碳化硅晶片抛光模板：碳化硅加工的耐化学解决方案
碳化硅是最硬的普通半导体基材，需要化学侵蚀性最强的 CMP 研磨液。标准抛光模板在数周内就会失效。本指南介绍碳化硅加工的实际要求，以及为什么 CXT 级模板是唯一可行的生产解决方案。.
碳化硅晶片市场与抛光挑战
碳化硅（SiC）具有卓越的击穿场强（3 MV/cm 对硅 0.3 MV/cm）、高热导率（4.9 W/cm-K 对 1.5 W/cm-K）和宽带隙（4H-SiC 为 3.26 eV），可使器件在硅无法达到的温度和电压下工作，因此已成为电力电子器件的主流宽带隙半导体衬底。SiC MOSFET 和肖特基二极管在电动汽车逆变器、电动汽车充电基础设施和工业电机驱动器中的快速应用，推动了晶圆产量从 2015 年的接近零增加到 2024 年的每年数百万片，预计到 2020 年代末将继续保持两位数的年增长率。.
这种增长带来了扩大 SiC 硅片抛光能力的迫切工业需求，同时也使制造商面临着一个基本的工艺挑战：SiC 的硬度和化学惰性极高，使其成为最难按照规格进行抛光的半导体材料之一。如果不从根本上改变研磨液的化学成分、施加的压力以及关键的抛光模板规格，就无法将直接适用于硅的抛光工艺应用于碳化硅。.
理解 抛光模板基础 这是理解为什么碳化硅需要一种完全不同的模板方法的先决条件，而标准硅抛光供应商往往无法提供这种方法。.
碳化硅与硅：加工工艺为何存在本质区别
这些差异都会直接影响抛光模板的规格。碳化硅的硬度极高，需要施加更高的压力，这就需要比标准硅抛光更坚硬的底垫和更坚固的载板。CMP 研磨液的化学成分（氧化剂基，通常呈强酸性）与 FR-4 和 G-10 层压板模板的化学成分不相容。较慢的材料去除率意味着每个抛光周期所需的时间更长，使模板暴露在化学浆液中的时间是典型硅抛光周期的 3-5 倍，从而加速了任何非抗性模板材料的化学降解。.
碳化硅晶片抛光工艺流程
碳化硅晶片制造涉及多步抛光序列，每一步都有不同的材料去除目标、表面质量要求和工艺条件。抛光模板在每个步骤中与工艺的相互作用各不相同，了解整个流程就能明确哪些步骤对模板至关重要，以及为什么。.
清除切割晶片表面的线锯损伤。在高压（8-15 磅/平方英寸）下使用金刚石研磨浆。材料去除：每面 50-150 微米。该步骤通常使用研磨板，而不是抛光模板；从 CMP 步骤开始，模板就变得非常重要。.
在 4-7 磅/平方英寸的压力下，使用金刚石或碳化硅磨料浆清除研磨后留下的表面下损伤层。目标去除量：5-20 µm。这是使用抛光模板的第一步，与研磨液的化学相容性是对模板的首要要求。.
需要 CXT 级模板 - 邵氏硬度 A 70-80 的衬垫使用基于 KMnO₄（Si-face）或 H₂O₂ 的浆料，在 pH 值为 2-11 的条件下进行核心 SiC CMP 步骤。去除 1-5 µm，以达到目标表面粗糙度（Ra < 0.2 nm）和晶片平整度。化学腐蚀性最强的步骤--FR-4/G-10 模板在此步骤中会迅速分层。.
必须使用 CXT 级 - 耐 KMnO₄ / H₂O₂ - 建议使用 EER 级在较低压力（2-4 磅/平方英寸）下使用精细胶体二氧化硅浆料实现亚纳米粗糙度目标（Ra < 0.1 纳米）。可以使用相同的 CXT 级模板，但衬垫可以更软一些（邵氏 A 55-65），以提高降低工艺压力时的压力均匀性。.
CXT 级 - 用于最后抛光步骤的较软衬垫检查晶片的 TTV（150 毫米碳化硅通常小于 5 微米）、表面粗糙度、弯曲度、翘曲度和正面缺陷密度。与模板相关的缺陷（纤维污染造成的划痕、焊盘磨损造成的 TTV 漂移）也在此阶段被识别出来。.
