SiC 웨이퍼 가공 기술의 현황 및 동향

3세대 반도체 기판 소재로서,탄화규소(SiC)단결정 실리콘(SiC)은 고주파 및 고출력 전자 기기 제조 분야에서 폭넓은 응용 가능성을 지니고 있습니다. SiC 가공 기술은 고품질 기판 재료 생산에 결정적인 역할을 합니다. 본 논문에서는 국내외 SiC 가공 기술 연구 현황을 소개하고, 절삭, 연삭, 연마 공정의 메커니즘을 분석 및 비교하며, 웨이퍼 평탄도와 표면 조도의 변화 추세를 살펴봅니다. 또한 SiC 웨이퍼 가공의 당면 과제를 제시하고 향후 발전 방향을 논의합니다.

탄화규소(SiC)웨이퍼는 3세대 반도체 소자의 핵심 소재이며, 마이크로일렉트로닉스, 전력 전자, 반도체 조명 등의 분야에서 매우 중요한 시장 잠재력을 지니고 있습니다. 웨이퍼는 극도로 높은 경도와 화학적 안정성을 가지고 있기 때문입니다.SiC 단결정하지만 기존의 반도체 가공 방식으로는 SiC 단결정 가공에 완전히 적합하지 않습니다. 많은 국제 기업들이 기술적으로 까다로운 SiC 단결정 가공에 대해 광범위한 연구를 진행해 왔지만, 관련 기술은 엄격하게 기밀로 유지되고 있습니다.

최근 중국은 실리콘 카바이드(SiC) 단결정 소재 및 소자 개발에 박차를 가하고 있다. 그러나 현재 중국의 SiC 소자 기술 발전은 가공 기술 및 웨이퍼 품질의 한계로 인해 제약을 받고 있다. 따라서 중국이 SiC 가공 기술을 향상시켜 SiC 단결정 기판의 품질을 높이고 실용화 및 대량 생산을 실현하는 것이 필수적이다.

주요 가공 단계는 다음과 같습니다: 절단 → 조연삭 → 정연삭 → 거친 연마(기계적 연마) → 정밀 연마(화학 기계적 연마, CMP) → 검사.

SiC 단결정 절단

처리 과정에서SiC 단결정절단은 첫 번째이자 매우 중요한 단계입니다. 절단 과정에서 발생하는 웨이퍼의 휜 정도, 뒤틀림, 그리고 전체 두께 변화(TTV)는 후속 연삭 및 연마 작업의 품질과 효율성을 결정합니다.

절삭 공구는 모양에 따라 다이아몬드 내경(ID) 톱, 외경(OD) 톱, 밴드 톱, 와이어 톱으로 분류할 수 있습니다. 와이어 톱은 다시 운동 방식에 따라 왕복식과 루프(무한) 와이어 시스템으로 분류됩니다. 연마재의 절삭 메커니즘에 따라 와이어 톱 절단 기술은 자유 연마재 와이어 톱 절단과 고정 연마재 다이아몬드 와이어 톱 절단의 두 가지 유형으로 나눌 수 있습니다.

1.1 전통적인 절단 방법

외경(OD) 톱의 절삭 깊이는 날의 직경에 의해 제한됩니다. 절삭 과정에서 날은 진동과 변형이 발생하기 쉬워 소음이 크고 강성이 떨어집니다. 내경(ID) 톱은 날의 안쪽 원주에 다이아몬드 연마재를 절삭날로 사용합니다. 이러한 날은 두께가 0.2mm 정도로 얇을 수 있습니다. 절단 시 내경 톱날은 고속으로 회전하고, 절단할 재료는 날의 중심을 기준으로 방사형으로 움직여 이 상대 운동을 통해 절단이 이루어집니다.

다이아몬드 밴드톱은 잦은 정지와 방향 전환이 필요하며, 절단 속도가 매우 느려 일반적으로 2m/s를 넘지 않습니다. 또한 기계적 마모가 심하고 유지 보수 비용이 많이 듭니다. 톱날의 폭 때문에 절단 반경을 너무 작게 할 수 없으며, 여러 조각을 한 번에 절단하는 것도 불가능합니다. 이러한 전통적인 톱은 받침대의 강성으로 인해 곡선 절단이 불가능하고 회전 반경도 제한적입니다. 직선 절단만 가능하고 절단 폭이 넓으며 수율이 낮아 절단 작업에는 적합하지 않습니다.SiC 결정.

