SiC 웨이퍼 가공 기술의 현황 및 동향

3세대 반도체 기판 소재로서,탄화규소(SiC)단결정은 고주파 및 고전력 전자 소자 제조에 있어 폭넓은 응용 가능성을 가지고 있습니다. SiC 가공 기술은 고품질 기판 소재 생산에 결정적인 역할을 합니다. 본 논문에서는 중국 및 해외 SiC 가공 기술 연구 현황을 소개하고, 절삭, 연삭, 연마 공정의 메커니즘과 웨이퍼 평탄도 및 표면 조도의 추세를 분석 및 비교합니다. 또한, SiC 웨이퍼 가공의 현재 과제를 지적하고 향후 개발 방향을 논의합니다.

탄화규소(SiC)웨이퍼는 3세대 반도체 소자의 핵심 기반 소재이며, 마이크로전자공학, 전력전자공학, 반도체 조명 등의 분야에서 상당한 중요성과 시장 잠재력을 가지고 있습니다. 웨이퍼는 매우 높은 경도와 화학적 안정성을 가지고 있기 때문에SiC 단결정기존의 반도체 가공 방식은 이러한 반도체 가공에 완전히 적합하지 않습니다. 많은 국제 기업들이 기술적으로 까다로운 SiC 단결정 가공에 대한 광범위한 연구를 수행해 왔지만, 관련 기술은 엄격하게 기밀로 유지됩니다.

최근 몇 년간 중국은 SiC 단결정 소재 및 소자 개발에 심혈을 기울여 왔습니다. 그러나 현재 중국의 SiC 소자 기술 발전은 공정 기술과 웨이퍼 품질에 한계가 있습니다. 따라서 SiC 단결정 기판의 품질을 향상시키고 실용화 및 양산을 달성하기 위해서는 SiC 공정 역량 향상이 필수적입니다.

주요 가공 단계는 다음과 같습니다. 절단 → 거친 연삭 → 미세 연삭 → 거친 연마(기계 연마) → 미세 연마(화학 기계 연마, CMP) → 검사.

SiC 단결정 절단

처리 중SiC 단결정절단은 첫 번째이자 매우 중요한 단계입니다. 절단 공정으로 인해 발생하는 웨이퍼의 휘어짐, 뒤틀림, 그리고 총 두께 변화(TTV)는 이후 연삭 및 연마 작업의 품질과 효율성을 결정합니다.

절삭 공구는 형태에 따라 다이아몬드 내경(ID) 톱, 외경(OD) 톱, 밴드 톱, 와이어 톱으로 분류할 수 있습니다. 와이어 톱은 운동 방식에 따라 왕복 운동 방식과 루프(무한) 와이어 시스템으로 분류할 수 있습니다. 연마재의 절삭 메커니즘에 따라 와이어 톱 절단 기술은 자유 연마재 와이어 톱과 고정 연마재 다이아몬드 와이어 톱의 두 가지 유형으로 나눌 수 있습니다.

1.1 전통적인 절단 방법

외경(OD) 톱의 절삭 깊이는 톱날의 직경에 따라 제한됩니다. 절삭 과정에서 톱날은 진동과 편차가 발생하기 쉬워 소음이 심하고 강성이 떨어집니다. 내경(ID) 톱은 톱날 안쪽 원주에 다이아몬드 연마재를 절삭날로 사용합니다. 이 톱날은 0.2mm까지 얇을 수 있습니다. 슬라이싱 작업 시, ID 톱날은 고속으로 회전하는 반면, 절삭 대상 재료는 톱날 중심을 기준으로 방사형으로 이동하며, 이러한 상대 운동을 통해 슬라이싱이 이루어집니다.

다이아몬드 밴드쏘는 잦은 정지와 역회전이 필요하며, 절단 속도는 매우 낮아 일반적으로 2m/s를 넘지 않습니다. 또한 심각한 기계적 마모와 높은 유지 보수 비용이 발생합니다. 톱날 폭이 넓기 때문에 절단 반경이 너무 작을 수 없으며, 다중 슬라이스 절단이 불가능합니다. 이러한 전통적인 톱질 도구는 베이스의 강성에 제약을 받아 곡선 절단이나 회전 반경이 제한적입니다. 직선 절단만 가능하고, 넓은 절단면을 만들며, 수율이 낮아 절단 작업에 적합하지 않습니다.SiC 결정.

