利用CMP降低SiC晶圆生产成本并提高效率

碳化硅(SiC)半导体产量的快速增长推动了工艺技术的重大进步，以应对挑战并充分利用SiC的优势。SiC材料的主要改进包括提高晶体质量、降低缺陷率和提高产量。

在化学机械平坦化(CMP)方面，降低应力等进步至关重要，因为应力会影响晶圆形状(尤其是弯曲和翘曲)，从而对晶圆处理和加工带来重大挑战。这些技术进步对SiC生产的经济性有着深远的影响。产量是所有半导体相关商业考虑的关键经济因素，对于SiC尤其如此。

2024年7月，CMP设备提供商Axus Technology宣布，该公司的Capstone CS200系列加工工具销量激增，表明人们对150mm和200mm SiC晶圆批量生产重新燃起了兴趣。CS200系列能够同时处理两种不同的晶圆尺寸，从而实现了业界最高的吞吐量和产量。

SiC技术和CMP工艺的改进提高了晶圆质量，从而提高了产量。此外，拥有成本和生产率的提高也有助于降低制造成本。这些因素共同推动了市场的采用，对电动汽车、可再生能源和大功率电子产品等关键的SiC应用产生了重大影响。

SiC的价值

SiC晶圆作为第三代半导体材料，因其在高温、高频和大功率应用中的性能而备受推崇。对SiC晶圆的需求不断上升，特别是在电动汽车、光伏发电和高频电子设备领域。然而，受多种因素影响，它们的价格仍然居高不下且波动剧烈。

首先，高纯度碳和硅原材料的成本直接影响晶圆生产成本。物理气相传输(PVT)和化学气相沉积(CVD)等复杂的生产工艺，也因其技术难度和设备要求而导致成本居高不下。更大的晶圆尺寸(如150mm和200mm)生产起来也更具挑战性，从而进一步增加了成本。

高质量的SiC晶圆具有低缺陷密度和高电导率的特点，但由于需要先进的技术，其生产成本也很高。市场供求动态对价格有很大影响，供不应求会导致价格上涨。随着时间的推移，技术进步和更大的生产规模可以降低成本。政府政策和补贴也会降低企业的生产成本，从而对价格产生影响。最后，包括原材料供应和物流在内的供应链因素，也会影响晶圆的最终价格。

了解这些因素对于企业做出明智的生产和市场规划决策至关重要。

化学机械平面化

与硅相比，SiC器件晶圆的CMP处理因其材料的复杂特性而面临巨大挑战。SiC晶圆比较脆，因此需要专门的载体和处理程序来最大限度地减少破损。SiC的硬度几乎与金刚石相当，因此需要更长的加工时间、更苛刻的条件和化学处理。

由于具有宽禁带(WBG)，SiC晶圆的透明度很高，这使得在加工过程中感知晶圆的存在和位置变得更加复杂。SiC晶圆的厚度只有硅晶圆的一半，因此在加工过程中更难固定，也更容易开裂和碎裂。由于厚度较薄，SiC晶圆容易受到应力影响，导致弯曲和翘曲问题，这就需要先进的处理技术和灵活的系统架构。

图1：Axus Technology总裁兼首席执行官Dan Trojan。(来源：Axus Technology)

在接受笔者采访时，Axus Technology公司总裁兼首席执行官Dan Trojan(图1)强调了Axus的CMP方法与传统方法的显著差异，尤其是在处理SiC和氮化镓(GaN)等WBG材料时。据Trojan称，该公司的Capstone平台以其独特的架构体现了这种创新，提供了先进CMP能力所必需的高度灵活和高效的加工方案(图2)。传统的CMP工具设计植根于长期的行业应用，没有预见到WBG材料提出的特定需求。

“先进的工具架构与新支持技术的开发和集成相结合，大大提高了耗材利用率。”Trojan说。这一改进降低了工艺成本，同时提高了工艺和产品质量。WBG材料给晶圆处理带来了新的挑战，例如需要双面处理和管理晶圆的易碎性。这些挑战源于WBG衬底的固有特性，包括其厚度、脆性、应力和易受表面下损伤的程度。

优化WBG加工的一个主要挑战是原位工艺温度控制，因为WBG材料硬度较高，需要更苛刻的工艺条件。此外，SiC衬底制造商从150mm晶圆过渡到200mm晶圆也带来了诸多挑战。Capstone的架构有助于交替甚至同时处理两种晶圆尺寸，而无需更改硬件、软件或工艺/耗材。Trojan表示：“这种能力大大加快并简化了成功完成这一过渡所需的工作。”