1.2 연마재 없는 와이어톱 다중 와이어 절단

자유연마 와이어톱 절단 기술은 와이어의 빠른 움직임을 이용하여 슬러리를 절단면으로 운반함으로써 재료를 제거하는 기술입니다. 주로 왕복 운동 구조를 사용하며, 현재 단결정 실리콘의 다중 웨이퍼 절단에 효율적으로 사용되는 성숙하고 널리 보급된 방법입니다. 그러나 SiC 절단에 대한 적용 연구는 상대적으로 미흡한 실정입니다.

자유연마 와이어톱은 두께가 300μm 미만인 웨이퍼를 가공할 수 있습니다. 절단면 손실이 적고, 웨이퍼 파손이 거의 발생하지 않으며, 비교적 우수한 표면 품질을 제공합니다. 그러나 연마재의 롤링 및 압입에 기반한 재료 제거 메커니즘으로 인해 웨이퍼 표면에 상당한 잔류 응력, 미세 균열 및 더 깊은 손상층이 발생하기 쉽습니다. 이는 웨이퍼 변형을 유발하고, 표면 프로파일 정밀도 제어를 어렵게 하며, 후속 공정의 부하를 증가시킵니다.

절삭 성능은 슬러리에 크게 영향을 받으므로 연마재의 예리도와 슬러리 농도를 적절하게 유지하는 것이 중요합니다. 슬러리 처리 및 재활용은 비용이 많이 듭니다. 대형 주괴를 절단할 때 연마재가 깊고 긴 절삭면을 형성하는 데 어려움을 겪습니다. 동일한 연마재 입자 크기에서 절삭 손실은 고정 연마재를 사용하는 와이어톱보다 큽니다.

1.3 고정 연마 다이아몬드 와이어 톱 다중 와이어 절단

고정 연마 다이아몬드 와이어 톱은 일반적으로 전기 도금, 소결 또는 수지 결합 방법을 통해 강철 와이어 기판에 다이아몬드 입자를 내장하여 제작됩니다. 전기 도금 다이아몬드 와이어 톱은 절단 폭이 좁고, 절단 품질이 우수하며, 효율이 높고, 오염이 적으며, 고경도 재료를 절단할 수 있는 등의 장점을 제공합니다.

왕복 운동하는 전기 도금 다이아몬드 와이어 톱은 현재 SiC 절단에 가장 널리 사용되는 방법입니다. 그림 1(여기에 표시되지 않음)은 이 기술로 절단한 SiC 웨이퍼의 표면 평탄도를 보여줍니다. 절단이 진행됨에 따라 웨이퍼의 휨 현상이 증가합니다. 이는 와이어가 아래로 이동함에 따라 와이어와 재료 사이의 접촉 면적이 증가하여 저항과 와이어 진동이 커지기 때문입니다. 와이어가 웨이퍼의 최대 직경에 도달하면 진동이 최고조에 달하여 휨 현상이 최대화됩니다.

절삭 후반 단계에서는 와이어가 가속, 정속 주행, 감속, 정지 및 역회전을 반복하고 냉각수로 이물질을 제거하기 어려운 점 등으로 인해 웨이퍼 표면 품질이 저하됩니다. 와이어 역회전 및 속도 변동, 그리고 와이어에 묻은 큰 다이아몬드 입자는 표면 긁힘의 주요 원인입니다.

1.4 저온 분리 기술

SiC 단결정의 저온 분리 공정은 3세대 반도체 소재 공정 분야의 혁신적인 기술입니다. 최근 수율 향상 및 재료 손실 감소 측면에서 뚜렷한 이점을 보여 주목받고 있습니다. 이 기술은 작동 원리, 공정 흐름, 핵심 장점의 세 가지 측면에서 분석할 수 있습니다.

결정 방향 결정 및 외경 연삭: 가공에 앞서 SiC 잉곳의 결정 방향을 결정해야 합니다. 그런 다음 외경 연삭을 통해 잉곳을 원통형 구조(일반적으로 SiC 퍽이라고 함)로 성형합니다. 이 단계는 후속적인 방향 절단 및 슬라이싱을 위한 기초를 마련합니다.