1.2 무료 연마 와이어 톱 다중 와이어 절단

자유 연마 와이어 톱 절단 기술은 와이어의 빠른 움직임을 이용하여 슬러리를 절단면으로 이동시켜 재료를 제거합니다. 이 기술은 주로 왕복 구조를 사용하며, 현재 단결정 실리콘의 효율적인 다중 웨이퍼 절단을 위한 성숙되고 널리 사용되는 방법입니다. 그러나 SiC 절단에 대한 적용 연구는 상대적으로 미흡합니다.

자유 연마 와이어 톱은 두께 300μm 미만의 웨이퍼를 가공할 수 있습니다. 절단 손실이 적고, 칩핑 발생이 거의 없으며, 표면 품질이 비교적 우수합니다. 그러나 연마재의 압연 및 압입에 기반한 재료 제거 메커니즘으로 인해 웨이퍼 표면에는 상당한 잔류 응력, 미세 균열, 그리고 더 깊은 손상층이 발생하는 경향이 있습니다. 이는 웨이퍼 뒤틀림을 유발하고, 표면 형상 정확도 제어를 어렵게 하며, 후속 공정의 부하를 증가시킵니다.

절삭 성능은 슬러리에 크게 영향을 받습니다. 연마재의 날카로움과 슬러리의 농도를 유지하는 것이 필수적입니다. 슬러리 처리 및 재활용에는 비용이 많이 듭니다. 대형 잉곳을 절단할 때, 연마재는 깊고 긴 절단면에 침투하기 어렵습니다. 동일한 연마 입자 크기에서 절단면 손실은 고정형 연마 와이어 쏘보다 큽니다.

1.3 고정형 연마 다이아몬드 와이어 톱 다중 와이어 절단

고정형 연마 다이아몬드 와이어 쏘는 일반적으로 전기 도금, 소결 또는 수지 접합 방식을 통해 다이아몬드 입자를 강철 와이어 기판에 매립하여 제작됩니다. 전기 도금 다이아몬드 와이어 쏘는 더 좁은 절단면, 더 나은 절단 품질, 더 높은 효율, 더 낮은 오염, 그리고 고경도 재료 절단 능력과 같은 장점을 제공합니다.

왕복 전기도금 다이아몬드 와이어 쏘는 현재 SiC 절단에 가장 널리 사용되는 방법입니다. 그림 1(여기에는 표시되지 않음)은 이 기술을 사용하여 절단된 SiC 웨이퍼의 표면 평탄도를 보여줍니다. 절단이 진행됨에 따라 웨이퍼 휨이 증가합니다. 이는 와이어가 아래로 이동함에 따라 와이어와 소재 사이의 접촉 면적이 증가하여 저항과 와이어 진동이 증가하기 때문입니다. 와이어가 웨이퍼의 최대 직경에 도달하면 진동이 최대가 되어 휨이 최대가 됩니다.

절삭 후반부에서는 와이어가 가속, 정속 이동, 감속, 정지, 역회전을 반복하고, 냉각수로 이물질을 제거하기 어려워 웨이퍼 표면 품질이 저하됩니다. 와이어 역회전 및 속도 변동, 그리고 와이어에 큰 다이아몬드 입자가 쌓이는 것이 표면 스크래치의 주요 원인입니다.

1.4 저온 분리 기술

SiC 단결정의 저온 분리는 3세대 반도체 재료 가공 분야의 혁신적인 공정입니다. 최근 수율 향상 및 재료 손실 감소라는 탁월한 장점으로 주목을 받고 있습니다. 이 기술은 작동 원리, 공정 흐름, 그리고 핵심 장점의 세 가지 측면에서 분석할 수 있습니다.