SiC CMP 泥浆化学性质与模板兼容性
SiC CMP 抛光模板所面临的化学挑战源于要在化学惰性的 SiC 表面上实现有意义的材料去除率所需的浆料化学性质。硅与碱性二氧化硅浆料可通过广为人知的氧化-水化机制自发发生反应，而碳化硅则不同，它需要一种强氧化剂将表面的碳化硅层转化为较软的氧化物或氢氧化物相，然后研磨颗粒才能以机械方式将其去除。SiC CMP 生产中使用的两种氧化剂系统都有不同的化学兼容性要求。.
基于 KMnO₄ 的浆料（Si-Face CMP）
高锰酸钾（KMnO₄）在碱性介质（pH 9-11）中的浓度为 0.1-5 wt%，是硅面（0001）SiC CMP 的主要氧化剂体系。KMnO₄ 是一种强氧化剂（标准还原电位 +1.51 V），可将 SiC 表面转化为水合 SiO₂/MnO₂ 复合层，便于金刚石或铈磨料的机械去除。强氧化性化学成分与碱性 pH 值范围的结合使该系统同时对模板的环氧树脂基体（通过氧化剂侵蚀）和纤维-树脂界面（通过碱性水解）产生侵蚀作用。标准的 FR-4 和 G-10 模板在这种环境中会在 20-40 个周期内失效。.
基于 H₂O₂ 的泥浆（C 面和机械步骤）
过氧化氢（H₂O₂）在酸性介质（pH 值为 2-5）中的浓度为 1-30 wt%，可用于 C 面（000-1）CMP 和机械平面化步骤，在这些步骤中，需要使用较温和的氧化剂。H₂O₂ 的活性低于 KMnO₄，但与酸接触会产生氟化物或过氧化物自由基，对环氧树脂基质具有高度腐蚀性。与碱性 KMnO₄ 系统相比，酸性 pH 值为氧化剂攻击增加了第二种降解机制，加速了模板的失效。在 H₂O₂ 酸性浆料中的 FR-4 和 G-10 模板通常在 30-50 次循环后就会失效。.
为什么 FR-4 和 G-10 模板在 SiC CMP 中会失效 - 失效序列
标准层压模板在 SiC CMP 中的失效并不是渐进式的性能下降，而是具有明确顺序的渐进式结构失效。了解了这一顺序，就有可能在碳化硅工艺中意外使用层压模板时识别出预警信号，并量化失效风险。.
环氧表层在初始循环中提供了足够的化学屏障。TTV 和表面质量符合规范。这一时期会让人误以为模板是兼容的--这是最危险的阶段，因为潜在的降解是看不见的。.
MnO₂ 或氧化副产物会将承载板表面染成棕黑色。在 KMnO₄ 或 H₂O₂ 渗入表面环氧层的纤维-树脂界面处开始出现微脱层。随着孔壁环氧树脂的膨胀，工作孔直径开始漂移。TTV 可能仍在规格范围内。.
层压板层之间出现分层，在载板表面可见凸起的水泡。工作孔直径偏差超过 20 微米，导致 TTV 偏移。玻璃纤维束暴露在分层边缘，并开始脱落到浆料中。划痕缺陷数量显著增加。.
大块脱层部分会污染浆液槽。玻璃纤维和树脂碎片会在所有晶片上造成严重的划痕缺陷。如果使用 KMnO₄浆料，晶圆表面会受到锰污染。模板的结构完整性会受到影响，并且由于层压板的一致性丧失，载板的弯曲度也会增加。.
CXT 级模板：解决方案架构
CXT 级抛光模板从结构层面而不是通过表面处理或涂层方法来解决碳化硅兼容性问题。其根本创新在于完全取消了层压结构 - CXT 模板由无缝的整体材料制成，没有可能脱层的层界面，也没有可能在加工表面脱落的玻璃纤维加固层。.
无缝结构为何对碳化硅至关重要
在碳化硅 CMP 中破坏 FR-4 和 G-10 模板的分层失效模式需要一个层压界面，即由环氧树脂粘合的玻璃纤维层之间的平面边界。当氧化剂化学侵蚀该界面时，由于层间剪切强度远低于材料的平面内拉伸强度，分层会在层间平面内传播。如果没有这个界面，就不存在分层失效模式。CXT 模板可以在工艺条件下无限期地浸泡在 KMnO₄ 或 H₂O₂ 浆料中，而不会发生任何结构变化--唯一的使用寿命限制是衬垫的机械磨损，这是一种与化学兼容性无关的可预测的消耗品生命周期。.
