【原创】碳化硅：我需要“特殊服务”！

中国粉体网讯  碳化硅是目前发展最成熟的第三代半导体材料，被应用于新能源汽车、高铁机车、航空航天和无线通信等多个领域，可谓“万物皆可碳化硅”，而业内人士认为碳化硅的市场潜力还远未被挖掘。碳化硅俨然已成为一个崭新的风口。

从产业链层面初步划分，整个碳化硅产业链主要分为单晶衬底制备、外延生长、器件制造等三大环节。从工艺流程上看，碳化硅一般是先被制作成晶锭，然后经过切片、打磨、抛光得到碳化硅衬底；衬底经过外延生长得到外延片；外延片经过光刻、刻蚀、离子注入、沉积等步骤制造成器件，器件组合在一起放入特殊外壳中组装成模组。

在完成以上生产过程中，需要大量特殊的材料与高精尖设备参与，还需一些特殊的工艺“伺候”它。相对于成熟的硅基半导体，最终碳化硅半导体产品的诞生可谓是更加困难重重。下面我们看看碳化硅半导体产品到底有多难“伺候”。

01.必须吃高纯度的昂贵“口粮”

一般认为，SiC粉料颗粒尺寸不宜过小，过小粉料分解速率较快，会导致SiC单晶生长速度过快，使得生长的SiC单晶质量不容易控制。

业内专家山西烁科马康夫在接受中国粉体网采访时表示：在晶型上的选择方面，有的厂家可能选择β相的碳化硅粉体去作为原料，有的厂家用α相的粉体作为原料。但有一项比较统一的，就是在纯度方面要求都是挺高的，所需碳化硅粉体纯度最少要达到6个9以上，才能去进行碳化硅晶体生长的工作。

烁科碳化硅粉料

此外，除了整体纯度外，对某些杂质元素含量也有特殊的要求。例如，为了制备半绝缘SiC单晶衬底，SiC粉体中N元素的含量也必须尽可能降低，而无论是Si粉还是C粉，都极易吸附空气中大量的N元素，导致合成的SiC粉体中N元素含量较高，无法满足半绝缘单晶衬底的使用要求。

高纯度的碳化硅粉体意味着价格也相对较高，据了解，纯度（质量分数，下同）在99.95%～99.9999%之间的碳化硅粉，价格在2000～12000元/kg之间甚至更高。

02.要在特殊的环境中“成长”

碳化硅单晶在自然界极其稀有，几乎不存在，只能依靠人工合成制备。碳化硅晶锭的制备方法分为物理气相沉积（PVT）、化学气相沉积、液相外延法。

目前商业化最成熟的还是物理气相沉积法，也是实现产业化大规模生产的方法。这种方法需要在高温真空环境下将粉料升华，然后通过温场的控制让升华后的组分在籽晶表面生长从而获得碳化硅晶体。

图片来源：山西烁科

据业内人士介绍，SiC单晶衬底生长条件十分严苛，不仅需要经历高温还需要压力精确控制的生长环境，同时这些晶体的生长速度很缓慢，生长质量也不易控制。在生长的过程中即便只出现一丝肉眼无法察觉的管洞，也可能影响晶体的生长质量。SiC晶体的生长过程就如同“蒙眼绣花”一样，因为温度太高，难以进行人工干预，所以晶体的生长过程十分容易遭到扰动。要想生产出高质量的SiC晶片，就必须满足其特殊的生长环境。

03.切磨抛要当心，硬汉也容易被伤害

碳化硅衬底莫氏硬度9.2，硬度很高，但其也是脆性材料，加工过程中存在易开裂问题，加工完成后的衬底易存在翘曲等质量问题。

磨抛环节，为了达到下游外延厂商开盒即用的质量水平，需要对碳化硅衬底表面进行超精密加工，以降低表面粗糙度、表面平整度并达到严苛的金属、颗粒控制要求。据河南工业大学栗正新教授介绍，碳化硅晶圆衬底的加工精度要求很高，包括形状、尺寸和表面精度都属于超精密范围，例如TTV达到微米级，Ra要达到0.2nm以下。

