│HOME
  

机械资讯 758期
次世代半导体晶圆材料复合加工技术

文/丁嘉仁(资深工程师)，翁志强(资深研究员)
工研院机械所 先进制造核心技术组
硬脆材料加工部

摘要

硬脆晶圆是半导体元件制程中重要的基板材料，目前次世代新式晶圆材料以碳化矽最受瞩目。
碳化矽虽具有优异材料物理特性，目前为继矽晶圆材料之后，被注目看好之替代材料。但其材料坚硬(达莫氏硬度9.25~9.5)加工耗时成为产能上之瓶颈，导致成本居高不下。本研究以大气电浆改质软化辅助抛光之技术，结合化学机械抛光制程，整合开发创新碳化矽晶圆复合抛光技术，达到加速四吋碳化矽晶圆抛光制程之移除效率，并提升基板之表面抛光品质。

1.前言

目前全球40%能量被使用为电能而消耗，其电能转换最大耗散是半导体功率元件。曾经的「中流砥柱」Si功率元件已渐趋其材料发展的极限，难以满足当今社会发展对于高频、高温、高功率、高能效、耐恶劣环境以及轻便小型化的新需求。碳化矽(SiC)因其宽能带隙、优异的导热性和良好的化学稳定性，适合做为高功率以及高温的半导体元件。以碳化矽等为代表的第三代半导体材料，将被广泛应用于光电子元件、电力电子元件等领域，以其优异的半导体性能在各个现代工业领域都将发挥重要革新作用，应用前景和市场潜力巨大。
在LED半导体照明领域，碳化矽技术同样发挥了重要影响和引领作用。以碳化矽为衬底，有效地解决了衬底材料与氮化镓(GaN)的晶格匹配度问题，减少了缺陷和位错，更高的电光转换效率从根本上带来更多的出光和更少的散热。高密度级LED技术可实现尺寸更小、性能更高、设计更具灵活性的LED照明系统，经过优化设计的光转换系统可实现最佳散热性能和光学性能，并且使得系统层面的光学、电学、热学、机械学成本大幅降低。
2014年美国总统欧巴马亲自主导成立了以碳化矽为代表的第三代宽禁带半导体产业联盟。这一举措的背后，是美国对以碳化矽半导体为代表的第三代宽禁带半导体产业的强力支持。据了解，这个产业目前已经获得美国联邦和地方政府总计1.4亿美元的合力支持。而早在2013年日本政府就将碳化矽纳入「首相战略」，认为未来50%的节能要通过它来实现，创造清洁能源的新时代。
2019年迄今碳化矽半导体已进入爆炸成长期，主要领导厂商如碳化矽晶圆主要供应商动态大厂科锐(Gree)宣布将投资近10亿美元，于美国北卡罗莱纳州特勒姆市建造全球最大的碳化矽制造工厂，扩大碳化矽产能；南韩SK Siltronic 以4.5亿美元收购杜邦的碳化矽事业，拓展车用功率半导体市场；日本昭和电工(Showa Denko)宣布加码投资增产6吋碳化矽晶圆等。
在车载碳化矽功率元件供应商动态方面，全球车用半导体大厂Infineon Technologies与Gree(占有全球90%的晶圆市场)结盟，确保其6吋SiC晶圆来源，扩大SIC产品的供应；意法半导体成为雷诺日产三菱联盟车用SiC功率装置合作伙伴；Delphi采用Cree旗下wolfspeed生产的SiCMOSFET，已取得欧洲顶级车场8年27亿美元订单，2022年起供货。
在车厂部分Honda及Nissan两家车厂在电动车上使用碳化矽电力电子元件，证实分别可降低46%及50%之能源损失；Tesla升级版Model S、Model X采用SiC功率电子元件，提升续航力至370以及325英里；雷诺日产三菱联盟预计采用于车载充电器搭载SiC元件，预计2021年起生产。
碳化矽晶圆虽具有优异材料特性，但由于碳化矽为莫氏硬度9.25~9.5(仅次于钻石)之超硬材料，如在最末段抛光加工制程仍需移除材料1~2μm之深度，以传统CMP抛光碳化矽晶圆需耗时约数十小时，因此加工耗时成为产能上之瓶颈，导致成本居高不下，约占晶圆售价约一半之加工成本，如图1。因此国外均致力提升大尺寸(直径≧4吋)碳化矽晶圆之加工效率。