耐化学性范围
CXT 级材料可在 pH 值为 2-13 的条件下保持尺寸稳定性和结构完整性，包括在强氧化剂（KMnO₄、H₂O₂、HF）、强酸（H₂SO₄、HNO₃）和强碱（KOH、NaOH）存在的条件下。尺寸稳定性的最高使用温度通常为 80°C，远高于任何半导体抛光工艺温度。此电阻包络线涵盖了目前生产中使用的所有 SiC CMP 研磨液化学成分，以及所有正在开发的下一代 SiC 研磨化学成分。.
尺寸稳定性优势
除了耐化学性之外，CXT 模板在 SiC 高压工艺条件下的尺寸稳定性优于 FR-4 和 G-10。CXT 材料的横截面均匀，纤维和树脂基体之间没有不同的 CTE，消除了层压材料在高压循环机械负载下可能产生的微裂纹。因此，在模板的使用寿命期间，工作孔深度更加稳定，更换周期之间的 TTV 漂移也更小。.
在所有抛光应用中将 CXT 与 FR-4 和 G-10 进行比较的完整材料工程案例，请参阅我们的 FR-4 与 G-10 抛光模板材料指南.
高压碳化硅抛光背垫的选择
SiC CMP 的工艺压力较高（4-7 psi，而硅 SSP 为 2-4 psi），对衬垫的选择提出了与标准硅抛光不同的要求。在更高的压力下，软衬垫会过度压缩，失去对工件孔深度的尺寸控制，而工件孔深度决定了 TTV，而正确指定的较硬衬垫则能在负载下保持厚度，并在整个抛光周期中提供一致的压力分布。.
| 碳化硅工艺步骤 | 压力范围 | 底垫邵氏硬度 A | 衬垫厚度 | 理由 |
|---|---|---|---|---|
| 机械平面化（CMP-1） | 5-7 磅/平方英寸 | A 岸 70-80 | 0.5-0.8 毫米 | 高压要求坚硬的衬垫，以保持工作孔深度控制并防止 TTV 偏移 |
| 氧化剂 CMP (KMnO₄ / H₂O₂) | 4-6 psi | A 区 65-75 | 0.6-0.9 毫米 | 中硬衬垫兼顾了压力均匀性和高负载时所需的硬度 |
| 最终 CMP / epi-ready | 2-4 psi | A 区 55-65 | 0.7-1.0 毫米 | 减少压力可使衬垫更软，从而提高均匀性；最后一步 TTV 优化 |
背垫硬度也与碳化硅抛光周期长有关。在 5 磅/平方英寸的压力下进行一次碳化硅 CMP 周期，去除 2 微米的材料大约需要 10-30 分钟，比进行类似材料去除的硅 SSP 周期长 3-5 倍。在这一延长的周期中，垫片在恒定载荷下的压缩会导致厚度逐渐减小，从而改变有效的工作孔深度。对于碳化硅 CMP，标准做法是描述加工压力下背垫压缩随时间变化的情况，并在工作孔深度规格中考虑稳态压缩偏移。.
关于 CMP 应用中选择衬垫的原则，包括在压力均匀性和平面化效率之间权衡邵氏 A 硬度，我们在以下文章中有详细介绍 CMP 中的抛光模板和晶片平面度.
碳化硅基板的边缘轮廓和 EER 设计
与硅相比，碳化硅晶圆的边缘轮廓情况更具挑战性，原因有二：较高的工艺压力增加了晶圆边缘的焊盘偏移量（更大的压力意味着更大的滚落力），较长的抛光循环时间意味着过度抛光的边缘区域在单个循环过程中会积累更多的材料去除差。这些因素结合在一起，在模板几何形状相同的情况下，与 Si SSP 相比，SiC CMP 产生了更大的边缘滚落高度和更宽的禁区。.
如果不使用 EER，使用标准模板几何形状的 150 mm SiC 晶圆的典型边缘排斥范围为 4-6 mm，大于硅的典型边缘排斥范围 3-5 mm。对于晶粒靠近晶圆边缘在经济上非常重要的碳化硅功率器件应用（碳化硅晶粒的生产成本很高，每个可回收晶粒都很重要），这种边缘排斥代表着显著的产量损失。与同等硅应用（50-150 微米）相比，SiC 模板的边缘增强环具有更高的 EER 高度（100-300 微米），以补偿制程压力升高时更高的滚动力。.