다중 와이어 절단: 이 방법은 연마 입자와 절단 와이어를 결합하여 원통형 잉곳을 절단합니다. 그러나 절단 폭 손실이 크고 표면이 고르지 않다는 단점이 있습니다.

레이저 절단 기술: 레이저를 사용하여 결정 내부에 변형층을 형성한 후, 이 변형층에서 얇은 조각을 분리해냅니다. 이 방식은 재료 손실을 줄이고 가공 효율을 높여 SiC 웨이퍼 절단에 있어 유망한 새로운 기술로 주목받고 있습니다.

절단 공정 최적화

고정 연마재 다중 와이어 절단: 이는 현재 주류 기술이며, SiC의 높은 경도 특성에 매우 적합합니다.

방전가공(EDM) 및 냉간분리 기술: 이러한 방법들은 특정 요구사항에 맞춘 다양한 솔루션을 제공합니다.

연마 공정: 재료 제거율과 표면 손상 사이의 균형을 맞추는 것이 중요합니다. 화학 기계적 연마(CMP)는 표면 균일성을 향상시키기 위해 사용됩니다.

실시간 모니터링: 온라인 검사 기술을 도입하여 표면 거칠기를 실시간으로 모니터링합니다.

레이저 슬라이싱: 이 기술은 절단면 손실을 줄이고 가공 주기를 단축하지만, 열영향부 문제는 여전히 해결해야 할 과제입니다.

하이브리드 가공 기술: 기계적 방법과 화학적 방법을 결합하여 가공 효율을 향상시킵니다.

이 기술은 이미 산업 현장에 적용되고 있습니다. 예를 들어, 인피니언은 실텍트라(SILTECTRA)를 인수하여 8인치 웨이퍼의 대량 생산을 지원하는 핵심 특허를 보유하게 되었습니다. 중국에서는 델롱 레이저(Delong Laser)와 같은 기업들이 6인치 웨이퍼 가공에서 잉곳당 30개의 웨이퍼를 생산하는 효율을 달성했는데, 이는 기존 방식보다 40% 향상된 수치입니다.

국내 장비 제조가 가속화됨에 따라, 이 기술은 SiC 기판 가공의 주류 ​​솔루션으로 자리 잡을 것으로 예상됩니다. 반도체 소재의 직경이 점점 커짐에 따라 기존의 절단 방식은 더 이상 적합하지 않게 되었습니다. 현재 사용 가능한 방식 중에서는 왕복 다이아몬드 와이어 톱 기술이 가장 유망한 응용 가능성을 보여주고 있습니다. 새롭게 떠오르는 기술인 레이저 절단은 상당한 이점을 제공하며, 미래에는 주요 절단 방식으로 자리 잡을 것으로 기대됩니다.

2.SiC 단결정 분쇄

3세대 반도체의 대표적인 소재인 탄화규소(SiC)는 넓은 밴드갭, 높은 항복 전압, 높은 포화 전자 드리프트 속도, 그리고 우수한 열전도율 덕분에 상당한 이점을 제공합니다. 이러한 특성으로 인해 SiC는 고전압 환경(예: 1200V)에서 특히 유리합니다. SiC 기판 가공 기술은 소자 제작의 핵심 요소입니다. 기판의 표면 품질과 정밀도는 에피택셜 층의 품질과 최종 소자의 성능에 직접적인 영향을 미칩니다.

연삭 공정의 주된 목적은 절단 과정에서 발생한 표면의 톱 자국과 손상층을 제거하고, 절단 과정으로 인한 변형을 교정하는 것입니다. SiC는 경도가 매우 높기 때문에 연삭에는 탄화붕소나 다이아몬드와 같은 단단한 연마재가 필요합니다. 일반적인 연삭은 크게 조연삭과 정연삭으로 나뉩니다.

2.1 거친 분쇄와 미세 분쇄

연삭은 연마 입자 크기에 따라 분류할 수 있습니다.

거친 분쇄: 주로 더 큰 연마재를 사용하여 절단 과정에서 발생하는 톱 자국 및 손상층을 제거함으로써 가공 효율을 향상시킵니다.

정밀 연삭: 더 미세한 연마재를 사용하여 거친 연삭으로 인해 남은 손상층을 제거하고 표면 거칠기를 줄이며 표면 품질을 향상시킵니다.