결정 방위 결정 및 외경 연삭: 가공 전에 SiC 잉곳의 결정 방위를 결정해야 합니다. 그런 다음 잉곳을 외경 연삭을 통해 원통형 구조(일반적으로 SiC 퍽이라고 함)로 성형합니다. 이 단계는 이후 방향성 절단 및 슬라이싱의 기초를 마련합니다.

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

레이저 절단 기술: 레이저를 사용하여 결정 내부에 변형된 층을 형성하여 얇은 조각을 분리할 수 있습니다. 이 방식은 재료 손실을 줄이고 가공 효율을 향상시켜 SiC 웨이퍼 절단 분야의 새로운 유망한 방향을 제시합니다.

절단 공정 최적화

고정 연마 다중 와이어 절단: 이는 현재 주류 기술로, SiC의 높은 경도 특성에 적합합니다.

방전 가공(EDM) 및 냉간 분리 기술: 이러한 방법은 특정 요구 사항에 맞춰 다양한 솔루션을 제공합니다.

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

실시간 모니터링: 표면 거칠기를 실시간으로 모니터링하기 위해 온라인 검사 기술이 도입되었습니다.

레이저 슬라이싱: 이 기술은 절단 손실을 줄이고 가공 주기를 단축하지만, 열 영향 영역은 여전히 ​​과제로 남아 있습니다.

하이브리드 처리 기술: 기계적 방법과 화학적 방법을 결합하여 처리 효율성을 높입니다.

이 기술은 이미 산업적으로 적용되고 있습니다. 예를 들어, 인피니언은 SILTECTRA를 인수하여 8인치 웨이퍼 양산을 지원하는 핵심 특허를 보유하고 있습니다. 중국에서는 Delong Laser와 같은 회사들이 6인치 웨이퍼 가공 시 잉곳당 30장의 웨이퍼를 생산할 수 있는 효율을 달성하여 기존 방식 대비 40% 향상되었습니다.

국내 장비 생산이 가속화됨에 따라 이 기술은 SiC 기판 가공의 주류 ​​솔루션이 될 것으로 예상됩니다. 반도체 소재의 직경이 커짐에 따라 기존의 절단 방식은 더 이상 유효하지 않습니다. 현재 사용 가능한 기술 중 왕복식 다이아몬드 와이어 쏘 기술은 가장 유망한 응용 분야 전망을 보여줍니다. 새롭게 부상하는 기술인 레이저 절단은 상당한 이점을 제공하며 향후 주요 절단 방식으로 자리매김할 것으로 예상됩니다.

2、SiC 단결정 연삭

3세대 반도체의 대표주자인 탄화규소(SiC)는 넓은 밴드갭, 높은 항복 전계, 높은 포화 전자 드리프트 속도, 그리고 뛰어난 열전도도를 통해 상당한 이점을 제공합니다. 이러한 특성으로 인해 SiC는 고전압 응용 분야(예: 1200V 환경)에서 특히 유리합니다. SiC 기판의 가공 기술은 소자 제조에 있어 핵심적인 부분입니다. 기판의 표면 품질과 정밀도는 에피택셜층의 품질과 최종 소자의 성능에 직접적인 영향을 미칩니다.

연삭 공정의 주요 목적은 슬라이싱 중 발생한 표면 톱 자국과 손상층을 제거하고, 절삭 과정에서 발생한 변형을 교정하는 것입니다. SiC는 매우 높은 경도를 가지고 있기 때문에 연삭에는 탄화붕소나 다이아몬드와 같은 단단한 연마재가 필요합니다. 일반적인 연삭은 일반적으로 조연삭과 미연삭으로 나뉩니다.

2.1 거친 분쇄와 미세 분쇄

연삭은 연마 입자 크기에 따라 다음과 같이 분류할 수 있습니다.

거친 분쇄: 주로 큰 연마재를 사용하여 절단 중에 생긴 톱 자국과 손상층을 제거하여 가공 효율성을 개선합니다.

미세 연삭: 더욱 미세한 연마재를 사용하여 거친 연삭으로 인해 남은 손상층을 제거하고, 표면 거칠기를 줄이고, 표면 품질을 향상시킵니다.