图片来源：天岳先进

目前较为主流的研磨方式为自旋转磨削，晶片自旋转的同时，主轴机构带动砂轮旋转，同时砂轮向下进给，进而实现研磨过程。自旋转磨削虽可有效提高加工效率，但砂轮易随加工时间增加而钝化，使用寿命短且晶片易产生表面与亚表面损伤。而碳化硅衬底的抛光工艺可分为粗抛和精抛，粗抛为机械抛光，主要用于去除研磨后衬底表面的损伤、进行平坦化处理，精抛目前较为主流的是使用化学机械抛光。

04.承上启下的外延，不容有失

碳化硅功率器件与传统硅功率器件制作工艺不同，不能直接制作在碳化硅单晶材料上，必须在导通型单晶衬底上额外生长高质量的外延材料，然后在外延层上制造各类器件。

在碳化硅衬底的表面，生长出的一层质量更高的单晶材料，在导电型碳化硅衬底表面生长一层碳化硅外延层，称为同质外延；在半绝缘型碳化硅衬底上生长氮化镓外延层，则称为异质外延。

现在几乎所有的器件都是在外延上实现的，因此外延的质量对器件的性能有着决定性的影响，而外延的质量又受到晶体和衬底加工的影响，外延处在一个产业的中间环节，起着承上启下的关键作用。

随着耐压能力的增加，外延厚度随之增加，高质量外延片的制备也会越来越难。目前在低、中压领域，外延片核心参数厚度、掺杂浓度可以做到相对较优的水平。但在高压领域，外延片需要攻克的难关还很多，主要参数指标包括厚度、掺杂浓度的均匀性、三角缺陷等。

05.器件环节，夜长梦多，一步都不能错

相对于硅器件，碳化硅芯片制造在工艺上有着更加严苛的要求。首先需要通过高能注入并采用高温退火工艺来解决晶格扩散的难题；其次是要通过高温氧化工艺提高氧化速率，抑制碳生物量。具体来看碳化硅器件制造包括以下步骤：

（1）注入掩膜。首先清洗晶圆，淀积一层氧化硅薄膜，接着通过匀胶、曝光、显影等工艺步骤形成光刻胶图形，最后通过刻蚀工艺将图形转移到刻蚀掩膜上。

（2）离子注入。将做好掩膜的晶圆放入离子注入机，注入高能离子，之后移除掩膜，进行退火以激活注入离子。

（3）制作栅极。在晶圆上依次淀积栅氧层、栅电极层形成门级控制结构。

（4）制作钝化层。淀积一层绝缘特性良好的电介质层，防止电极间击穿。

（5）制作漏源电极。在钝化层上开孔，并溅射金属形成漏源电极。

完成以上步骤，一个最基本的碳化硅芯片便制作完成，然后封装成碳化硅二极管、MOSFET、模块等。碳化硅器件封装环节主要包括芯片固定、引线封装等步骤，用以解决散热和可靠性等问题。

碳化硅器件制造与封装环节，整体涉及的流程较长，环环相扣，涉及较多的关键技术，一步都不能错。

06.22余种关键装备温馨呵护

碳化硅器件生产流程长，需要多种复杂的装备予以服务，且由于SiC工艺的特殊性，传统用于Si基功率器件制备的设备已不能满足需求，需要增加一些专用的设备作为支撑，如材料制备中的碳化硅单晶生长炉、金刚线多线切割机设备，芯片制程中的高温高能离子注入、退火激活、栅氧制备等设备。

以碳化硅MOSFET工艺为例，整线关键工艺设备多达20余种。例如：

碳化硅晶体生长及加工关键设备包括碳化硅粉料合成设备、碳化硅单晶生长炉、金刚石多线切割机、碳化硅研磨机、碳化硅抛光机等。

碳化硅芯片制造及封装关键设备包括碳化硅外延炉、干法刻蚀机、高温离子注入机、高温退火炉、高温氧化炉、背面减薄机等。

小结

相比硅基半导体器件，目前碳化硅器件价格较高，是因为碳化硅器件所需要的工艺相对更为复杂特殊且仍不十分成熟，导致良率较低，且设备投资巨大。另外，碳化硅器件所需的各种材料也是制约其生产的关键部分。可以说，从最初原料的制备到最终产品的生产，整个流程在材料、设备、工艺方面均需要严格而特殊的服务。

参考来源：

中国粉体网、粉体大数据研究

（中国粉体网编辑整理/山川）

注：图片非商业用途，存在侵权告知删除