많은 국내 SiC 기판 제조업체들은 대규모 생산 공정을 사용합니다. 일반적인 방법은 주철판과 단결정 다이아몬드 슬러리를 이용한 양면 연삭입니다. 이 공정은 와이어 소잉으로 인한 손상층을 효과적으로 제거하고, 웨이퍼 형상을 교정하며, TTV(총 두께 변화), 휜 정도, 뒤틀림을 줄여줍니다. 재료 제거 속도는 안정적이며, 일반적으로 0.8~1.2 μm/min에 도달합니다. 그러나 결과적으로 생성되는 웨이퍼 표면은 무광택이며, 표면 조도가 비교적 높아(일반적으로 약 50 nm) 후속 연마 공정에 더 높은 요구 조건을 부과합니다.

2.2 단면 연삭

단면 연삭 공정은 웨이퍼의 한쪽 면만 한 번에 가공합니다. 이 공정에서는 웨이퍼를 왁스로 강판에 고정합니다. 압력을 가하면 기판이 약간 변형되어 윗면이 평평해집니다. 연삭 후에는 아랫면이 평평해집니다. 압력이 제거되면 윗면은 원래 형태로 복원되려는 경향이 있는데, 이는 이미 연삭된 아랫면에도 영향을 미쳐 양쪽 면 모두 휘어지고 평탄도가 저하되는 결과를 초래합니다.

또한, 연삭판이 단시간 내에 오목해져서 웨이퍼가 볼록해질 수 있습니다. 연삭판의 평탄도를 유지하기 위해서는 잦은 드레싱 작업이 필요합니다. 이러한 낮은 효율과 불량한 웨이퍼 평탄도 때문에 단면 연삭은 대량 생산에 적합하지 않습니다.

일반적으로 미세 연삭에는 #8000 연삭 휠이 사용됩니다. 일본에서는 이 공정이 비교적 성숙되어 있으며 #30000 연마 휠까지 활용합니다. 이를 통해 가공된 웨이퍼의 표면 조도를 2nm 미만으로 낮출 수 있어 추가 공정 없이 최종 CMP(화학 기계적 연마) 공정을 바로 진행할 수 있습니다.

2.3 단면 박막화 기술

다이아몬드 단면 박막화 기술은 새로운 단면 연삭 방식입니다. 그림 5(여기에 제시되지 않음)에서 볼 수 있듯이, 이 공정은 다이아몬드 결합 연삭판을 사용합니다. 웨이퍼는 진공 흡착으로 고정되고, 웨이퍼와 다이아몬드 연삭 휠은 동시에 회전합니다. 연삭 휠은 웨이퍼를 목표 두께까지 얇게 만들기 위해 점진적으로 아래쪽으로 이동합니다. 한쪽 면의 공정이 완료되면 웨이퍼를 뒤집어 반대쪽 면을 처리합니다.

박막화 과정을 거치면 100mm 웨이퍼는 다음과 같은 결과를 얻을 수 있습니다.

활 < 5 μm

TTV < 2 μm

표면 거칠기 < 1 nm

이 단일 웨이퍼 처리 방식은 높은 안정성, 탁월한 일관성 및 높은 재료 제거율을 제공합니다. 기존의 양면 연삭 방식과 비교하여 이 기술은 연삭 효율을 50% 이상 향상시킵니다.

2.4 양면 연삭

양면 연삭은 상부 및 하부 연삭판을 모두 사용하여 기판의 양면을 동시에 연삭함으로써 양면 모두 우수한 표면 품질을 보장합니다.

이 공정에서 연삭판은 먼저 공작물의 가장 높은 부분에 압력을 가하여 해당 부분에서 변형과 점진적인 재료 제거를 일으킵니다. 높은 부분이 평평해짐에 따라 기판에 가해지는 압력이 점차 균일해져 표면 전체에 걸쳐 일관된 변형이 발생합니다. 이를 통해 위쪽과 아래쪽 표면 모두 고르게 연삭할 수 있습니다. 연삭이 완료되고 압력이 해제되면 기판의 각 부분은 동일한 압력을 받았기 때문에 균일하게 복원됩니다. 결과적으로 뒤틀림이 최소화되고 평탄도가 향상됩니다.