많은 국내 SiC 기판 제조업체들이 대규모 생산 공정을 사용합니다. 일반적인 방법은 주철판과 단결정 다이아몬드 슬러리를 이용한 양면 연삭입니다. 이 공정은 와이어 소잉으로 인해 남은 손상층을 효과적으로 제거하고, 웨이퍼 형상을 교정하며, TTV(전체 두께 변화), 보우(bow), 와프(warp)를 감소시킵니다. 재료 제거율은 일반적으로 분당 0.8~1.2μm에 달하며 안정적으로 유지됩니다. 그러나 최종 웨이퍼 표면은 무광택이며 거칠기가 비교적 높아(일반적으로 약 50nm) 후속 연마 단계에 더 높은 요구 조건을 요구합니다.

2.2 단면 연삭

단면 연삭은 웨이퍼의 한 면만 한 번에 가공합니다. 이 공정에서 웨이퍼는 강판에 왁스로 고정됩니다. 가해지는 압력에 의해 기판은 약간의 변형을 겪으며 윗면은 평평해집니다. 연삭 후 아랫면은 평평하게 다듬어집니다. 압력이 제거되면 윗면은 원래 모양으로 돌아가는 경향이 있는데, 이는 이미 연삭된 아랫면에도 영향을 미쳐 양쪽 면이 휘어지고 평탄도가 저하됩니다.

또한, 연삭판이 단시간에 오목하게 변하여 웨이퍼가 볼록해질 수 있습니다. 따라서 연삭판의 평탄도를 유지하려면 잦은 드레싱이 필요합니다. 단면 연삭은 효율이 낮고 웨이퍼 평탄도가 좋지 않아 대량 생산에 적합하지 않습니다.

일반적으로 #8000 연삭 휠은 미세 연삭에 사용됩니다. 일본에서는 이 공정이 비교적 발전되어 #30000 연마 휠까지 사용합니다. 이를 통해 가공된 웨이퍼의 표면 거칠기를 2nm 미만으로 낮춰 추가 가공 없이 최종 CMP(Chemical Mechanical Polishing) 공정에 적합한 웨이퍼를 만들 수 있습니다.

2.3 단면 박막화 기술

다이아몬드 단면 박막화 기술은 단면 연삭의 새로운 방법입니다. 그림 5(여기서는 표시되지 않음)에서 볼 수 있듯이, 이 공정은 다이아몬드 결합 연삭판을 사용합니다. 웨이퍼는 진공 흡착 방식으로 고정되고, 웨이퍼와 다이아몬드 연삭 휠은 동시에 회전합니다. 연삭 휠은 점차 아래로 이동하여 웨이퍼를 목표 두께까지 박막화합니다. 한 면의 연삭이 완료되면 웨이퍼를 뒤집어 반대쪽 면을 가공합니다.

얇게 만든 후 100mm 웨이퍼는 다음과 같은 효과를 얻을 수 있습니다.

활 < 5 μm

TTV < 2μm

표면 거칠기 < 1 nm

이 단일 웨이퍼 가공 방식은 높은 안정성, 탁월한 일관성, 그리고 높은 재료 제거율을 제공합니다. 기존 양면 연삭에 비해 이 기술은 연삭 효율을 50% 이상 향상시킵니다.

2.4 양면 연삭

양면 연삭은 상단과 하단 연삭판을 모두 사용하여 기판의 양면을 동시에 연삭함으로써 양면 모두에서 뛰어난 표면 품질을 보장합니다.

이 과정에서 연삭판은 먼저 공작물의 가장 높은 지점에 압력을 가하여 변형을 일으키고 해당 지점에서 점진적으로 재료를 제거합니다. 높은 지점이 평평해짐에 따라 기판에 가해지는 압력이 점차 균일해져 전체 표면에 걸쳐 일관된 변형이 발생합니다. 이를 통해 상단과 하단 표면 모두 균일하게 연삭됩니다. 연삭이 완료되고 압력이 해제되면, 기판의 각 부분은 동일한 압력으로 인해 균일하게 복원됩니다. 이는 뒤틀림을 최소화하고 평탄도를 향상시킵니다.

