一种半透明半绝缘碳化硅衬底、制备方法及应用与流程

本发明属于半导体衬底材料加工，具体涉及一种半透明半绝缘碳化硅衬底、制备方法及该衬底在氮化镓射频器件中的应用，尤其适用于自动化产线中视觉识别与氮化镓高质量外延生长的双重需求。

背景技术：

1、碳化硅（sic）作为第三代半导体材料，具有宽禁带、高击穿电场、高热导率等优异特性，特别是高电阻率（≥1×106ω·cm）半绝缘碳化硅衬底，是氮化镓（gan）射频器件的核心衬底材料，广泛用于5g/6g通信、雷达、卫星通信等领域。氮化镓射频器件直接在碳化硅衬底上外延生长，衬底的晶体质量、表面平整度及电学性能直接影响器件性能。

2、然而，常规的半绝缘碳化硅衬底在可见光波段（380 nm~780 nm）具有高度透明性，这给自动化量产产线带来了严重问题：自动化设备（如贴片机、分选机、检测机）依赖视觉识别系统对衬底进行定位、抓取、传输和在线检测，透明衬底会导致识别失灵、定位偏差、漏检误检，严重影响生产效率和成品良率。

3、为解决这一问题，行业内曾尝试采用硅片作为衬底（硅片不透明），但硅基衬底在高频、高功率射频器件中存在物理局限，难以满足严苛性能要求。也有方案尝试对碳化硅衬底进行整体表面粗化处理，但整面粗化会破坏外延面质量，导致后续氮化镓外延层缺陷密度显著升高。还有方案采用背面激光打标或边缘涂覆，但激光打标识别点面积小，易被机械手遮挡；边缘涂覆易引入污染且不耐高温工艺。

4、因此，如何在保持碳化硅衬底正面（外延面）原有高光洁度、全透明特性的前提下，使衬底背面具备可被自动化设备可靠识别的光学特征，同时不影响衬底的电学性能和结构完整性，成为本领域亟待解决的技术难题。

技术实现思路

1、本发明旨在提供一种半透明半绝缘碳化硅衬底、其制备方法及应用，以解决现有半绝缘碳化硅衬底因全透明无法被自动化产线识别，而现有改性方法又损伤外延面或影响电学性能的技术问题。本发明提供的半透明半绝缘碳化硅衬底，其背面经半透明化改性后，在可见光波段的镜面透射率降至25%~50%，使得自动化视觉识别系统能够通过背面的漫散射信号准确捕捉衬底的位置和取向信息；同时，背面的表面粗糙度ra控制在8 nm~30 nm范围内，既保证了足够的漫散射效果以实现可靠识别，又避免了过度粗糙导致衬底在后续工艺中产生颗粒脱落或碎片问题。正面则维持ra≤0.5 nm的超光滑表面和≥58%的镜面透射率，确保氮化镓外延层的高质量生长。正面与背面在功能上完全解耦，互不干扰。

2、为达此目的，本发明采用以下技术方案：

3、第一方面，本发明提供了一种半透明半绝缘碳化硅衬底，所述衬底具有相对设置的正面和背面，所述正面为用于外延生长的外延面，所述背面为经半透明化改性的识别面；

4、所述正面为全透明表面，表面粗糙度ra≤0.5 nm；；在可见光波段（如550 nm）以该正面作为光入射面，使用配备小角度接收附件的紫外-可见-近红外分光光度计进行测试，接收器的接收半角≤2.5°（即全角≤5°），入射光垂直于样品表面（入射角0°），在可见光波段（380 nm~780 nm，特征波长550 nm）记录镜面透射率。测试方法参照gb/t 46227-2025《半导体单晶材料透过率测试方法》，测得的镜面透射率≥58%；