2.新式复合制程

传统业界之碳化矽晶圆加工前制程，主要采用研磨(lapping)的方式，此种方式会导致表面有微细的刮痕进而造成元件效率低落，另有厂商采取轮磨(grinding)进行粗磨或粗抛，但仍有效率低与表面粗糙度不佳等缺点，因此粗加工后需以化学机械抛光(Chemical mechanical polishing，CMP)制程进行碳化矽晶圆精抛处理[1]，如图2所示。
另有文献[2]发表改良式化学机械抛光制程，混合胶态二氧化矽及奈米钻石磨料以提升材料移除速率。除此之外也采用二氧化钛(TiO2)及氧化铈(CeO2)做为研磨液，不仅提升了移除速率也可同时维持表面的粗糙度品质[3]。日本大阪大学[4]则利用水气大气电浆进行碳化矽表面氧化之辅助式抛光制程。然而，上述这些针对碳化矽晶圆加工制程的材料移除率(MRR)相当地低，传统材料移除率< 0.2 μm/h，以4吋碳化矽晶圆的抛光制程需耗时≧10小时，导致产能无法有效提升且加工成本居高不下。
为有效提升碳化矽晶圆(硬脆材料)加工之材料移除效率，降低加工时于材料表面产生之损伤变质的材料瑕疵，目前相关研究纷纷导入复合式加工概念。例如于传统磨粒加工过程附加导入化学、振动、电化学改质或雷射加工等复合机制。
本技术则是采用超音波及电浆辅助加工技术，架构新式复合晶圆加工制程。超音波辅助轮磨主要针对晶圆立式高耗数轮磨制程(>8000号)，导入超音波振动机制，降低砂轮填塞，并增进砂轮自锐功效。电浆辅助加工则是运用一种电浆氧化、蚀刻的程序，藉由电浆激发时所产生的具高活性的反应性物种，与处理物表面原有的组成结构作用后，使表面产生不稳定的键结结构，用以促进抛光加工制程的移除率。本研究目的即在于以新型复合加工技术改良传统轮磨与抛光设备加工材料移除效率不佳之瓶颈，期能有效缩短加工时间，提升材料移除率制程效率。

3.超音波辅助制程

超音波振动模组系依靠压电材料高频的做长度变化为原理。当电源正极与压电陶瓷之正极相接，负极与负极相接时，压电陶瓷之长度会伸长。相反的，电源之负极与压电陶瓷之正极相接，正极与负极相接时，其压电陶瓷长度之缩短，在开路状况时则是其自由长。根据压电材料的特性，可将其装置于工具机之夹刀头之后，做为超音波振动之驱动源。压电图2 既有技艺之优缺点元件受到电源的驱动后于砂轮盘座后做长度变化，而其产生之机械波直接传递到砂轮盘座上夹持的砂轮即可于砂轮上产生振幅。
本所开发完成之超音波模组及加工设备平台如图3。搭配日系8000号钻石砂轮进行四吋碳化矽晶圆精轮磨加工测试，设定加工移除量30um，无超音波辅助进给速率2um/min，移除量约2um；以超音波辅助进给提升至12um/min，移除量约17um。
加工效率大幅提升。Ra达1~2nm。8000号加工完毕之晶片面粗度Ra达1~2nm，传统粗抛光表面Ra约10nm，将可大幅降低细抛制程之加工负荷。无超音波辅助进给速率2um/min，移除量约2um；以超音波辅助进给提升至12um/min，移除量约17um。加工效率大幅提升。以超音波辅助轮磨加工效率提升约36倍。
开发之晶圆薄化用超音波加工模组，相较国外大厂类似功能之相关设备，每台薄化设备成本将大幅下降，可协助国内相关厂商自主建立设备并开拓市场，直接提升相关传统设备产业升级，同时支援半导体及光电产业元件开发。搭配关键耗材开发，可望突破技术长期仰赖国外瓶颈。

