中國粉體網(wǎng)訊 我國半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)起步較晚，整體上落后于以美國、日本為代表的國際半導(dǎo)體強國，但憑借政府持續(xù)出臺的多項半導(dǎo)體行業(yè)政策的支持，半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速。
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作為半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)中的襯底材料，碳化硅單晶具有優(yōu)異的熱、電性能，在高溫、高頻、大功率、抗輻射集成電子器件領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。
1 半導(dǎo)體行業(yè)發(fā)展歷程
眾所周知，半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)發(fā)展至今經(jīng)歷了三個階段。
階段一：20世紀50~60年代，硅和鍺構(gòu)成了第一代半導(dǎo)體材料，主要應(yīng)用于低壓、低頻、中功率晶體管以及光電探測器中。相比于鍺半導(dǎo)體器件，硅材料制造的半導(dǎo)體器件耐高溫和抗輻射性能較好。直到現(xiàn)在，我們使用的半導(dǎo)體產(chǎn)品大多是基于硅材料的。
階段二：進入20世紀90年代后，砷化鎵、磷化銦代表了第二代半導(dǎo)體材料，可用于制作高速、高頻、大功率以及發(fā)光電子器件。因信息高速公路和互聯(lián)網(wǎng)的興起，第二代半導(dǎo)體材料被廣泛應(yīng)用于衛(wèi)星通訊、移動通訊、光通信和GPS導(dǎo)航等領(lǐng)域。
階段三：與前兩代半導(dǎo)體材料相比，第三代半導(dǎo)體材料通常又被稱為寬禁帶半導(dǎo)體材料或高溫半導(dǎo)體材料。其中，碳化硅和氮化鎵在第三代半導(dǎo)體材料中是發(fā)展成熟的代表。
2 碳化硅單晶特點
碳化硅單晶作為第三代半導(dǎo)體中的典型材料，具有禁帶寬度大(2.3~3.3eV)、擊穿電場高(0.8~3.0MV/cm)、飽和電子漂移速率高(2.0×107cm/s)和熱導(dǎo)率高(3~4.9W/(cm·K))等特點，這些特點十分符合高頻高功率電子器件的需求，是傳統(tǒng)半導(dǎo)體無法代替的。隨著單晶材料的技術(shù)突破，這些性質(zhì)使得SiC成為研究和產(chǎn)業(yè)的熱點，有力推動了SiC單晶材料的進展。
3 碳化硅單晶的生長方式
目前碳化硅單晶的生長方法主要包括以下三種：液相法、高溫化學(xué)氣相沉積法、物理氣相傳輸法。
（1）液相法
液相法生長碳化硅單晶最早是由德國人于1999年提出的。近年以來，日本的一些單位又對于液相法生長碳化硅進行了大量的研究改進。下圖是碳化硅液相生長裝置及溫度梯度示意圖。采用射頻感應(yīng)線圈對反應(yīng)容器進行加熱，選用石墨材料作為坩堝，同時將其作為碳源，在石墨坩堝中填充硅熔體。將碳化硅晶種放置在石墨坩堝頂部，剛好與熔體接觸，控制晶種溫度略低于熔體溫度。利用溫度梯度作為生長驅(qū)動力來實現(xiàn)晶體的生長。生長一般在惰性氣體氣氛（如Ar）中進行，生長溫度在1750~2100℃之間。為了提高晶體的生長速率，在生長過程中可以調(diào)節(jié)石墨坩堝和種子晶體的旋轉(zhuǎn)方向和旋轉(zhuǎn)速度。
碳化硅單晶液相生長裝置及溫度分布示意圖
（2）高溫化學(xué)氣相沉積法
高溫化學(xué)氣相沉積法（HTCVD）由瑞典Okmetric公司于20世紀90年代提出，并用于生長碳化硅單晶。下圖為碳化硅單晶高溫化學(xué)氣相沉積生長裝置原理圖。在此方法中，碳化硅單晶在一個垂直形態(tài)的石墨坩堝中進行生長，H2或He作為載氣，SiH4、C2H4或C3H8分別作為Si源和Ｃ源。在反應(yīng)腔室高溫區(qū)，源氣體發(fā)生分解并相互作用生成SiC。該方法設(shè)備費用昂貴，生長成本較高，限制了其推廣應(yīng)用。