Capstone还因其是唯一提供集成CMP后清洁功能的SiC CMP系统而著称，这一功能对于实现低缺陷的CMP后衬底以及优化产量和工艺效率至关重要。Capstone在控制系统执行速度、分布式控制架构、MES集成、高级数据采集和标准合规性方面采用了最先进的技术，与依赖更成熟技术的传统CMP系统形成鲜明对比。

图2：Axus Capstone CS200ia。(来源：Axus Tech)

CMP技术进步推动SiC和GaN的采用

SiC和GaN在大功率应用中的集成一直面临着平坦化方面的重大挑战，这主要是由于它们材料特性差异很大。Trojan表示：“高硬度要求更苛刻的工艺条件，而我们的工艺温度控制(PTC)技术可以解决这一问题。”PTC技术可以在不超过抛光垫和其他敏感元件温度极限的情况下，以更高的压力和速度进行加工。

此外，SiC器件制造领域的进步还体现在工艺的改进上，例如后外延CMP，以提高外延层的表面质量和厚度均匀性。器件层CMP还可用于改善裸片内形貌，从而实现更大面积的器件特征并提高器件产量。这些改进对于大功率应用中WBG材料的性能和可靠性至关重要。

缩短SiC和GaN芯片的上市时间是另一个关键重点。成本是一个重要因素，尤其是对于WBG器件来说，衬底成本可能占到整个器件成本的50%。Trojan指出：“对于硅基器件来说，衬底本身的成本在整个器件成本中所占的比例几乎可以忽略不计。”然而，对于WBG器件来说，降低制造成本至关重要。

Axus的CMP技术在这方面发挥了至关重要的作用。Trojan说：“凭借Capstone的高效架构、高产能和高效的耗材利用率，Axus Technology可以提供先进的单晶圆SiC CMP性能，而相应的拥有成本却不到我们竞争工具和工艺的一半。”制造成本的大幅降低对于加速WBG器件在人工智能和电动汽车等市场中的应用至关重要。

Trojan表示，CMP技术的进步不仅提高了SiC和GaN材料的性能和可靠性，而且大大降低了总体制造成本，从而促进了这些材料在快速发展的行业中的更广泛应用。

创新

Axus通过采用PTC技术，降低并实时控制CMP工艺温度，实现了更高的材料去除率。此外，其专利的多区膜晶体载体优化了表面均匀性。这些载体能够精确控制整个晶圆上的材料去除轮廓，从而在加工易碎晶圆时将产量损失降至最低。此外，通过集成计量选项和运行间控制功能，工艺控制和稳定性也得到了增强。

Axus CMP解决方案的行业合作伙伴和早期采用者的反馈非常积极。一个值得注意的成功案例是，他们与客户合作评估了用于SiC CMP的各种CMP设备和工艺解决方案。“我们很高兴也很自豪地说，所有这些评估活动最终都选择了Capstone作为WBG CMP的最佳解决方案，”Trojan表示。客户称赞Axus是一家“规模适当”的供应商，拥有最佳的规模和资源，能够满足当前和未来在提高WBG CMP能力方面的需求。

据Trojan称，大型OEM厂商往往缺乏推动新进步所需的灵活性，而新进步对于持续改进WBG材料加工和成本效率至关重要。相反，规模较小的供应商可能不具备确保持续技术和商业成功所需的支持基础设施或财务稳定性。Axus在两者之间取得了平衡，既能提供小公司的灵活性，又能提供类似于大型OEM厂商的强大支持。

耗材和设备供应商之间的有效合作在CMP行业至关重要，尤其是对于WBG材料加工而言。“我们认为，我们与几乎所有支持WBG材料加工的领先CMP耗材供应商的广泛合作，证明了我们在这一领域的领导地位。”Trojan补充道。这种合作方式凸显了Axus致力于推进半导体行业CMP解决方案的承诺。

（原文刊登于EE Times美国版，参考链接：Reducing Costs, Improving Efficiency in SiC Wafer Production with CMP，由Franklin Zhao编译。）

本文为《电子工程专辑》2024年12月刊杂志文章，版权所有，禁止转载。免费杂志订阅申请点击这里。