연삭 후 웨이퍼 표면 거칠기는 연마 입자 크기에 따라 달라집니다. 입자가 작을수록 표면이 매끄러워집니다. 양면 연삭에 5μm 연마재를 사용하면 웨이퍼 평탄도와 두께 편차를 5μm 이내로 제어할 수 있습니다. 원자간력현미경(AFM) 측정 결과, 약 100nm의 표면 거칠기(Rq)와 최대 380nm 깊이의 연삭 피트(grinding pit)가 관찰되었으며, 연마 작용으로 인한 선형 자국이 눈에 띄게 나타났습니다.

더욱 진보된 방법은 폴리우레탄 폼 패드와 ​​다결정 다이아몬드 슬러리를 혼합하여 양면 연삭하는 것입니다. 이 공정은 표면 거칠기가 매우 낮은 웨이퍼를 생산하여 Ra < 3 nm를 달성하는데, 이는 SiC 기판의 후속 연마에 매우 유용합니다.

그러나 표면 스크래치는 여전히 해결되지 않은 문제로 남아 있습니다. 또한, 이 공정에 사용되는 다결정 다이아몬드는 폭발 합성법을 통해 생산되는데, 이는 기술적으로 어렵고 생산량이 적으며 가격이 매우 비쌉니다.

SiC 단결정 연마

탄화규소(SiC) 웨이퍼에 고품질의 연마 표면을 구현하려면 연마를 통해 연삭 흔적과 나노미터 단위의 표면 기복을 완전히 제거해야 합니다. 목표는 오염이나 열화, 표면 하부 손상, 잔류 표면 응력이 없는 매끄럽고 결함 없는 표면을 생성하는 것입니다.

3.1 SiC 웨이퍼의 기계적 연마 및 CMP

SiC 단결정 잉곳 성장 후 표면 결함으로 인해 에피택셜 성장에 직접 사용할 수 없습니다. 따라서 추가 가공이 필요합니다. 잉곳은 먼저 라운딩을 통해 표준 원통형으로 성형한 후, 와이어 커팅을 통해 웨이퍼 형태로 슬라이스하고, 결정학적 방위 검증을 거칩니다. 연마는 웨이퍼 품질을 향상시키고 결정 성장 결함 및 이전 공정 단계에서 발생할 수 있는 표면 손상을 해결하는 데 중요한 단계입니다.

SiC 표면 손상층을 제거하는 데는 크게 4가지 방법이 있습니다.

기계적 연마: 간단하지만 긁힘이 남습니다. 초기 연마에 적합합니다.

화학적 기계적 연마(CMP): 화학적 에칭을 통해 긁힌 자국을 제거합니다. 정밀 연마에 적합합니다.

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

플라스마 보조 연마: 복잡하고 거의 사용되지 않음.

기계적 연마만 하면 스크래치가 발생하고, 화학적 연마만 하면 에칭이 고르지 않게 될 수 있습니다. CMP는 두 가지 장점을 모두 결합하여 효율적이고 비용 효율적인 솔루션을 제공합니다.

CMP 작동 원리

CMP는 회전하는 연마 패드에 대해 설정된 압력 하에서 웨이퍼를 회전시키는 방식으로 작동합니다. 이러한 상대 운동은 슬러리 내 나노 크기의 연마재에 의한 기계적 마모와 반응성 물질의 화학적 작용과 결합하여 표면 평탄화를 달성합니다.

사용된 주요 소재:

연마 슬러리: 연마제와 화학 시약을 포함합니다.

연마 패드: 사용 중 마모되어 기공 크기 및 슬러리 공급 효율이 감소합니다. 거칠기를 회복하려면 일반적으로 다이아몬드 드레서를 사용한 정기적인 드레싱이 필요합니다.

일반적인 CMP 공정

연마제: 0.5 μm 다이아몬드 슬러리

목표 표면 거칠기: ~0.7nm

화학적 기계적 연마:

연마 장비: AP-810 단면 연마기

압력: 200 g/cm²

플레이트 속도: 50rpm

세라믹 홀더 속도: 38rpm

슬러리 구성:

SiO₂(30중량%, pH=10.15)

0~70중량% H₂O₂(30중량%, 시약 등급)

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

슬러리 유량: 3L/분, 재순환

이 공정은 SiC 웨이퍼 품질을 효과적으로 개선하고 다운스트림 공정의 요구 사항을 충족합니다.

