摘要：
随着 AI 芯片和第三代半导体等产业的快速发展，碳化硅（SiC）衬底正向大尺寸和超薄化方向演进。但 SiC 具有莫氏硬度高（约为 9.2）、脆性大、磨削损伤敏感和大尺寸厚度均匀性难控制等特点，传统减薄易引发翘曲、裂纹和破片。针对上述问题，提出一种基于室温临时键合与精密减薄的大尺寸超薄 SiC 晶圆制备技术。该工艺可实现 6、8 英寸 SiC 晶圆在 30~150 μm范围内的厚度可控制备，总厚度偏差（TTV）≤3 μm，表面粗糙度 Ra≤2 nm。测试结果表明，所制备 8 英寸超薄 SiC 晶圆厚度为 29.5~31.6 μm，TTV 为 2.1 μm，Ra=1.61 nm，验证了该技术在大尺寸、薄型化和高平整度加工方面的可行性。该方法兼具室温低应力、工艺兼容性强和产业化成本低等优势，可为 SiC 功率器件背面减薄、SiC 散热中介层及高密度先进封装等领域提供关键工艺支撑。
引言
碳化硅（SiC）作为第三代半导体的代表性材料，兼具宽禁带、高击穿场强、高热导率和优异的高温稳定性，是新能源汽车、光伏储能、智能电网、人工智能（AI）算力基础设施和先进封装热管理的重要基础材料[1-3]。随着功率器件向高电压、高电流密度和高可靠性方向发展，SiC衬底由 4 英寸向 6、8 英寸升级已成为产业降本增效的明确趋势；与此同时，器件背面减薄和先进封装对晶圆厚度、总厚度偏差（TTV）、表面粗糙度 Ra 及损伤层控制提出了更高要求[4]。比如，在 AI 先进封装和高功率模块中，SiC 作为高导热散热中介层或薄型衬底使用时需要将原始350~500 μm 厚度进一步减薄至 150 μm 以下，部分车规级或高密度集成场景甚至要求厚度降低至80 μm 以下[5]。然而，传统减薄和无支撑磨削工艺存在材料损耗高、加工周期长、表面/亚表面损伤大以及大尺寸薄片易破碎等瓶颈，难以满足大尺寸 SiC 晶圆超薄化加工需求。因此，建立低应力、高一致性、可规模化的大尺寸 SiC 超薄晶圆制备工艺，对提升国产 SiC 器件性能、降低制造成本和拓展先进封装应用具有重要意义。本文基于团队自主开发的低成本室温临时键合技术，实现了 6、8 英寸大尺寸 SiC 晶圆的稳定精密减薄，并系统讨论其在功率器件背面减薄和先进封装中的应用价值。
1、大尺寸超薄碳化硅制备技术背景
在 SiC 功率器件制造过程中，晶圆背面减薄直接影响器件导通电阻、热阻、封装厚度和后续金属化可靠性，是决定器件最终性能和良率的关键工序。减薄后的衬底可缩短电流垂直传输路径，降低导通损耗，并提高热量由芯片向封装散热结构传递的效率，从而满足高功率密度器件的小型化设计需求[6]。然而，晶圆减薄的原理如图 1 所示，随着晶圆尺寸由 4 英寸提升至 6、8 英寸，减薄工艺难度显著增加：一方面，SiC 本征硬度高、脆性大，加工过程中的局部应力集中容易诱发崩边、裂纹和破片；另一方面，大尺寸超薄晶圆刚性降低，常规真空吸附或机械夹持难以保证全片受力均匀，容易引起翘曲、TTV 增大和表面损伤，进而影响后续光刻、金属化、键合和封装流程[7-13]。
临时键合技术是解决大尺寸超薄SiC加工支撑问题的有效方案。该技术通过将SiC晶圆临时固定在玻璃、硅或其他刚性载片上，在粗磨、精磨、抛光及后续转移过程中为薄片提供稳定机械支撑，加工完成后再通过解键合实现薄晶圆释放或转移[14-15]。不过，传统热固化胶黏剂或高温键合工艺往往需要升温、保温和降温过程，SiC与临时载片之间的热膨胀系数差异会引入热应力，进而导致大尺寸键合片翘曲、界面分层或局部厚度偏差，限制了后续精密减薄的稳定性[16-17]。因此，发展室温、低应力、低成本且易解键合的临时键合工艺，是实现6、8英寸SiC晶圆极限减薄和规模化加工的关键。
2 、室温临时键合与精密减薄技术
2.1 加工和测试设备
本研究采用 6、8 英寸自制晶圆键合机和全自动晶圆减薄机开展 SiC 晶圆的室温临时键合与精密减薄实验。使用接触式测厚仪测试 SiC 临时键合片的 TTV，以评价键合后的整体平整性；使用反射式膜厚仪对减薄后的 SiC 晶圆进行 13 点光学厚度分布特征测试，并计算 TTV 以表征减薄后的厚度均匀性；采用布鲁克原子力显微镜在 10 μm×10 μm 扫描范围内测试表面粗糙度 Ra。相关加工和测试设备的型号及生产厂家见表 1。
2.2 室温临时键合技术