연마 후 웨이퍼 표면 거칠기는 연마 입자 크기에 따라 달라지는데, 입자가 작을수록 표면이 매끄러워집니다. 양면 연마에 5μm 연마재를 사용하면 웨이퍼 평탄도와 두께 편차를 5μm 이내로 제어할 수 있습니다. 원자력 현미경(AFM) 측정 결과, 표면 거칠기(Rq)는 약 100nm이며, 연마로 인해 최대 380nm 깊이의 연마 구덩이와 선형 자국이 관찰됩니다.

보다 발전된 방법은 폴리우레탄 폼 패드와 ​​다결정 다이아몬드 슬러리를 결합하여 양면 연삭하는 것입니다. 이 공정을 통해 표면 조도가 매우 낮은 웨이퍼를 생산할 수 있으며, Ra < 3 nm를 달성하여 SiC 기판의 후속 연마에 매우 유리합니다.

하지만 표면 긁힘 문제는 여전히 해결되지 않은 과제입니다. 또한, 이 공정에 사용되는 다결정 다이아몬드는 폭발 합성법을 통해 생산되는데, 이는 기술적으로 어렵고 생산량이 적으며 매우 고가입니다.

SiC 단결정 연마

탄화규소(SiC) 웨이퍼에 고품질의 연마 표면을 얻으려면 연마 과정에서 생긴 구덩이와 나노미터 크기의 표면 요철을 완전히 제거해야 합니다. 목표는 오염이나 열화, 표면 아래 손상, 잔류 표면 응력이 없는 매끄럽고 결함 없는 표면을 만드는 것입니다.

3.1 SiC 웨이퍼의 기계적 연마 및 CMP

SiC 단결정 잉곳을 성장시킨 후, 표면 결함으로 인해 에피택셜 성장에 직접 사용할 수 없습니다. 따라서 추가적인 공정이 필요합니다. 먼저 잉곳을 원형으로 다듬어 표준 원통형으로 만든 다음, 와이어 커팅을 통해 웨이퍼로 절단하고 결정학적 방향 검증을 수행합니다. 연마는 웨이퍼 품질을 향상시키는 데 매우 중요한 단계이며, 결정 성장 결함 및 이전 공정으로 인해 발생할 수 있는 표면 손상을 해결합니다.

SiC 표면 손상층을 제거하는 주요 방법은 네 가지입니다.

기계적 연마: 간단하지만 흠집이 남습니다. 초기 연마에 적합합니다.

화학 기계적 연마(CMP): 화학적 에칭을 통해 흠집을 제거하며, 정밀 연마에 적합합니다.

수소 에칭: 복잡한 장비가 필요하며, 일반적으로 HTCVD 공정에 사용됩니다.

플라즈마 보조 연마: 복잡하고 거의 사용되지 않습니다.

기계적 연마만 할 경우 흠집이 생기기 쉽고, 화학적 연마만 할 경우 표면이 고르지 않게 부식될 수 있습니다. CMP는 이러한 두 가지 장점을 모두 결합하여 효율적이고 경제적인 솔루션을 제공합니다.

CMP 작동 원리

CMP는 일정한 압력 하에서 웨이퍼를 회전하는 연마 패드에 대해 회전시키는 방식으로 작동합니다. 이러한 상대 운동은 슬러리 내 나노 크기의 연마재에 의한 기계적 마모 및 반응성 시약의 화학적 작용과 결합되어 표면 평탄화를 달성합니다.

주요 사용 재료:

연마 슬러리: 연마제와 화학 시약을 함유하고 있습니다.

연마 패드: 사용하면서 마모되어 기공 크기가 줄어들고 슬러리 공급 효율이 저하됩니다. 표면 거칠기를 복원하려면 일반적으로 다이아몬드 드레서를 사용한 정기적인 드레싱 작업이 필요합니다.

일반적인 CMP 공정

연마재: 0.5 μm 다이아몬드 슬러리

목표 표면 거칠기: 약 0.7 nm

화학적 기계적 연마:

연마 장비: AP-810 단면 연마기

압력: 200 g/cm²

플레이트 회전 속도: 50 rpm

세라믹 홀더 회전 속도: 38 rpm

슬러리 조성:

이산화규소(30 wt%, pH = 10.15)

0–70 wt% H₂O₂ (30 wt%, 시약 등급)

5wt% KOH와 1wt% HNO₃를 사용하여 pH를 8.5로 조정하십시오.