기계적 연마의 기술적 과제

SiC는 넓은 밴드갭 반도체로서 전자 산업에서 중요한 역할을 합니다. 우수한 물리적 및 화학적 특성을 지닌 SiC 단결정은 고온, 고주파, 고출력, 내방사선성과 같은 극한 환경에 적합합니다. 그러나 SiC의 단단하고 취성이 강하여 연삭 및 연마 공정에 큰 어려움을 겪습니다.

주요 글로벌 제조업체들이 6인치에서 8인치 웨이퍼로 전환함에 따라 공정 중 균열 및 웨이퍼 손상과 같은 문제가 더욱 심각해져 수율에 큰 영향을 미치고 있습니다. 8인치 SiC 기판의 기술적 과제를 해결하는 것은 이제 업계 발전의 핵심 기준이 되었습니다.

8인치 시대에 SiC 웨이퍼 가공은 수많은 과제에 직면합니다.

웨이퍼 스케일링은 배치당 칩 생산량을 늘리고, 에지 손실을 줄이고, 생산 비용을 낮추는 데 필요합니다. 특히 전기 자동차 애플리케이션에 대한 수요가 증가하고 있는 상황에서 더욱 그렇습니다.

8인치 SiC 단결정의 성장은 성숙되었지만, 연삭 및 연마와 같은 백엔드 공정은 여전히 ​​병목 현상에 직면해 있으며, 이로 인해 수율이 낮습니다(40~50%에 불과).

웨이퍼가 커질수록 압력 분포가 더 복잡해지므로 연마 응력과 수율 일관성을 관리하는 것이 더 어려워집니다.

8인치 웨이퍼의 두께는 6인치 웨이퍼와 비슷하지만, 취급 중 응력과 휘어짐으로 인해 손상될 가능성이 더 큽니다.

절단 관련 응력, 휨, 균열을 줄이기 위해 레이저 절단이 점점 더 많이 사용되고 있습니다. 그러나:

장파장 레이저는 열적 손상을 일으킵니다.

단파장 레이저는 무거운 파편을 생성하고 손상층을 깊게 만들어 연마의 복잡성을 높입니다.

SiC를 위한 기계적 연마 워크플로

일반적인 프로세스 흐름은 다음과 같습니다.

방향 절단

거친 분쇄

미세 분쇄

기계적 연마

최종 단계로서의 화학 기계적 연마(CMP)

CMP 공정의 선택, 공정 경로 설계, 그리고 매개변수 최적화는 매우 중요합니다. 반도체 제조에서 CMP는 고품질 에피택셜 성장에 필수적인 매우 매끄럽고 결함이 없으며 손상이 없는 표면을 가진 SiC 웨이퍼를 생산하는 결정적인 단계입니다.

(a) 도가니에서 SiC 잉곳을 제거합니다.

(b) 외경 연삭을 사용하여 초기 성형을 수행합니다.

(c) 정렬 평면 또는 노치를 사용하여 결정 방향을 결정합니다.

(d) 다중 와이어 톱질을 사용하여 잉곳을 얇은 웨이퍼로 자릅니다.

(e) 연삭 및 광택 단계를 거쳐 거울과 같은 표면 매끄러움을 얻습니다.

일련의 가공 단계를 거친 후, SiC 웨이퍼의 바깥쪽 가장자리가 날카로워지는 경우가 많아 취급이나 사용 중 칩핑 위험이 증가합니다. 이러한 취약성을 방지하기 위해 엣지 연삭이 필요합니다.

기존의 슬라이싱 공정 외에도, SiC 웨이퍼를 제조하는 혁신적인 방법에는 본딩 기술이 포함됩니다. 이 접근 방식은 얇은 SiC 단결정층을 이종 기판(지지 기판)에 본딩하여 웨이퍼를 제조할 수 있도록 합니다.

그림 3은 프로세스 흐름을 보여줍니다.