针对现有超薄 SiC 制备中热应力大、破片风险高和成本高等问题，本团队开发了低成本室温临时键合技术。该技术无需高温固化工序，可适配 6、8 英寸大尺寸 SiC 晶圆，并实现 SiC 载片之间的平整临时键合。碳化硅临时键合原理与 8 英寸碳化硅/玻璃键合片实物如图 2 所示，键合技术特色主要体现在两个方面：一是自主开发的低成本室温键合工艺。传统热固化型临时键合工艺需要经过高温处理且每小时键合效率低（＜5 pcs/h），碳化硅晶圆和载体的热膨胀系数差异大，冷却后会产生严重的内应力，最终引发晶圆翘曲，后续减薄后翘曲量会进一步放大，直接导致破片率大幅攀升。本文中的“室温临时键合技术”使用团队自主研发的键合设备与工艺完成，设备适配工艺进行优化设计，单工作站每小时键合效率＞20 pcs/h，键合 TTV＜2 μm，兼容 2~12 英寸晶圆，键合和维护成本远低于商业设备，为超薄 SiC 晶圆的规模化制备奠定基础[15]；二是低成本解键合工艺。传统室温键合工艺常采用激光、机械剥离、化学释放和热滑移等方案解键合。但机械剥离和热滑移不兼容超薄晶圆解键合，化学释放产能低、污染严重多用于小批量研发使用。激光解键合虽然具有无高温低应力的优点，但设备成本极高，不符合团队低成本键合减薄的初衷。因此团队开发的低成本室温临时键合方案采用中低温（＜150 ℃）加热解键合。可实现 10μm级超薄晶圆的解键合且一次性可处理 100 片晶圆，良率＞95.0%。
2.3 精密减薄技术
针对 SiC 硬度高、脆性大和磨削损伤敏感的特点，本研究采用 2000 目和 30000 目金刚石磨轮分别完成 Z1 主轴粗减薄和 Z2 主轴精减薄加工。其中，粗减薄用于快速去除大部分衬底厚度，精减薄用于降低表面损伤层厚度并改善厚度均匀性。8 英寸碳化硅临时键合片粗减薄与精减薄后的实物如图 3 所示，8 英寸 SiC 在粗减薄和精减薄后均保持完整，说明载片支撑能够显著降低超薄晶圆在加工和搬运过程中的破片风险。在临时载片的机械支撑下，6、8 英寸 SiC 晶圆可实现30~150 μm 范围内的厚度精准控制；以 350~500 μm 原始厚度的 6、8 英寸 SiC 晶圆为例，减薄至目标厚度约需 15~20 min。8 英寸碳化硅精密减薄后的厚度分布测试和表面粗糙度测试结果如图4 所示，8 英寸 SiC 键合片中上层 SiC 经精密减薄后厚度分布为 29.5~31.6 μm，TTV 为 2.1 μm，表面粗糙度 Ra 为 1.61 nm。与传统无支撑减薄工艺相比，该方案不仅将大尺寸 SiC 晶圆的可加工厚度推进至 30 μm 量级，厚度远低于国内报道的激光剥离 130 μm 的 8 英寸超薄 SiC 晶圆和碳化硅晶圆 100 μm 以下的超精密磨削；同时还在低成本临时键合工艺和解键合工艺支撑下，有效解决了超薄晶圆夹持、搬运和长距离运输中的可靠性问题。
3 、超薄碳化硅的产业化应用
室温临时键合与精密减薄技术为SiC在功率器件和先进封装等应用场景中提供了重要支撑：1）功率芯片背面减薄。如图5所示SiC功率芯片背面减薄原理，SiC功率芯片常规厚度通常为300~500 μm，将其减薄至30~150 μm可缩短垂直导电路径、降低导通电阻和芯片热阻，并有利于功率模块轻量化和小型化。随着新能源汽车800 V高压平台、光伏储能逆变器和高功率密度电驱系统快速发展，该工艺可支撑碳化硅金属-氧化物半导体场效应晶体管（SiC MOSFET）、碳化硅肖特基势垒二极管（SiC SBD）及相关功率模块的性能提升和规模化制造[3,18]。2）SiC散热中介层加工。在芯片-晶圆-基板堆叠封装（CoWoS封装）等高密度先进封装中，AI芯片与高带宽内存（HBM）、图形处理器（GPU）、中央处理器（CPU）之间的高带宽互连和高热流密度对中介层材料的导热性、平整度和尺寸稳定性提出了更高要求。如图6所示CoWoS高密度先进封装中的SiC中介层，SiC具备优异导热性能和较高机械刚度，被认为是解决高热流密度封装散热和翘曲问题的潜在材料。临时键合与精密减薄可为SiC中介层的薄型化、微孔加工和后续解键合转移提供支撑[19-21]。3）2.5维和3维封装（2.5D/3D）等先进封装。多芯片异构集成要求芯片和中介层在较小总厚度内实现高密度堆叠和互连，通常需要将关键衬底或芯片厚度控制在100 μm以内。将SiC衬底/芯片减薄至30~150 μm区间，可降低封装整体厚度和热阻，提高集成度，并拓展其在AI芯片、HBM堆叠、车规级功率模块和高可靠散热封装中的应用空间。
4、 结论
本文基于团队自主开发的室温临时键合技术，实现了 6、8 英寸大尺寸 SiC 晶圆与玻璃载片的平整临时键合，并结合粗减薄、精减薄等工艺，实现 30~150 μm 厚度范围内超薄SiC 晶圆的稳定制备。实验结果表明，8 英寸 SiC 晶圆可减薄至 29.5~31.6 μm，TTV 为 2.1 μm，表面粗糙度Ra 为 1.61 nm，证明该工艺能够兼顾大尺寸、超薄化、厚度均匀性和表面质量。与传统直接研磨或无支撑减薄相比，室温临时键合可为超薄 SiC 提供低应力机械支撑，显著降低加工、搬运和解键合过程中的破片风险，同时具备设备兼容性强、工艺成本低和产业化效率高等优势。该技术可直接服务于 SiC 功率器件背面减薄、背面金属化、SiC 散热中介层加工及 2.5D/3D 先进封装，为新能源汽车、光伏储能、智能电网和 AI 高性能计算等领域的国产 SiC 器件及先进封装发展提供关键工艺国产化支撑。
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