4.电浆复合加工技术

在传统晶圆制程中，碳化矽晶圆在游离磨粒研磨(lapping)加工后，表面变质层下易产生微裂痕(microcrack)，加上材料化性稳定，导致后续抛光加工瓶颈耗时(视前段制程造成的优劣，抛光需数小时~大于10小时)，导致成本居高不下，急待开发创新制程加以改善。针对硬脆难加工材料之加工制程研究，国外研究单位已有使用复合加工概念进行，例如导入振动辅助抛光之研究发表[5, 6, 10]，但仅止于矽晶圆加工，使用在超硬脆碳化矽材料仍不常见。
目前业界提升碳化矽抛光速率的方案为添加具毒性的化学强氧化添加剂(如KMnO7、KNO3)增加抛光速率、或更改磨粒并配合强氧化剂的使用来提升抛光速度；然而添加剂容易分解且对人体有害，对于环境的污染度高，且可能造成机台损伤。工研院提供创新复合制程及设备解决方案，在传统的CMP处理时搭配大面积大气电浆系统，促使SiC晶圆表面软化或形成气态物种脱离表面，提升CMP的抛光速率。
本电浆辅助抛光设备属于干式非接触制程，无废液排放且不会造成因物理性接触导致表面损伤；设备于大气下运作，无须腔体以及真空设备，易于与CMP系统整合。采用专利柱状电极非对称排列，最新第四代多片具水冷载盘机型可同时处理4”SiC晶圆3片。而所应用的理论基础，为藉由电浆解离气体形成具化学反应性之物种，与SiC表面反应使SiC的键结形式置换为SiOx或者SiF4而达到电浆表面改质的效果。文献中指出，在蚀刻气体的选择上，可以选择如NF3、CF4、SF6等含氟气体与氧气混合产生活性物种[7]，而产生SiC+O*→SiO2+COx;S i O 2 + 4 F * → S i F 4 ;SiC+F*→SiF4+CFx等反应[8]。而Inga-Maria Eichentopf等人提及，过高的氧分量以及特定加热温度(150度)时，会使蚀刻的速率下降，显着影响SiC的移除速率[9]。
在大气压下产生大面积的电浆，主要的挑战在产生电浆的电极间气体密度过高，因此相较于真空电浆系统，电极间距通常在um~mm的尺度间，当两电极的平行度以及组装精度产生些微的误差时，电浆就无法均匀的分布在整个面形，而趋向于分布在电极间距较小的位置造成电浆仅产生于整个面型的某个局部区域。
因此在大面积的处理需求下，工研院的系统采用专利电极设计概念(中华民国专利号：I610329)，利用非对称柱状电极的设计，使电浆易于激发且被强迫拘束于柱型结构的位置，透过柱型结构位置排列计算以及下电极的旋转机制，使所产生的电浆处理范围涵盖整个电浆处理范围，目前所设计的电极，适用于商业用355 mm标准CMP承载盘面，电浆分布于如图4所示的环形区域中，其环形区域可涵盖电4" SiC晶圆。柱状电极的分布设计要点在于由内至外数目逐渐增加，使内外圈单一柱状电极单位时间内旋转的扫略面积误差<10%、相邻两圈的柱状电极需重叠或至少相切、以及凸点的分布不可过度集中，需均分于整个盘面范围为原则，详细的设计原则详见中华民国专利，公开号202002725。气孔的分布则同样由内而外均匀分布，并针对气孔的分布进行模拟调整，最终于整个电浆反应区域气流均匀，如图5。
内藏接地电极陶瓷载盘(如图6)主要功能为承载碳化矽晶圆以及作为电浆产生的接地电极；此承载盘尺寸规格采用现行CMP抛光机台的标准规格；电浆处理后，碳化矽晶圆可直接传输抛光；内藏接地电极陶瓷载盘放置于同时具有承载、定位、举升陶瓷盘、电性导引、旋转、水平移动、冷却等的多功能载台。大气电浆的实际点浆状态则如图7。全机已完成自动化，整合样品上下料移载、制程气体导入、电浆阶段点浆参数变换制程控制程序，参数设定完成后，单键即可完成电浆处理程序。
