SiC 晶片的切片和表面精加工解決方案

如今，碳化硅用于要求苛刻的半導(dǎo)體應(yīng)用，如火車、渦輪機(jī)、電動(dòng)汽車和智能電網(wǎng)。由于其物理和電氣特性，基于SiC的器件適用于高溫、高功率密度和高工作頻率是常見(jiàn)要求的應(yīng)用。盡管 SiC 功率器件推動(dòng)了電動(dòng)汽車、5G 和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)等要求苛刻領(lǐng)域的進(jìn)步，但高質(zhì)量 SiC 基板的生產(chǎn)給晶圓制造商帶來(lái)了多重挑戰(zhàn)。

如今，碳化硅用于要求苛刻的半導(dǎo)體應(yīng)用，如火車、渦輪機(jī)、電動(dòng)汽車和智能電網(wǎng)。由于其物理和電氣特性，基于SiC的器件適用于高溫、高功率密度和高工作頻率是常見(jiàn)要求的應(yīng)用。盡管 SiC 功率器件推動(dòng)了電動(dòng)汽車、5G 和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)等要求苛刻領(lǐng)域的進(jìn)步，但高質(zhì)量 SiC 基板的生產(chǎn)給晶圓制造商帶來(lái)了多重挑戰(zhàn)。
令人驚訝的是，的潛力仍在我們面前。基于碳化硅 半導(dǎo)體作為技術(shù)的基礎(chǔ)，將繼續(xù)在汽車、消費(fèi)電子、航空航天和醫(yī)藥等各個(gè)領(lǐng)域取得重大進(jìn)步。目前，汽車應(yīng)用主導(dǎo)著SiC市場(chǎng)，占整個(gè)功率SiC器件市場(chǎng)的75%以上。SiC 的加速采用導(dǎo)致 2021-2027 年預(yù)測(cè)期內(nèi)的復(fù)合年增長(zhǎng)率為 34%。
碳化硅應(yīng)用
SiC是先進(jìn)半導(dǎo)體的襯底材料，特別是 電力電子，以管理電子設(shè)備不斷增長(zhǎng)的需求。它允許更高的擊穿電壓15×，介電擊穿場(chǎng)強(qiáng)10×導(dǎo)熱率提高3×。此外，SiC 的電流密度高出 2× 至 3×并允許更高的工作溫度（高達(dá) 400°C，而硅為 150°C）。
由于其在高溫、電壓和功率水平下的性能，各行各業(yè)對(duì) SiC 半導(dǎo)體的需求更高。例如，SiC電源用于數(shù)據(jù)中心，以顯著減少冷卻系統(tǒng)所需的電量。 不間斷電源系統(tǒng) 還保證了恒定、可靠的電源。另一個(gè)應(yīng)用是5G基站的增強(qiáng)功率需求，它處理越來(lái)越多的數(shù)據(jù)。SiC 半導(dǎo)體以更小的尺寸提供更高的功率，用于兆赫茲開(kāi)關(guān)。
對(duì)汽車行業(yè)的好處
汽車行業(yè)受益于 SiC 在以下應(yīng)用中的優(yōu)勢(shì)：
? 車載電池充電器：在此應(yīng)用中，SiC 可以將功率提高一倍，同時(shí)將尺寸減半。
? 車載 DC/DC 轉(zhuǎn)換器：SiC 用于將車載電池電壓轉(zhuǎn)換為干凈的 12 VDC 總線，為車載設(shè)備供電。
? 動(dòng)力總成：在這里，SiC 有助于將開(kāi)關(guān)損耗降低到 80% 以下，尺寸縮小 30%。這導(dǎo)致更小的電池（更輕的重量，更少的熱量）和更長(zhǎng)的范圍。
? 非車載直流快速充電站
該行業(yè)的障礙不僅來(lái)自滿足未來(lái)五年需求所需的硅片數(shù)量龐大，還來(lái)自修改晶圓參數(shù)以匹配硅片參數(shù)。當(dāng)前和下一代生產(chǎn)技術(shù)將受到更嚴(yán)格的公差和標(biāo)準(zhǔn)的推動(dòng)。為了克服這些障礙，創(chuàng)新至關(guān)重要。
Pureon的碳化硅制造解決方案
由于市場(chǎng)的目標(biāo)是功率器件價(jià)格與硅基器件持平，因此SiC襯底生產(chǎn)商有動(dòng)力提高工藝效率并降低晶圓生產(chǎn)成本。此外，基于SiC的應(yīng)用和所有其他類型的半導(dǎo)體需求量極高，因此需要在制造過(guò)程中進(jìn)行創(chuàng)新。
大多數(shù)制造商認(rèn)為，減少加工時(shí)間或使用較便宜的耗材將節(jié)省成本。然而，通過(guò)提高產(chǎn)量，將大大降低擁有成本。整個(gè)制造過(guò)程受到耗材和表面處理選項(xiàng)的影響。在優(yōu)化產(chǎn)量的過(guò)程中，墊子、漿料和模板在運(yùn)行和批次之間的均勻性至關(guān)重要。二十年的SiC市場(chǎng)產(chǎn)品開(kāi)發(fā)和Pureon的半導(dǎo)體經(jīng)驗(yàn)幫助公司克服了制造障礙。

