一、碳化硅概述

　　碳化硅（SiC）是由碳元素和硅元素組成的一種化合物半導(dǎo)體材料，被廣泛認(rèn)為是制作高溫、高頻、大功率、高壓器件的理想材料之一。

　　碳化硅原材料核心優(yōu)勢(shì)體現(xiàn)在：

　　1. 耐高壓特性：

　　碳化硅（SiC）具有更低的阻抗和更寬的禁帶寬度，使其能夠承受更大的電流和電壓，同時(shí)實(shí)現(xiàn)更小尺寸的產(chǎn)品設(shè)計(jì)和更高的效率。

　　2. 耐高頻特性：

　　SiC器件在關(guān)斷過(guò)程中不存在電流拖尾現(xiàn)象，有效提高了元件的開(kāi)關(guān)速度，適用于更高頻率和更快的開(kāi)關(guān)速度。

　　3. 耐高溫特性：

　　相比硅，SiC具有更高的熱導(dǎo)率，能夠在更高溫度下工作。

　　相比傳統(tǒng)的硅材料（Si），碳化硅（SiC）在禁帶寬度、導(dǎo)熱率、擊穿電壓以及電子飽和漂移速率方面具有顯著優(yōu)勢(shì)。具體來(lái)說(shuō)，SiC的禁帶寬度是Si的3倍，導(dǎo)熱率是Si的4-5倍，擊穿電壓是Si的8-10倍，電子飽和漂移速率是Si的2-3倍。這些優(yōu)勢(shì)使得SiC成為一種極具前景的新型半導(dǎo)體材料，具有廣泛的應(yīng)用前景。

　　碳化硅器件，其原材料為碳化硅，根據(jù)電阻性能的不同，分為導(dǎo)電型碳化硅功率器件和半絕緣型碳化硅基射頻器件。導(dǎo)電型碳化硅功率器件，主要是在導(dǎo)電型襯底上生長(zhǎng)碳化硅外延層，得到碳化硅外延片后進(jìn)一步加工制成。品種包括肖特基二極管、 MOSFET、IGBT等，主要應(yīng)用于電動(dòng)汽車(chē)、光伏發(fā)電、軌道交通、數(shù)據(jù)中心、充電等基礎(chǔ)設(shè)施領(lǐng)域。而半絕緣型碳化硅基射頻器件，則是在半絕緣型碳化硅襯底上生長(zhǎng)氮化鎵外延層，制得碳化硅基氮化鎵外延片后進(jìn)一步制成，包括HEMT等氮化鎵射頻器件。主要應(yīng)用于5G通信、車(chē)載通信、國(guó)防應(yīng)用、數(shù)據(jù)傳輸、航空航天等領(lǐng)域。

　　二、碳化硅器件的生產(chǎn)流程

　　在制造碳化硅半導(dǎo)體功率器件的過(guò)程中，會(huì)經(jīng)歷一系列嚴(yán)謹(jǐn)?shù)墓に嚵鞒?，包括單晶生長(zhǎng)、晶錠切片、外延生長(zhǎng)、晶圓設(shè)計(jì)、制造、封裝等環(huán)節(jié)。在合成碳化硅粉后，首先需要制作碳化硅晶錠，然后經(jīng)過(guò)切片、打磨、拋光等步驟得到碳化硅襯底，再經(jīng)過(guò)外延生長(zhǎng)得到外延片。在外延片上，需要進(jìn)行光刻、刻蝕、離子注入、金屬鈍化等工藝操作，進(jìn)而得到碳化硅晶圓。接著將晶圓切割成獨(dú)立的芯片，即die，然后經(jīng)過(guò)封裝得到器件。最后，將多個(gè)器件組合在一起并放入特殊外殼中組裝成模組。整個(gè)制造過(guò)程嚴(yán)格遵循了科學(xué)、理性的原則，并展現(xiàn)出官方的嚴(yán)謹(jǐn)和穩(wěn)重。