슬러리 유량: 3L/min, 재순환

이 공정은 SiC 웨이퍼 품질을 효과적으로 향상시키고 후속 공정의 요구 사항을 충족합니다.

기계적 연마의 기술적 과제

SiC는 넓은 밴드갭 반도체로서 전자 산업에서 매우 중요한 역할을 합니다. 뛰어난 물리적, 화학적 특성을 지닌 SiC 단결정은 고온, 고주파, 고출력 및 방사선 저항성과 같은 극한 환경에 적합합니다. 그러나 단단하고 부서지기 쉬운 성질 때문에 연삭 및 연마 과정에서 상당한 어려움이 있습니다.

주요 글로벌 제조업체들이 6인치에서 8인치 웨이퍼로 전환함에 따라, 공정 중 발생하는 균열 및 웨이퍼 손상과 같은 문제가 더욱 두드러지게 나타나면서 수율에 상당한 영향을 미치고 있습니다. 8인치 SiC 기판의 기술적 과제를 해결하는 것은 이제 업계 발전을 위한 중요한 기준이 되었습니다.

8인치 시대에 접어들면서 SiC 웨이퍼 공정은 수많은 과제에 직면해 있습니다.

웨이퍼 스케일링은 배치당 칩 생산량을 늘리고, 에지 손실을 줄이며, 생산 비용을 낮추는 데 필수적입니다. 특히 전기 자동차 분야에 대한 수요가 증가하고 있는 상황에서는 더욱 그렇습니다.

8인치 SiC 단결정 성장 기술은 성숙 단계에 접어들었지만, 연삭 및 연마와 같은 후처리 공정은 여전히 ​​병목 현상을 겪고 있어 수율이 낮습니다(40~50%에 불과).

웨이퍼 크기가 커질수록 압력 분포가 더욱 복잡해져 연마 응력 관리 및 수율 일관성 유지가 더욱 어려워집니다.

8인치 웨이퍼의 두께는 6인치 웨이퍼에 가까워지고 있지만, 취급 과정에서 발생하는 응력과 변형으로 인해 손상될 가능성이 더 높습니다.

절단으로 인한 응력, 뒤틀림 및 균열을 줄이기 위해 레이저 절단이 점점 더 많이 사용되고 있습니다. 그러나:

장파장 레이저는 열 손상을 일으킵니다.

단파장 레이저는 많은 파편을 생성하고 손상층을 깊게 만들어 연마 공정을 더욱 복잡하게 만듭니다.

SiC용 기계적 연마 워크플로우

일반적인 프로세스 흐름은 다음과 같습니다.

방향 절단

거친 분쇄

미세 분쇄

기계적 연마

최종 단계로 화학 기계적 연마(CMP)를 실시합니다.

CMP 방법 선택, 공정 경로 설계 및 매개변수 최적화는 매우 중요합니다. 반도체 제조에서 CMP는 고품질 에피택셜 성장에 필수적인 초고평활, 무결점, 무손상 표면을 가진 SiC 웨이퍼를 생산하는 데 결정적인 단계입니다.

(a) 도가니에서 SiC 잉곳을 꺼냅니다.

(b) 외경 연삭을 이용하여 초기 형상을 만듭니다.

(c) 정렬 평면 또는 노치를 사용하여 결정 방향을 결정합니다.

(d) 다중 와이어 톱을 사용하여 잉곳을 얇은 웨이퍼로 자릅니다.

(e) 연삭 및 연마 단계를 통해 거울처럼 매끄러운 표면을 얻습니다.

일련의 공정 단계를 완료한 후, SiC 웨이퍼의 바깥쪽 가장자리가 날카로워져 취급 또는 사용 중에 깨질 위험이 커집니다. 이러한 취약성을 방지하기 위해서는 가장자리 연마가 필요합니다.

기존의 절단 공정 외에도, SiC 웨이퍼 제조를 위한 혁신적인 방법으로 접합 기술이 활용됩니다. 이 기술은 얇은 SiC 단결정층을 이종 기판(지지 기판)에 접합하여 웨이퍼를 제작할 수 있도록 합니다.

그림 3은 프로세스 흐름을 보여줍니다.