圖1：制造碳化硅晶圓（：Pureon）

優(yōu)化和提高產(chǎn)量的解決方案
Pureon通過(guò)自己的拋光和表面實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行測(cè)試并生成數(shù)據(jù)，因?yàn)樗且患揖哂袃?nèi)部晶圓加工能力的耗材制造商。此功能為客戶提供了具有代表性的數(shù)據(jù)，以降低新產(chǎn)品測(cè)試和鑒定的風(fēng)險(xiǎn)，并大大縮短了Pureon的開(kāi)發(fā)周期時(shí)間。因此，晶圓制造商工廠的測(cè)試和驗(yàn)收過(guò)程加快了。
直徑為200毫米的晶圓需要全新的制造工藝和機(jī)械。在流程的每個(gè)階段都引入了新的制造技術(shù)，以創(chuàng)建滿足這些新要求的大批量制造工藝。Pureon的理想定位是為SiC晶圓生產(chǎn)商提供下一代解決方案，通過(guò)提高生產(chǎn)力和降低擁有成本來(lái)實(shí)現(xiàn)市場(chǎng)的成熟。憑借更短的循環(huán)時(shí)間和更長(zhǎng)的易損件壽命，Pureon 的解決方案優(yōu)化和提高了產(chǎn)量。
Pureon解決方案的使用地點(diǎn)
必須首先切割單晶或錠的晶圓坯料，以準(zhǔn)備用于器件制造的SiC基板。實(shí)現(xiàn)此目的的主要方法是使用多線鋸從 SiC 鑄錠上切割晶圓坯料，細(xì)線與金剛石磨料漿一起高速運(yùn)行。圖1顯示了制造SiC晶圓的一般工藝流程。
在制造晶圓的過(guò)程中，在線鋸步驟中成功切割出高質(zhì)量的坯料可能是關(guān)鍵的一步，因?yàn)楹笃诰A形狀的改進(jìn)非常具有挑戰(zhàn)性。在線鋸工藝方面，Pureon 提供油基和非油基金剛石磨料漿作為選擇。為了進(jìn)一步改進(jìn)這一過(guò)程，Pureon 與線鋸原始設(shè)備制造商和客戶密切合作。漿料的專有化學(xué)成分和分類鉆石可確保批次間的一致性，從而在客戶現(xiàn)場(chǎng)實(shí)現(xiàn)可重復(fù)的工藝，并提高晶圓產(chǎn)量和質(zhì)量。
高表面質(zhì)量和令人印象深刻的切削率
使用包括金剛石和拋光墊在內(nèi)的拋光漿料對(duì)晶圓進(jìn)行機(jī)械拋光是生產(chǎn)SiC基板的下一個(gè)重要步驟。在雙面、單面或雙面和單面拋光工具的組合上，執(zhí)行典型的工藝。該生產(chǎn)步驟的結(jié)果是晶圓非常平坦，并且在準(zhǔn)備進(jìn)行終拋光時(shí)具有低粗糙度。
長(zhǎng)期以來(lái)，制造金剛石漿料一直是 Pureon 創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)的首要任務(wù)。該企業(yè)已經(jīng)找到了高度優(yōu)化的配方，可以調(diào)節(jié)各種SiC基板面上的材料去除率。Pureon開(kāi)發(fā)了用于研磨SiC晶圓的新解決方案，同時(shí)可實(shí)現(xiàn)高表面質(zhì)量和令人印象深刻的庫(kù)存去除率。

圖 2：使用 3 μm 單晶金剛石的三組分混合物設(shè)計(jì)中的代表性硅面 MRR（μm/小時(shí)）響應(yīng)表面（：Pureon）

使用 CMP 拋光墊獲得更好的效果
化學(xué)機(jī)械拋光（CMP）是SiC晶圓制造中一個(gè)重要階段的名稱。該工藝步驟的目的是準(zhǔn)備用于外延生長(zhǎng)的基板表面，無(wú)需或很少對(duì)晶圓形狀進(jìn)行修飾。這通常是通過(guò)使用高反應(yīng)性化學(xué)拋光漿料和聚氨酯基或聚氨酯浸漬毛氈型拋光墊僅從晶圓表面去除幾微米來(lái)實(shí)現(xiàn)的。在單面批處理工具中，晶圓被輸送到拋光墊并使用模板固定。在單晶圓工具中，晶圓使用真空卡盤和背膜固定。這些晶圓載體的材料必須對(duì)拋光漿料的高反應(yīng)性化學(xué)具有很強(qiáng)的抵抗力，因?yàn)樗鼈儠?huì)暴露在拋光漿料中。
為了降低擁有成本并延長(zhǎng)使用壽命，Pureon 不斷創(chuàng)建用于此工藝的晶圓模板和薄膜。由于Pureon與業(yè)界的密切合作，兩種用于SiC CMP的新型拋光墊已投放市場(chǎng)。由于這些新的CMP拋光墊，CMP程序現(xiàn)在更有效率并產(chǎn)生更好的結(jié)果。