　　晶體生長(zhǎng)為碳化硅襯底制造最核心工藝環(huán)節(jié)，決定了碳化硅襯底的電學(xué)性質(zhì)。

　　SiC 晶體生長(zhǎng)方法主要有物理氣相傳輸法（PVT 法）、高溫化學(xué)氣相沉積法（CVD 法）、頂部籽晶溶液生長(zhǎng)法（TSSG 法）等。其中，目前大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化中主要采用 PVT 法。

　　在碳化硅長(zhǎng)晶環(huán)節(jié)中，主要存在以下三個(gè)難點(diǎn)：

　　1. 對(duì)溫度和壓力的控制要求極高。生長(zhǎng)溫度需要在2300℃以上，同時(shí)還需要精確控制壓力，以確保晶體能夠穩(wěn)定生長(zhǎng)。

　　2. 長(zhǎng)晶速度較慢。大約需要7天的時(shí)間才能生長(zhǎng)出2cm的碳化硅晶棒，這使得生產(chǎn)效率相對(duì)較低。

　　3. 對(duì)晶型的要求高，良率較低。碳化硅具有200多種晶型，但只有少數(shù)幾種晶體結(jié)構(gòu)適合作為半導(dǎo)體材料。這給制造過(guò)程帶來(lái)了很大的挑戰(zhàn)，因?yàn)樾枰屑?xì)選擇合適的晶型以確保產(chǎn)品的質(zhì)量和性能。

　　SiC 襯底可分為半絕緣型和導(dǎo)電型兩類。半絕緣型襯底主要通過(guò)去除晶體中的各種雜質(zhì)（尤其是淺能級(jí)雜質(zhì)），來(lái)實(shí)現(xiàn)晶體本征高電阻率，而導(dǎo)電型襯底則是通過(guò)在晶體生長(zhǎng)過(guò)程中引入氮元素，來(lái)實(shí)現(xiàn)低晶體電阻率。

　　單晶襯底加工是通過(guò)對(duì) SiC 晶體整形加工、切片加工、晶片研磨、拋光、檢測(cè)、清洗等一系列機(jī)加工工序，制得透明或半透明、無(wú)損傷層、低粗糙度的 SiC 襯底的過(guò)程。晶體加工環(huán)節(jié)，切片和薄化為主要技術(shù)難點(diǎn)。

　　切片是碳化硅單晶加工過(guò)程的第一道工序，切片的性能決定了后續(xù)薄化、拋光的加工水平。目前報(bào)道的碳化硅切片加工技術(shù)主要包括固結(jié)、游離磨料切片、激光切割、冷分離和電火花切片，其中往復(fù)式金剛石固結(jié)磨料多線切割是最常應(yīng)用于加工碳化硅單晶的方法。但碳化硅硬度高，需要大量的金剛石線鋸和長(zhǎng)達(dá)數(shù)小時(shí)的加工時(shí)間，且切片過(guò)程中多達(dá)40%的晶錠以碳化硅粉塵的形式成為廢料，單個(gè)晶錠生產(chǎn)出的晶圓數(shù)量少，造成碳化硅功率器件成本高昂。

　　碳化硅的薄化主要通過(guò)磨削與研磨實(shí)現(xiàn)，但碳化硅斷裂韌性較低，在薄化過(guò)程中易開(kāi)裂，導(dǎo)致碳化硅晶片的減薄非常困難。目前多使用自旋轉(zhuǎn)磨削，晶片自旋轉(zhuǎn)的同時(shí)主軸機(jī)構(gòu)帶動(dòng)砂輪旋轉(zhuǎn)，同時(shí)砂輪向下進(jìn)給，實(shí)現(xiàn)減薄。自旋轉(zhuǎn)磨削雖可有效提高加工效率，但砂輪經(jīng)長(zhǎng)時(shí)間使用易鈍化，存在使用壽命短且晶片易產(chǎn)生表面與亞表面損傷的問(wèn)題。為了解決這些問(wèn)題，目前主要的技術(shù)包括超聲振動(dòng)輔助磨削和在線電解修整輔助磨削。

