楊富程 / 矽雨科技有限公司、徐煜翔 / 工研院材化所
半導體元件之製備需先從長晶柱開始，並進行切磨拋以製備成晶圓，每個步驟都需精密控制，方能確保晶圓的高品質和高可靠性，再以晶圓作為載具進行表面磊晶與摻雜等電路設計製程。本文將介紹半導體材料之晶體成長技術與切磨拋技術。目前寬能隙化合物碳化矽材料具有高硬度、高脆性與良好的化學穩定性，因此在加工性與矽基半導體有所不同，文中主要將以碳化矽進行圖解說明與分析。
【內文精選】
長晶製程簡介
目前主流的矽晶圓或碳化矽晶圓都是先進行晶柱之成長，後再進行切磨拋製程(Slicing, Grinding, and Polishing Process)製備成晶圓。各別材料的拉晶或長晶法如下說明。
1. 單晶矽拉晶法
單晶矽拉晶法(Czochralski)是最常用的單晶矽製造方法。其過程為將多晶矽放入石英坩堝中，並在高溫下熔化。然後使用一個小的單晶籽晶(晶種，Seed)接觸熔融的矽，慢慢將籽晶拉出熔液，同時旋轉籽晶以確保晶體的均勻生長。拉晶過程中，籽晶上附著的熔融矽逐漸凝固形成單晶。此法廣泛應用於製造半導體元件、太陽能電池和其他電子器件。
3. 帶狀晶體生長法
帶狀晶體生長法(Ribbon Growth)是一種用於製造薄片狀晶體的方法。其製造過程為將籽晶放入熔融的材料中，然後從熔液中拉出，形成連續的帶狀晶體。這種方法常見有EFG (Edge-defined Film-fed Growth)法，可用於氧化鎵晶體生長，另外還有矽單晶的SSG (Silicon Sheet Growth)法。此法主要應用於太陽能電池生產，因其能夠直接生產薄片狀晶體，減少了切割和磨削的步驟。
7. 化學氣相沉積
化學氣相沉積(Chemical Vap o r Deposition; CVD)是一種通過化學反應在基材表面沉積薄膜的方法。將氣態的反應物引入反應腔，在基材表面發生化學反應，形成固體薄膜。CVD可用於生長多種材料，包括多晶和單晶，廣泛應用於半導體製程中的薄膜沉積，如SiC、GaN等材料的生長。
9. 物理氣相傳輸法
物理氣相傳輸法( Physical Vap o r Transport; PVT)可用於碳化矽與氮化鋁之單晶成長。PVT法依賴於物理氣相傳輸過程，將原材料從固態昇華為氣態，然後在籽晶表面進行沉積，從而形成單晶。
晶圓製備與加工技術介紹
晶體成長後需先進行晶相定位，確認晶面角度、滾圓去除不平整週邊、頭尾平整化，使晶體上下兩面平整後，即可進行晶圓製備製程。以下將會以碳化矽為主體進行說明。將晶錠製備成晶圓需要以下程序：切割→粗研→細研→拋光，業界統稱該段製程為「切磨拋」製程。由於碳化矽材料硬度高、脆性大，具有高化學性質穩定，且尺寸從直徑4吋、6吋到現有8吋，因此加工難度更大。
1. 切割製程
(2) 雷射切割
線切割因面臨環保與晶錠損耗較大之問題，因此DISCO公司於2016年發表KABRA®技術(如圖三)，該技術是使用雷射進行切割。其原理為使用雷射光聚焦指定深度，於材料內部產生局部改質、原子鍵結斷鍵或是局部熔化，再借助外力使晶圓分離晶錠。雖然此製程具有高效率，但晶錠之缺陷或平整度會影響到雷射光之聚焦能力，使得效益大打折扣。另外因欲切割之材料本身特性，可能需改變光波長或是功率。
圖三、雷射切割技術
2. 研磨製程
因切割後之晶圓表面會存在許多損傷層，甚或可能在晶圓內部，因此需要透過研磨來優化晶片表面品質和精度。研磨製程可分為單面或雙面研磨。
圖六、單面粗研磨之粗糙度分析
3. 拋光製程
細磨後之表面粗糙度已達奈米級別，因此在拋光製程下，會以化學法進行，其英文為Chemical-Mechanical Polishing，縮寫為CMP，為目前半導體晶圓之主流拋光製程。藉由CMP可使晶圓達到高水準的平面度，以符合後續磊晶(Epitaxy)製程設計與良率提升，或堆疊SiC與GaN等電路設計。因為碳化矽材料具有高化學穩定性，因此不易被化學反應腐蝕，目前主流使用過錳酸鉀之漿料(KMnO4 Slurry)進行晶圓表面改質，再搭配不同材質之墊片(Pad)來達到移除目的。在拋光製程前，晶圓需先藉由上蠟製程並搭配模板(Template，如圖八)，將晶圓固定於模板上，以利拋光製程達到好的表面型貌 ---以上為部分節錄資料，完整內容請見下方附檔。
★本文節錄自《工業材料雜誌》452期，更多資料請見下方附檔。