为了解添加气体种类、电浆功率等参数对于电浆物种的影响，于机台建置时，将光纤放置锁固于上电极气体遮罩，使遮罩下移后光纤收光位置落于上下电极间的电浆产生区；以分光波段400-800 nm、光谱解析度<1 nm的分光光谱仪，对电浆产生的物种进行监测；电浆光谱物种相对强度的变化，将有助于电浆参数调整以及监控的依据。
图8为同时添加O2以及CF4于He的特征光谱，于600-800 nm间出现包含F、O相关键结，显示所产生的反应物种种类，应有助于SiC的氧化以及蚀刻反应。由文献中指出此时可能有O+CF3→COF2+F、O+CF2→CO+2F or COF+F orCOF2、O+COF→CO2+F等反应，上述上述反应均有处于生成F的物种，有助于提升SiC的反应；事实上，于移除率实验的初步结果亦显示，单独O添加20 sccm无蚀刻效果；而单独添加CF4其移除率约0.192 um/hr；而添加同时添加CF4/O2的参数下，其移除率约为1.2 um/hr，验证在氧化以及蚀刻反应进行时，需同时添加CF4以及O2，才具有移除率显着提升的效果。至于CF4/O2的最佳比例，需进行晶圆抛光测试调整验证。
针对电浆改质前后的表面键结变化状态，以X光光电子能谱术分析，其结果如图9所示。图9左以及右分别代表碳化矽C、Si元素电浆处理前后的变化情形。底部(prinstine)代表原始的碳化矽化学键结结构，经峰值匹配分析，可于C 1s能谱图中解析出代表C*-Si的峰值(282.9 eV)，而于Si 2p能谱中也可解析出代表Si*-C的峰值(100.4 eV)；经过电浆处理后，表面的键结明显改变，于C 1s能谱中出现(2)-(5)代表氧化的峰值，而同样于Si 2p的能谱中也可观察到(7)代表Si*-O (102.6 eV)的新键结型态。
此可证明经过电浆处理后，表面的确除原本SiC键结外，新形成氧化的键结状态，达到预期的电浆处理目标；除图X外，表面亦可侦测到F元素的存在，显示电浆可使碳化矽晶圆达成表面氧化、氟化改质制程，快速使晶圆表面产生硬度较低之氧化矽奈米级松散薄膜(Si-F bond、Si-O bond)，表面元素组成由原先高硬度之碳化矽改变为低硬度易移除之SiOx以及SiFx，有助于提升的机械抛光制程速率。
为验证复合抛光程序的移除量，实际进行电浆改质+抛光的程序，图10左方机台为工研院电浆辅助抛光机台；右方为机械研磨抛光机台。实验进行方式为我方变换电浆参数以电浆处理碳化矽晶圆后，将晶圆取出以精密天平量测处理前后的重量变化情形；再将晶圆放置于抛光机台进行抛光，并于抛光完后量测重量的变化状况，纪录后换算成为抛光的速率。抛光液采用无添加高腐蚀氧化物质的标准抛光液，单以抛光机台抛光其抛光速率约为0.4um/hr。
运用实验方法分别针对电浆功率、电浆间距、转盘旋转速度、气体添加种类、添加量、添加比例等设计实验，图11为探讨O2添加量对于移除率的测试数据，由图中显示O2的添加量存在一个最佳的添加量(须配合其余参数设定，制程机密其余参数恕不公开)；当O2的添加量与其余气体添加的比例达到一个最佳区间时，其电浆的材料移除率可达2.56 um/hr；添加量不足或过多，均会导致移除率的下降。就目前的测试结果，加入电浆处理于机械抛光的复合加工程序，相较于传统的机械抛光，可有效提升抛光速率>5倍。