먼저, 수소 이온 주입 또는 이와 유사한 기술을 사용하여 SiC 단결정 표면에 특정 깊이에 박리층을 형성합니다. 가공된 SiC 단결정을 평평한 지지 기판에 접합하고 압력과 열을 가합니다. 이를 통해 SiC 단결정 층을 지지 기판으로 성공적으로 전사하고 분리할 수 있습니다.

분리된 SiC 층은 필요한 평탄도를 얻기 위해 표면 처리를 거치며, 이후 접합 공정에서 재사용될 수 있습니다. 기존의 SiC 결정 슬라이싱과 비교했을 때, 이 기술은 고가의 재료에 대한 수요를 줄입니다. 기술적 과제는 여전히 남아 있지만, 저비용 웨이퍼 생산을 위한 연구 개발이 활발히 진행되고 있습니다.

SiC는 높은 경도와 화학적 안정성을 가지고 있어 실온에서의 반응에 대한 저항성이 높으므로 미세한 연마 구멍을 제거하고, 표면 손상을 줄이고, 긁힘, 구멍, 오렌지 껍질 결함을 없애고, 표면 거칠기를 낮추고, 평탄도를 개선하고, 표면 품질을 향상시키기 위해 기계적 연마가 필요합니다.

고품질의 광택 표면을 얻으려면 다음이 필요합니다.

연마 유형을 조정하세요.

입자 크기를 줄이세요.

프로세스 매개변수를 최적화합니다.

적절한 경도를 갖춘 연마재와 패드를 선택하세요.

그림 7은 1μm 연마재를 이용한 양면 연마가 평탄도와 두께 변화를 10μm 이내로 제어할 수 있고, 표면 거칠기를 약 0.25nm까지 낮출 수 있음을 보여줍니다.

3.2 화학기계연마(CMP)

화학기계연마(CMP)는 초미립자 연마와 화학적 에칭을 결합하여 가공 대상 소재에 매끄럽고 평평한 표면을 형성합니다. 기본 원리는 다음과 같습니다.

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

연마 입자와 부드러운 층 사이의 마찰로 재료가 제거됩니다.

CMP의 장점:

순수한 기계적 또는 화학적 연마의 단점을 극복합니다.

전역 및 로컬 평탄화를 모두 달성합니다.

높은 평탄도와 낮은 거칠기를 갖는 표면을 생성합니다.

표면이나 표면 아래에 손상을 입히지 않습니다.

상세히:

웨이퍼는 압력을 받아 연마 패드에 대해 상대적으로 움직입니다.

슬러리 속의 나노미터 크기의 연마제(예: SiO₂)는 전단에 참여하여 Si-C 공유 결합을 약화시키고 물질 제거를 향상시킵니다.

CMP 기술의 유형:

자유 연마 연마: 연마재(예: SiO₂)를 슬러리에 현탁합니다. 재료 제거는 삼중 연마(웨이퍼-패드-연마재)를 통해 이루어집니다. 균일성을 향상시키려면 연마재 크기(일반적으로 60~200nm), pH, 온도를 정밀하게 제어해야 합니다.

고정 연마 연마: 연마 패드에 연마재가 내장되어 응집을 방지합니다. 고정밀 가공에 이상적입니다.

연마 후 세척:

연마된 웨이퍼는 다음을 거칩니다.

화학 세척(DI수 및 슬러리 잔류물 제거 포함)

DI수 세척 및

고온 질소 건조

표면 오염물질을 최소화합니다.

표면 품질 및 성능

표면 거칠기는 Ra < 0.3 nm로 낮아져 반도체 에피택시 요구 사항을 충족할 수 있습니다.

전역 평탄화: 화학적 연화와 기계적 제거를 결합하면 긁힘과 불균일한 에칭이 줄어들어 순수한 기계적 또는 화학적 방법보다 성능이 뛰어납니다.

고효율성: SiC와 같은 단단하고 취성 있는 재료에 적합하며, 재료 제거 속도가 200nm/h 이상입니다.

기타 새로운 연마 기술

CMP 외에도 다음을 포함한 대체 방법이 제안되었습니다.

