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體材料，被廣泛認為是制作高溫、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，同時實現(xiàn)更小尺寸的產品設計和更高的效率。

　　2. 耐高頻特性：

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

　　3. 耐高溫特性：

　　相比硅，SiC具有更高的熱導率，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。具體來說，SiC的禁帶寬度是Si的3倍，導熱率是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)勢使得SiC成為一種極具前景的新型半導體材料，具有廣泛的應用前景。

　　碳化硅器件，其原材料為碳化硅，根據電阻性能的不同，分為導電型碳化硅功率器件和半絕緣型碳化硅基射頻器件。導電型碳化硅功率器件，主要是在導電型襯底上生長碳化硅外延層，得到碳化硅外延片后進一步加工制成。品種包括肖特基二極管、 MOSFET、IGBT等，主要應用于電動汽車、光伏發(fā)電、軌道交通、數據中心、充電等基礎設施領域。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氮化鎵外延層，制得碳化硅基氮化鎵外延片后進一步制成，包括HEMT等氮化鎵射頻器件。主要應用于5G通信、車載通信、國防應用、數據傳輸、航空航天等領域。

　　二、碳化硅器件的生產流程

　　在制造碳化硅半導體功率器件的過程中，會經歷一系列嚴謹的工藝流程，包括單晶生長、晶錠切片、外延生長、晶圓設計、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，然后經過切片、打磨、拋光等步驟得到碳化硅襯底，再經過外延生長得到外延片。在外延片上，需要進行光刻、刻蝕、離子注入、金屬鈍化等工藝操作，進而得到碳化硅晶圓。接著將晶圓切割成獨立的芯片，即die，然后經過封裝得到器件。最后，將多個器件組合在一起并放入特殊外殼中組裝成模組。整個制造過程嚴格遵循了科學、理性的原則，并展現(xiàn)出官方的嚴謹和穩(wěn)重。

　　晶體生長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性質。

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

　　在碳化硅長晶環(huán)節(jié)中，主要存在以下三個難點：

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

　　2. 長晶速度較慢。大約需要7天的時間才能生長出2cm的碳化硅晶棒，這使得生產效率相對較低。

　　3. 對晶型的要求高，良率較低。碳化硅具有200多種晶型，但只有少數幾種晶體結構適合作為半導體材料。這給制造過程帶來了很大的挑戰(zhàn)，因為需要仔細選擇合適的晶型以確保產品的質量和性能。

　　SiC 襯底可分為半絕緣型和導電型兩類。半絕緣型襯底主要通過去除晶體中的各種雜質（尤其是淺能級雜質），來實現(xiàn)晶體本征高電阻率，而導電型襯底則是通過在晶體生長過程中引入氮元素，來實現(xiàn)低晶體電阻率。

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

　　切片是碳化硅單晶加工過程的第一道工序，切片的性能決定了后續(xù)薄化、拋光的加工水平。目前報道的碳化硅切片加工技術主要包括固結、游離磨料切片、激光切割、冷分離和電火花切片，其中往復式金剛石固結磨料多線切割是最常應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達數小時的加工時間，且切片過程中多達40%的晶錠以碳化硅粉塵的形式成為廢料，單個晶錠生產出的晶圓數量少，造成碳化硅功率器件成本高昂。

　　碳化硅的薄化主要通過磨削與研磨實現(xiàn)，但碳化硅斷裂韌性較低，在薄化過程中易開裂，導致碳化硅晶片的減薄非常困難。目前多使用自旋轉磨削，晶片自旋轉的同時主軸機構帶動砂輪旋轉，同時砂輪向下進給，實現(xiàn)減薄。自旋轉磨削雖可有效提高加工效率，但砂輪經長時間使用易鈍化，存在使用壽命短且晶片易產生表面與亞表面損傷的問題。為了解決這些問題，目前主要的技術包括超聲振動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，粗拋為機械拋光，目的在于提高拋光的加工效率。碳化硅單晶襯底機械拋光的關鍵研究方向在于優(yōu)化工藝參數，改善晶片表面粗糙度，提高材料去除率。精拋為單面拋光，化學機械拋光是應用最為廣泛的拋光技術，通過化學腐蝕和機械磨損協(xié)同作用，實現(xiàn)材料表面去除及平坦化。

　　化學機械拋光技術涉及多學科知識，如化學、物理、摩擦、力學和材料學等，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（拋光壓力、拋光頭/拋光盤轉速、拋光液流量等）。

　　SiC外延環(huán)節(jié)是在SiC襯底上，通過化學氣相淀積（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程。目前大規(guī)模生產中主要采用化學氣相沉積法。

　　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，須在經過切、磨、拋等仔細加工的單晶襯底上生長一層微米級新單晶，新單晶和襯底可以是相同材料，也可以是不同材料，稱為同質外延或異質外延。外延層可以消除晶體生長和加工時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)，外延的質量對最終器件的性能起關鍵影響作用。不同外延層厚度對應不同耐壓等級的器件規(guī)格，從而對應不同系列的產品。通常，1μm對應100V左右的耐壓。因此，耐壓在600V左右時，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上進行產線升級便可滿足碳化硅器件的制造需求。當然碳化硅材料的特殊性質決定其器件制造中某些工藝需要依靠特定設備進行特殊開發(fā)，以促使碳化硅器件耐高壓、大電流功能的實現(xiàn)。

　　碳化硅材料制成的器件分為導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用領域不同。導電型碳化硅功率器件是通過在低電阻率的導電型襯底上生長碳化硅外延層后進一步加工制成，包括肖特基二極管、MOSFET、IGBT 等，主要用于電動汽車、光伏發(fā)電、軌道交通、智能電網、數據中心、高壓充電等。半絕緣型碳化硅基射頻器件是通過在高電阻率的半絕緣型碳化硅襯底上生長氮化鎵外延層后進一步加工制成，包括 HEMT 等氮化鎵射頻器件，主要用于 5G 通信、車載通信、國防應用、數據傳輸、航空航天。

　　審核編輯：黃飛