6.电浆复合抛光测试结果

进行制程整合部份，除持续优化电浆与低频振动辅助制程外，并将相关制程所开发之硬体设备模组化，并尝试开发简易整合用晶圆承载载具，其特色在于内含电浆改质下电极设计(如图12)，此外并建置搭配机械化学抛光设备以进行整合实验，如图13，以利整合大面积晶圆复合抛光实验验证。
大面积(4 inch)面型电浆改质整合验证同时进行晶圆材料与抛光液测试、加工压力调整与优化及抛光液pH值与温度优化。

7.结论

碳化矽晶圆因具有优异的耐高电压、耐热以及低损耗等材料特性，是高功率电子元件所需关键晶圆材料，可应用于制作高阶电源供应及控制等绿色电子元件。在环保意识日益高涨之际，能源有效利用率成为关注焦点，碳化矽材料正扮演关键角色。全球SiC晶圆市场规模从2012年的5,260万美元，以年成长率28.01%持续急速成长，2015年扩大到8,790万美元，2020年将扩大到5亿5,250万美元。
台湾虽为全球半导体产业重要基地，且材料为工业之母，先进晶圆材料开发极为重要，然而晶圆加工制程所需之超精密加工设备，却长期仰赖国外进口，有鉴于矽半导体与蓝宝石光电半导体产业，因制程与加工设备(与材料)长期受制于国外大厂垄断。以晶圆薄化轮磨设备为例，日系大厂DISCO就垄断大部份市场至今，导致我国产业国际竞争力不断下滑。在全球化竞争的环境中，仅以制程优势不足以应付瞬息万变的竞争环境，唯有进一步扩展至关键制程设备及材料领域，方能长期主导并确保竞争优势。
纵观国内加工耗材传统产业，如加工砂轮、抛光液与磨料等产业，也面临国际竞争而逐渐外移，期藉由本计画新制程技术与设备开发，可形成新的产业策略联盟，协助振新国内磨粒加工耗材传统产业。
本创新研究技术由制程出发，创新开发制程所需之模组设备，建立SiC晶圆电浆辅助复合加工技术，加工效率为原来的4~5倍，经提升加工效率，可望降低30~50%加工成本。后续规画搭配制程耗材与设备模组开发，成果应用可扩及晶圆材料制造厂商、制程设备商及制程耗材供应商。运作策略是先与产品材料商合作，协助其开发有别于传统制程，抢得其于新产品新制程的应用设备先机。待产品技术开发完成后，再将设备技术移转给国内设备厂商做量产及技术扩散合作，期望以此策略有助于协助国内厂商直接打入国际大厂生产设备供应链、将设备开发应用导向直接切入新世代产品来协助台湾厂商居于国际领导地位而提高其竞争力。ITRI团队掌握硬脆材料研磨抛光关键制程及大气电浆源制作关键技术，藉由SiC复合加工开发的制程合作，可望带领台湾碳化矽制程设备业者切入国际次世代相关产品供应链。
Back
电话: 886-2-23494666 ‧ 传真: 886-2-23813711 ‧ 电子信箱: tami@tami.org.tw ‧ 会址 : 100 台北市怀宁街 110 号
版权所有 © 2004-2023 台湾机械工业同业公会