5、所述背面为半透明漫散射表面，表面粗糙度ra为8 nm ~ 30 nm；以该背面作为光入射面，同样使用小角度接收器测得的镜面透射率为25% ~ 50%；

6、所述衬底的整体电阻率 ≥ 1×106ω·cm。

7、进一步地，所述衬底背面为连续整面半透明表面，或仅位于衬底边缘区域的环状半透明区域，或呈点阵状分布的半透明区域。

8、第二方面，本发明提供了一种半透明半绝缘碳化硅衬底的制备方法，包括以下步骤：

9、（1）提供一高电阻率半绝缘碳化硅衬底，所述衬底的正面和背面均为全透明表面；

10、（2）对所述衬底背面的全部或者局部区域进行半透明化处理，以使所述背面形成表面粗糙度ra为8 nm ~ 30 nm、且镜面透射率为25% ~ 50%的漫散射表面，而所述正面保持全透明表面；所述改性处理包括但不限于物理研磨、化学刻蚀、激光辐照或表面成膜。

11、进一步地，所述半透明半绝缘碳化硅衬底制备方法中，衬底背面的物理研磨半透明处理步骤包括：

12、（1）在所述衬底的正面贴覆临时保护膜，所述保护膜能够耐受后续研磨和抛光工艺，并在工艺结束后可无残留去除；所述临时保护膜为热剥离胶带、紫外剥离胶带或临时键合保护膜

13、（2）对所述衬底的背面进行梯度研磨处理：依次采用粗粒度、中粒度、细粒度的金刚石研磨液，在递减的压力下对背面进行递进式研磨，使背面形成微米级随机凹凸结构，背面的镜面透射率降至25%~50%，表面粗糙度ra达到8 nm~30 nm；

14、粗研磨：磨料粒度3~5 μm，压力150~200 g/cm²，去除厚度5~10 μm；中研磨：磨料粒度1~2 μm，压力100~150 g/cm²，去除厚度2~5 μm；细研磨：磨料粒度0.5~1 μm，压力50~100g/cm²，去除厚度1~2um；

15、（3）对研磨后的背面进行低压软垫化学机械抛光：采用碱性硅溶胶抛光液，配合软质抛光垫，在30~80 g/cm²的低压下抛光10~30分钟，以去除研磨引入的亚表面损伤层，同时保留背面的半透明微观形貌；

16、所述碱性硅溶胶抛光液的组成为：胶体二氧化硅（粒径20~50 nm，浓度5%~10%重量比）、氧化剂（过氧化氢5%~10%体积比）、络合剂（edta 0.1%~0.5%重量比）、ph调节剂（koh或naoh，调节ph至10~12），余量为去离子水；

17、所述软质抛光垫为聚氨酯抛光垫，邵氏硬度a ≤ 60，压缩率 ≥ 15%；

18、（4）清洗衬底并去除正面的临时保护膜，依次采用去离子水、稀氢氟酸漂洗，再经有机溶剂超声清洗后氮气吹干，获得背面半透明、正面全透明的半绝缘碳化硅衬底。

19、进一步地，所述半透明半绝缘碳化硅衬底制备方法中，衬底背面的化学刻蚀半透明处理步骤包括：

20、（1）在所述衬底正面贴覆临时保护膜，所述保护膜能够耐受后续刻蚀工艺的化学环境，并在工艺结束后可无残留去除；所述临时保护膜为热剥离胶带、紫外剥离胶带或耐酸碱临时键合保护膜；

21、（2）配制化学刻蚀液：质量浓度为40%~50%的koh水溶液；

22、（3）将所述衬底的背面朝下浸入刻蚀液中，刻蚀时间为5~20分钟，刻蚀温度为50℃-80℃，期间轻微搅拌刻蚀液以确保刻蚀均匀性；通过控制刻蚀温度和时间，调节背面刻蚀深度和表面形貌，使背面的镜面透射率降至25%~50%，表面粗糙度ra达到8 nm~30 nm；

23、（4）将衬底从刻蚀液中取出，依次用去离子水、稀盐酸（体积比1:10）和去离子水反复漂洗，以去除表面残留的刻蚀液和反应产物，氮气吹干；

24、（5）对刻蚀后的背面进行低压软垫化学机械抛光，采用碱性硅溶胶抛光液，配合软质聚氨酯抛光垫，在30~80 g/cm²的低压下抛光5~15分钟，以去除刻蚀引入的表面损伤层，同时保留背面的半透明漫散射微观形貌；所述碱性硅溶胶抛光液的组成为：胶体二氧化硅（粒径20~50 nm，浓度5%~10%重量比）、氧化剂（过氧化氢5%~10%体积比）、络合剂（edta 0.1%~0.5%重量比）、ph调节剂（koh或naoh，调节ph至10~12），余量为去离子水；