먼저, 수소 이온 주입 또는 유사한 기술을 이용하여 SiC 단결정 표면의 특정 깊이에 박리층을 형성합니다. 이렇게 처리된 SiC 단결정을 평평한 지지 기판에 접합한 후 압력과 열을 가합니다. 이를 통해 SiC 단결정층을 지지 기판으로 성공적으로 전사 및 분리할 수 있습니다.

분리된 SiC 층은 필요한 평탄도를 얻기 위해 표면 처리를 거치며, 후속 접합 공정에 재사용될 수 있습니다. 기존의 SiC 결정 절단 방식과 비교했을 때, 이 기술은 고가의 재료 사용량을 줄여줍니다. 기술적 과제는 여전히 남아 있지만, 저비용 웨이퍼 생산을 가능하게 하기 위한 연구 개발이 활발히 진행되고 있습니다.

SiC는 높은 경도와 화학적 안정성으로 인해 상온에서 반응에 대한 저항성이 뛰어나므로, 미세한 연마 자국을 제거하고, 표면 손상을 줄이고, 긁힘, 패임, 오렌지 껍질 같은 결함을 없애고, 표면 거칠기를 낮추고, 평탄도를 개선하고, 표면 품질을 향상시키기 위해서는 기계적 연마가 필요합니다.

고품질의 광택 표면을 얻으려면 다음이 필요합니다.

연마재 종류를 조정하십시오.

입자 크기를 줄이세요.

공정 매개변수를 최적화합니다.

적절한 경도를 가진 연마재와 패드를 선택하십시오.

그림 7은 1μm 연마재를 사용한 양면 연마를 통해 평탄도 및 두께 변화를 10μm 이내로 제어하고 표면 거칠기를 약 0.25nm까지 줄일 수 있음을 보여줍니다.

3.2 화학 기계적 연마(CMP)

화학 기계적 연마(CMP)는 초미세 입자 연마와 화학적 에칭을 결합하여 가공 대상 재료에 매끄럽고 평평한 표면을 형성하는 공정입니다. 기본 원리는 다음과 같습니다.

연마 슬러리와 웨이퍼 표면 사이에서 화학 반응이 일어나 부드러운 층이 형성됩니다.

연마 입자와 부드러운 층 사이의 마찰로 인해 재료가 제거됩니다.

CMP의 장점:

순수 기계적 또는 화학적 연마의 단점을 극복합니다.

전역적 평면화와 지역적 평면화를 모두 달성합니다.

표면 평탄도가 높고 표면 거칠기가 낮은 표면을 생성합니다.

지표면이나 지하에 손상을 남기지 않습니다.

상세히:

웨이퍼는 압력 하에서 연마 패드에 대해 상대적으로 움직입니다.

슬러리 내의 나노미터 크기 연마제(예: SiO₂)는 전단 작용에 참여하여 Si-C 공유 결합을 약화시키고 재료 제거를 향상시킵니다.

CMP 기법의 종류:

자유 연마 연마: 연마제(예: SiO₂)가 슬러리에 현탁되어 있습니다. 재료 제거는 웨이퍼-패드-연마제의 3체 마찰을 통해 이루어집니다. 균일성을 향상시키기 위해서는 연마제 크기(일반적으로 60~200nm), pH 및 온도를 정밀하게 제어해야 합니다.

고정 연마재 연마: 연마재가 연마 패드에 내장되어 있어 응집을 방지하며, 고정밀 가공에 이상적입니다.

연마 후 세척:

연마된 웨이퍼는 다음과 같은 과정을 거칩니다.

화학 세척(탈이온수 및 슬러리 잔류물 제거 포함)

증류수로 헹구고,

고온 질소 건조

표면 오염 물질을 최소화하기 위해.

표면 품질 및 성능

표면 거칠기를 Ra < 0.3 nm까지 줄일 수 있어 반도체 에피택시 요구 사항을 충족합니다.

전체 평탄화: 화학적 연화와 기계적 제거를 결합하여 긁힘과 불균일한 에칭을 줄여 순수 기계적 또는 화학적 방법보다 우수한 성능을 제공합니다.

높은 효율: SiC와 같이 단단하고 부서지기 쉬운 재료에 적합하며, 시간당 200nm 이상의 재료 제거 속도를 제공합니다.

기타 새롭게 떠오르는 연마 기술

CMP 외에도 다음과 같은 대체 방법들이 제안되었습니다.