用于碳化硅的 EER 设计还得益于无缝 CXT 结构：由于 EER 的加工表面没有层压板层脱层，因此与 FR-4 或 G-10 相比，EER 可以加工出更复杂的几何形状，公差更小，而且不会有纤维脱落的风险。完整的 EER 设计方法，包括四个几何参数和鉴定过程，详见我们的 边缘设计和边缘排除工程指南.
模板周期寿命和更换规划
对于碳化硅 CMP 模板而言，循环寿命完全取决于背垫的机械磨损--当坚硬的碳化硅磨料颗粒和抛光作用使背垫化合物逐渐变薄时，背垫厚度会减少。由于 CXT 级材料没有化学降解失效模式，因此模板主体（载板）在 SiC CMP 化学反应中的使用寿命基本上是无限的。只有背垫是需要更换的磨损部件。.
各工艺步骤的典型周期寿命
在 5-6 psi 压力下使用标准 KMnO₄金刚石浆料：60-90 个抛光循环后，抛光垫厚度才会下降到 ±15 µm 的均匀性临界值以下，从而确保 TTV 性能。在减压条件下（3-4 psi，最后 CMP 步骤）：一般为 100-150 个周期。这些数字明显短于硅 SSP 模板寿命（100-200 个周期），因为 SiC 的硬度更高，工艺压力更大，导致每个周期的焊盘磨损速度快 2-3 倍。.
监测和更换触发器
SiC CMP 模板的正确更换触发点不是固定的周期数，而是测量的衬垫厚度标准 - 通常是新衬垫标称厚度的最小绝对厚度为 70-80%，整个衬垫区域的最大厚度不均匀度为 ±20 µm。在统计过程控制图上跟踪 TTV 与模板循环次数的函数关系，可提供由衬垫磨损引起的 TTV 漂移的早期预警，通常在达到尺寸临界值前 10-15 个循环。.
完整的碳化硅抛光模板规范参考
以下规范摘要将本指南中讨论的 SiC 特定要求整合为一个单一参考，供指定 SiC CMP 抛光模板的工程师使用。有关适用于所有模板类型的完整 6 参数规范方法，请参阅我们的 6 参数规格指南.
碳化硅抛光模板的鉴定策略
新 SiC CMP 抛光模板的鉴定要求采用结构化方法，依次验证化学兼容性、尺寸精度和工艺性能，这反映了故障模式的优先等级。在为期 12 周的鉴定计划中，如果模板在第 3 周出现化学失效，那么该计划就会毁于一旦；如果材料不能通过化学鉴定，那么尺寸和工艺鉴定就毫无意义。.
第 1 阶段：化学兼容性验证（1-2 周）
在任何抛光运行之前，都要通过加速浸泡测试来验证模板批次与生产浆料化学成分的兼容性。将合格批次中的三块模板浸入生产浆料（或工艺温度下具有代表性的浆料槽模拟液）中 100 小时，相当于 50-80 个 SiC CMP 周期。在浸泡测试前后进行尺寸测量（载板弧度、工作孔直径）。零分层、尺寸变化小于 2 µm、载板表面无视觉退化是合格标准。CXT 级模板始终能通过该测试；FR-4 和 G-10 模板则在 20-40 小时内无法通过该测试。.
第 2 阶段：尺寸和热转印鉴定（2-4 周）
通过第一阶段的模板进入抛光鉴定阶段。在额定工艺条件下，对每个模板上的 5-10 块碳化硅晶片进行抛光。根据产品规格测量 TTV、表面粗糙度和边缘轮廓。建立 TTV 与模板周期数函数的 SPC 控制图。测量每个周期的 TTV 漂移率，并用于预测模板更换周期。.
第 3 阶段：生产资格扩展（4-8 周）
模板在生产条件下运行整个预计循环寿命，并在规定的间隔检查点进行过程中 TTV 测量。目的是验证更换触发规范--确认 TTV 性能在背衬垫厚度达到更换阈值的循环次数内保持在规范范围内，并且 TTV 在超过该点时会明显恶化。该阶段可提供必要的数据，以便有把握地制定生产模板更换计划。.