25、（6）去除正面临时保护膜，依次放入丙酮、异丙醇、去离子水中各超声清洗5分钟，氮气吹干。

26、进一步地，所述半透明半绝缘碳化硅衬底制备方法中，衬底背面的激光辐照半透明处理步骤包括：

27、（1）在所述衬底正面贴覆临时保护膜，所述保护膜能够耐受激光加工过程中的热影响和可能的飞溅物，并在工艺结束后可无残留去除；所述临时保护膜为热剥离胶带、紫外剥离胶带或耐热临时键合保护膜；

28、（2）采用脉冲激光加工系统对所述衬底的背面进行扫描辐照，激光参数设置为：激光波长为800 nm或1030 nm，脉冲宽度为100 fs~500 ns，重复频率为1 khz~1 mhz，激光能量密度为0.5~10 j/cm²，扫描速度为10~100 mm/s，扫描间距为20~100 μm；通过调节激光能量密度、脉冲宽度和扫描间距，控制背面改性层的深度和表面粗糙度，使背面形成具有漫散射效果的改性层，镜面透射率降至25%~50%，表面粗糙度ra达到8 nm~30 nm；

29、（3）激光辐照完成后，将衬底依次放入丙酮、异丙醇、去离子水中各超声清洗5~10分钟，以去除激光加工产生的表面碎屑和污染物，氮气吹干；

30、（4）去除正面临时保护膜，获得背面经激光改性的半透明半绝缘碳化硅衬底。

31、进一步地，所述半透明半绝缘碳化硅衬底制备方法中，衬底背面的表面成膜半透明处理步骤包括：

32、（1）在所述衬底正面贴覆临时保护膜，所述保护膜能够耐受后续沉积工艺的高温环境，并在工艺结束后可无残留去除；所述临时保护膜为聚酰亚胺胶带或耐高温临时键合保护膜；

33、（2）采用等离子体增强化学气相沉积（pecvd）在所述衬底背面沉积半透明薄膜材料，所述薄膜材料为氮化硅（si3n4）、氧化硅（sio2）或非晶碳化硅（a-sic）中的一种或多种的组合；沉积参数设置为：衬底温度200℃~400℃，射频功率100~300 w，工作压力0.5~2 torr，沉积时间5~30分钟；

34、当沉积氮化硅薄膜时，反应气体为硅烷（sih4）和氨气（nh3）或氮气（n2），气体流量比sih4:nh3 = 1:5~1:10；当沉积氧化硅薄膜时，反应气体为硅烷（sih4）和笑气（n2o）；所述薄膜厚度控制在50 nm~500 nm；

35、通过调节pecvd工艺参数使沉积薄膜形成纳米级岛状粗糙形貌，其表面粗糙度ra为8 nm ~ 30 nm，利用薄膜表面凹凸结构对入射光产生漫散射效果，从而将背面的镜面透射率降至25%~50%；

36、（3）沉积完成后，将衬底在氮气气氛中进行快速热退火，退火温度为400℃~600℃，退火时间为1~5分钟，以提高薄膜的致密性和附着力；

37、（4）去除正面临时保护膜，依次放入丙酮、异丙醇、去离子水中各超声清洗5分钟，氮气吹干。

38、进一步地，所述半透明半绝缘碳化硅衬底制备方法，还包括，在所述衬底背面选择性地形成掩模层，以限定半透明化处理的区域，从而在所述背面形成环状、点阵或图案化的半透明区域，其余区域保持全透明。

39、第三方面，本发明提供了一种上述半透明半绝缘碳化硅衬底的应用，其特征在于：所述衬底用于制备氮化镓射频器件，具体是将氮化镓外延层生长于所述衬底的正面（全透明外延面），以所述衬底的背面（半透明识别面）作为自动化产线视觉识别与抓取的定位面。

40、相对于现有技术，本发明具有以下有益效果：本发明中碳化硅衬底的正面保持全透明、高光洁度，专用于氮化镓外延生长；背面经半透明化改性，专用于自动化产线视觉识别。两者物理隔离，彻底解决了传统整面改性损伤外延质量的问题。