　　碳化硅晶片的拋光工藝可分為粗拋和精拋，粗拋為機(jī)械拋光，目的在于提高拋光的加工效率。碳化硅單晶襯底機(jī)械拋光的關(guān)鍵研究方向在于優(yōu)化工藝參數(shù)，改善晶片表面粗糙度，提高材料去除率。精拋為單面拋光，化學(xué)機(jī)械拋光是應(yīng)用最為廣泛的拋光技術(shù)，通過(guò)化學(xué)腐蝕和機(jī)械磨損協(xié)同作用，實(shí)現(xiàn)材料表面去除及平坦化。

　　化學(xué)機(jī)械拋光技術(shù)涉及多學(xué)科知識(shí)，如化學(xué)、物理、摩擦、力學(xué)和材料學(xué)等，因此影響其拋光效果的因素很多，主要為拋光液（磨粒、氧化劑、pH值、添加劑等），拋光墊（硬度、彈性、表面形貌等）和拋光參數(shù)（拋光壓力、拋光頭/拋光盤(pán)轉(zhuǎn)速、拋光液流量等）。

　　SiC外延環(huán)節(jié)是在SiC襯底上，通過(guò)化學(xué)氣相淀積（CVD）、分子束外延（MBE）、液相外延法（LPE）、脈沖激光淀積和升華法（PLD）等方法，生長(zhǎng)一層具有特定要求且晶體取向與襯底相同的單晶薄膜的過(guò)程。目前大規(guī)模生產(chǎn)中主要采用化學(xué)氣相沉積法。

　　碳化硅功率器件與傳統(tǒng)硅功率器件制作工藝不同，不能直接制作在碳化硅單晶材料上，須在經(jīng)過(guò)切、磨、拋等仔細(xì)加工的單晶襯底上生長(zhǎng)一層微米級(jí)新單晶，新單晶和襯底可以是相同材料，也可以是不同材料，稱為同質(zhì)外延或異質(zhì)外延。外延層可以消除晶體生長(zhǎng)和加工時(shí)引入的表面或亞表面缺陷，使晶格排列整齊，表面形貌更優(yōu)，外延的質(zhì)量對(duì)最終器件的性能起關(guān)鍵影響作用。不同外延層厚度對(duì)應(yīng)不同耐壓等級(jí)的器件規(guī)格，從而對(duì)應(yīng)不同系列的產(chǎn)品。通常，1μm對(duì)應(yīng)100V左右的耐壓。因此，耐壓在600V左右時(shí)，需要6μm左右厚度的外延層。

　　中游器件制造環(huán)節(jié)，不少功率器件制造廠商在硅基制造流程基礎(chǔ)上進(jìn)行產(chǎn)線升級(jí)便可滿足碳化硅器件的制造需求。當(dāng)然碳化硅材料的特殊性質(zhì)決定其器件制造中某些工藝需要依靠特定設(shè)備進(jìn)行特殊開(kāi)發(fā)，以促使碳化硅器件耐高壓、大電流功能的實(shí)現(xiàn)。

　　碳化硅材料制成的器件分為導(dǎo)電型碳化硅功率器件和半絕緣型碳化硅射頻器件，兩種類型碳化硅器件的終端應(yīng)用領(lǐng)域不同。導(dǎo)電型碳化硅功率器件是通過(guò)在低電阻率的導(dǎo)電型襯底上生長(zhǎng)碳化硅外延層后進(jìn)一步加工制成，包括肖特基二極管、MOSFET、IGBT 等，主要用于電動(dòng)汽車(chē)、光伏發(fā)電、軌道交通、智能電網(wǎng)、數(shù)據(jù)中心、高壓充電等。半絕緣型碳化硅基射頻器件是通過(guò)在高電阻率的半絕緣型碳化硅襯底上生長(zhǎng)氮化鎵外延層后進(jìn)一步加工制成，包括 HEMT 等氮化鎵射頻器件，主要用于 5G 通信、車(chē)載通信、國(guó)防應(yīng)用、數(shù)據(jù)傳輸、航空航天。

　　審核編輯：黃飛