전기화학적 연마, 촉매 보조 연마 또는 에칭, 그리고

마찰화학적 연마.

하지만 이러한 방법들은 아직 연구 단계에 있으며, SiC의 까다로운 재료 특성으로 인해 개발 속도가 더딥니다.

궁극적으로 SiC 가공은 표면 품질을 향상시키기 위해 뒤틀림과 거칠기를 점진적으로 줄여나가는 과정이며, 각 단계에서 평탄도 및 거칠기 제어가 매우 중요합니다.

처리 기술

웨이퍼 연삭 단계에서는 입자 크기가 다른 다이아몬드 슬러리를 사용하여 웨이퍼를 필요한 평탄도와 표면 조도로 연삭합니다. 그 후 기계적 연마와 화학 기계적 연마(CMP) 기술을 모두 사용하여 손상 없는 연마된 탄화규소(SiC) 웨이퍼를 생산합니다.

연마 과정을 거친 SiC 웨이퍼는 광학 현미경 및 X선 회절 분석기와 같은 장비를 사용하여 엄격한 품질 검사를 거쳐 모든 기술 매개변수가 요구되는 기준을 충족하는지 확인합니다. 마지막으로, 연마된 웨이퍼는 특수 세척제와 초순수를 사용하여 표면 오염 물질을 제거하기 위해 세척됩니다. 그런 다음 초고순도 질소 가스와 스핀 드라이어를 사용하여 건조함으로써 전체 생산 공정이 완료됩니다.

수년간의 노력 끝에 중국 내 SiC 단결정 가공 분야에서 상당한 진전이 이루어졌습니다. 국내에서는 100mm 도핑된 반절연 4H-SiC 단결정 개발에 성공했으며, n형 4H-SiC 및 6H-SiC 단결정을 대량 생산할 수 있게 되었습니다. TankeBlue와 TYST 같은 기업들은 이미 150mm SiC 단결정을 개발했습니다.

SiC 웨이퍼 가공 기술 측면에서 국내 연구기관들은 결정 절단, 연삭 및 연마에 대한 공정 조건과 경로를 예비적으로 연구해 왔으며, 소자 제작에 필요한 기본 요건을 충족하는 샘플을 생산할 수 있는 수준에 도달했습니다. 그러나 국제 표준과 비교했을 때 국내 웨이퍼의 표면 가공 품질은 여전히 ​​크게 뒤처져 있습니다. 몇 가지 문제점이 있습니다.

국제적인 SiC 이론 및 가공 기술은 엄격하게 보호되어 있어 쉽게 접근할 수 없습니다.

프로세스 개선 및 최적화를 위한 이론적 연구와 지원이 부족합니다.

해외 장비 및 부품 수입 비용이 높습니다.

장비 설계, 가공 정밀도 및 재료에 대한 국내 연구는 여전히 국제 수준에 비해 상당한 격차를 보이고 있다.

현재 중국에서 사용되는 대부분의 고정밀 계측기는 수입산입니다. 시험 장비와 방법론 또한 개선이 필요합니다.

3세대 반도체의 지속적인 개발과 함께 SiC 단결정 기판의 직경이 꾸준히 증가하고 있으며, 표면 처리 품질에 대한 요구 조건 또한 높아지고 있습니다. 웨이퍼 가공 기술은 SiC 단결정 성장 이후 가장 기술적으로 어려운 단계 중 하나가 되었습니다.

가공상의 기존 난제를 해결하기 위해서는 절삭, 연삭 및 연마에 관련된 메커니즘을 더욱 심층적으로 연구하고, SiC 웨이퍼 제조에 적합한 공정 방법과 경로를 모색하는 것이 필수적입니다. 동시에, 선진적인 국제 가공 기술을 습득하고 최첨단 초정밀 가공 기술 및 장비를 도입하여 고품질 기판을 생산해야 합니다.

웨이퍼 크기가 커질수록 결정 성장 및 가공 난이도도 높아집니다. 하지만 후속 부품의 제조 효율이 크게 향상되고 단위 비용이 절감됩니다. 현재 전 세계 주요 SiC 웨이퍼 공급업체들은 직경 4인치에서 6인치에 이르는 제품을 제공하고 있으며, Cree와 II-VI 같은 선도 기업들은 이미 8인치 SiC 웨이퍼 생산 라인 개발을 계획하고 있습니다.