전기화학적 연마, 촉매 지원 연마 또는 에칭 및

트라이보케미컬 연마.

하지만 이러한 방법은 아직 연구 단계에 있으며 SiC의 까다로운 재료 특성으로 인해 개발이 느렸습니다.

궁극적으로 SiC 가공은 표면 품질을 개선하기 위해 휘어짐과 거칠기를 점진적으로 줄이는 과정이며, 각 단계 전체에서 평탄도와 거칠기 제어가 중요합니다.

처리 기술

웨이퍼 연삭 단계에서는 다양한 입자 크기의 다이아몬드 슬러리를 사용하여 웨이퍼를 필요한 평탄도와 표면 거칠기로 연삭합니다. 이후 기계적 연마와 화학적 기계적 연마(CMP) 기술을 모두 사용하여 손상 없이 연마된 실리콘 카바이드(SiC) 웨이퍼를 생산합니다.

연마 후, SiC 웨이퍼는 광학 현미경 및 X선 회절계와 같은 장비를 사용하여 모든 기술적 매개변수가 요구 기준을 충족하는지 엄격한 품질 검사를 거칩니다. 마지막으로, 연마된 웨이퍼는 특수 세척제와 초순수를 사용하여 표면 오염물을 제거합니다. 그런 다음 초고순도 질소 가스와 스핀 건조기를 사용하여 건조함으로써 전체 생산 공정이 완료됩니다.

수년간의 노력 끝에 중국 내 SiC 단결정 가공 분야에서 상당한 진전이 이루어졌습니다. 국내에서는 100mm 두께의 도핑된 반절연성 4H-SiC 단결정이 성공적으로 개발되었으며, 이제 n형 4H-SiC 및 6H-SiC 단결정을 일괄 생산할 수 있습니다. TankeBlue와 TYST와 같은 회사는 이미 150mm 두께의 SiC 단결정을 개발했습니다.

SiC 웨이퍼 가공 기술 측면에서 국내 연구기관들은 결정 슬라이싱, 연삭, 연마 공정 조건 및 경로를 사전 탐색하여 소자 제작 요건을 기본적으로 충족하는 샘플을 생산할 수 있습니다. 그러나 국내 웨이퍼의 표면 처리 품질은 국제 기준에 비해 여전히 크게 뒤처져 있습니다. 몇 가지 문제점이 있습니다.

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

프로세스 개선 및 최적화에 대한 이론적 연구와 지원이 부족합니다.

외국 장비와 부품을 수입하는 데 드는 비용이 높습니다.

장비 설계, 가공 정밀도, 소재 등 국내 연구는 국제 수준에 비해 여전히 상당한 격차를 보이고 있습니다.

현재 중국에서 사용되는 고정밀 기기는 대부분 수입에 의존하고 있으며, 검사 장비와 방법론 또한 더욱 개선되어야 합니다.

3세대 반도체의 지속적인 발전으로 SiC 단결정 기판의 직경이 꾸준히 증가하고 있으며, 표면 처리 품질에 대한 요구도 높아지고 있습니다. 웨이퍼 처리 기술은 SiC 단결정 성장 다음으로 기술적으로 가장 어려운 단계 중 하나가 되었습니다.

가공 분야의 기존 과제를 해결하기 위해서는 절삭, 연삭, 연마에 관련된 메커니즘을 심층적으로 연구하고, SiC 웨이퍼 제조에 적합한 공정 방식과 경로를 모색하는 것이 필수적입니다. 동시에, 선진 국제 가공 기술을 배우고 최첨단 초정밀 가공 기술과 장비를 도입하여 고품질 기판을 생산해야 합니다.

웨이퍼 크기가 커짐에 따라 결정 성장 및 가공의 난이도 또한 높아집니다. 그러나 다운스트림 소자의 제조 효율은 크게 향상되고 단가는 낮아집니다. 현재 전 세계 주요 SiC 웨이퍼 공급업체들은 직경 4인치에서 6인치까지의 제품을 공급하고 있습니다. Cree와 II-VI와 같은 선도 기업들은 이미 8인치 SiC 웨이퍼 생산 라인 개발을 계획하고 있습니다.