，并保持體(tǐ)系穩定。

　　②高去(qù)除速率，減少工(gōng)藝步驟。

　　③研磨後SiC表面均勻（Ra＜1 nm），不容易産生(shēng)深劃傷，提高良率及減少後續抛光時間。

　　03

　　碳化矽單晶襯底抛光液

　　經傳統研磨工(gōng)藝，使用微小(xiǎo)粒徑的金剛石或碳化硼研磨液，對SiC晶片進行機械抛光加工(gōng)後，晶片表面的平面度大(dà)幅改善，但加工(gōng)表面存在很多劃痕，且有較深的殘留應力層和機械損傷層。

　　為進一(yī)步提高晶片的表面質量，改善表面粗糙度及平整度，使其表面質量特征參數符合後序加工(gōng)中(zhōng)的精度要求，超精密抛光是SiC表面加工(gōng)工(gōng)序中(zhōng)非常關鍵的一(yī)個環節，其中(zhōng)化學機械抛光（CMP）技術是目前實現SiC晶片全局平坦化最有效的方法。CMP是通過化學腐蝕和機械磨損協同作用，實現工(gōng)件表面材料去(qù)除及平坦化的過程。

　　抛光液是CMP的關鍵耗材之一(yī)，抛光液中(zhōng)的氧化劑與碳化矽單晶襯底表面發生(shēng)化學反應，生(shēng)成很薄的剪切強度很低的化學反應膜，反應膜在磨粒的機械磨削作用下(xià)被去(qù)除，從而露出新的表面，接着又(yòu)繼續生(shēng)成新的反應膜，如此周而複始的進行，是表面逐漸被抛光修平，實現抛光的目的。抛光液的質量對抛光速率及抛光質量有着重要作用，要求：

　　①流動性好，易循環，低殘留、易清洗；

　　②懸浮性能好，不宜沉澱和結塊；

　　③去(qù)除率高，不産生(shēng)表面損傷；

　　04

　　碳化矽單晶襯底抛光墊

　　抛光墊作為CMP系統的重要組成部分(fēn)，其主要功能是：

　　①把抛光液有效均勻地輸送到抛光墊的不同區域，因為在抛光過程中(zhōng)，晶片邊緣總是優先得到抛光液，中(zhōng)心部位總是難得到抛光液，如果抛光布墊中(zhōng)的孔被堵塞,則抛光液不能有效地傳輸到中(zhōng)心部位，則邊緣的化學作用将高于中(zhōng)心部位，中(zhōng)心部位抛光速率慢(màn)，從而使晶片抛光的平行度不好，因此抛光中(zhōng)必須保證抛光布墊的表面有很好的傳輸能力；

　　②将抛光後的反應物(wù)、碎屑等順利排出，這樣才能使表面下(xià)的晶片裸露出來繼續反應，然後再脫離(lí)表面,周而複始，從而達到去(qù)除作用；

　　③維持抛光墊表面的抛光液薄膜，以便化學反應充分(fēn)進行；

　　④提供一(yī)定的機械載荷，保持抛光過程的平穩、表面不變形，以便獲得較好的晶片表面形貌。

　　用于碳化矽襯底粗抛主要用無紡布抛光墊，精抛用阻尼布抛光墊。

　　無紡布抛光墊是一(yī)種複合型材料，其制備工(gōng)藝為将無紡布或編織布與聚氨酯通過浸漬工(gōng)藝複合起來，獲得了具有不同物(wù)化參數（硬度、壓縮率等）的産品。一(yī)般情況下(xià)，其硬度介于聚氨酯抛光墊和阻尼布抛光墊之間，在實現一(yī)定剛性的同時，也保留了相當的彈性，保證抛光墊與碳化矽襯底充分(fēn)接觸摩擦。且抛光墊内部的纖維結構呈三維貫通狀，更有利于抛光液的儲存和流動，最終滿足對碳化矽的高去(qù)除和平坦化需求。

　　阻尼布抛光墊一(yī)般是雙層結構，上層的多孔聚氨酯膜是通過将聚氨酯樹(shù)脂塗覆在特定的基材上經濕式凝固、水洗烘幹得到，下(xià)層的基材通常選用pet膜或者無紡布，兩者複合在一(yī)起即成為最終的成品。阻尼布抛光墊硬度較軟，能很好地與抛光工(gōng)件進行貼合，同時表面布滿微孔，承載抛光液，共同完成對晶圓表面的最終修飾，達到低缺陷，低粗糙度的要求。

　　最終，經化學機械抛光之後SiC單晶襯底表面能達到原子級平整且表面幾乎無微觀缺陷，具體(tǐ)指标為：粗糙度Ra ＜0.2nm，翹曲度Bow ＜-5 μm，翹曲度Warp＜10 μm，局部厚度差LTV＜1.5 μm，全局厚度差TTV＜5 m，邊緣 duboff/ rolloff控制在 +/-1mm，劃痕深度＜1nm。