碳化硅單晶高溫化學(xué)氣相沉積生長裝置及溫度分布示意圖
（3）物理氣相傳輸法
物理氣相傳輸法（PVT法），又稱為籽晶升華法、改進Lely法。SiC在常壓高溫下不熔化，但在1800℃以上的高溫時，會發(fā)生分解升華成多種氣相組分，這些氣相組分在運輸至較低溫度時又會發(fā)生反應(yīng)，重新結(jié)晶生成固相SiC，PVT法正是利用了該特性。該方法于1978年首次提出，是在Lely法的基礎(chǔ)上進一步改進得來的，其生長裝置如下圖所示。PVT法是目前SiC單晶生長研究最多、最成熟的技術(shù)。
物理氣相傳輸法生長裝置示意圖
4 碳化硅單晶加工工藝過程
碳化硅單晶的加工過程主要分為切片、薄化和拋光。
（1）碳化硅單晶的切片
作為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。切片加工易在晶片表面和亞表面產(chǎn)生裂紋，增加晶片的破片率和制造成本，因此控制晶片表層裂紋損傷，對推動碳化硅器件制造技術(shù)的發(fā)展具有重要意義。
目前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，不同技術(shù)對應(yīng)的性能指標如下表所示，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。
不同切割工藝性能對比表
（2）碳化硅晶片的薄化
碳化硅斷裂韌性較低，在薄化過程中易開裂，導(dǎo)致碳化硅晶片的減薄非常困難。碳化硅切片的薄化主要通過磨削與研磨實現(xiàn)。
晶片磨削最具代表性的形式是自旋轉(zhuǎn)磨削，晶片自旋轉(zhuǎn)的同時，主軸機構(gòu)帶動砂輪旋轉(zhuǎn)，同時砂輪向下進給，進而實現(xiàn)減薄過程。但砂輪易隨加工時間增加而鈍化，使用壽命短且晶片易產(chǎn)生損傷，嚴重制約加工精度和效率，為了解決這些問題，研究人員開發(fā)出了不同的輔助技術(shù)，如砂輪在線修整，或研制新型軟磨料砂輪，目前主要的技術(shù)包括超聲振動輔助磨削和在線電解修整輔助磨削。為防止碎片，優(yōu)化單面研磨技術(shù)是未來薄化加工大尺寸碳化硅晶片的主要技術(shù)發(fā)展趨勢。
（3）碳化硅晶片的拋光
拋光工藝的實質(zhì)是離散原子的去除。碳化硅單晶襯底要求被加工表面有極低的表面粗糙度，Si面在0.3nm之內(nèi)，C面在0.5nm之內(nèi)。
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，其關(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，作為單晶襯底加工的最后一道工藝，化學(xué)機械拋光是實現(xiàn)碳化硅襯底全局平坦化的常用方法，也是保證被加工表面實現(xiàn)超光滑、無缺陷損傷的關(guān)鍵工藝。
SiC精拋工藝對比
5 挑戰(zhàn)與產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀
器件的飛速發(fā)展和應(yīng)用的擴展給SiC單晶帶來諸多挑戰(zhàn)。
一是成本問題，SiC襯底的價格仍遠遠高于Si、藍寶石等襯底。降低成本需要更加成熟的生長和加工技術(shù)，需要提高襯底材料的成品率，另外，通過擴徑研究增大面積，降低單個器件成本。
二是單晶質(zhì)量方面的問題。SiC單晶襯底的位錯密度仍高達103/cm2以上，其面型參數(shù)如Warp等也難以控制。因此如何控制相關(guān)參數(shù)，減低缺陷密度、控制面型是6英寸和8英寸襯底質(zhì)量優(yōu)化的主要工作。
最后一個技術(shù)挑戰(zhàn)是包括新的生長方法、溫場設(shè)計、摻雜和加工等技術(shù)探索。現(xiàn)階段如高溫化學(xué)氣相沉積法、液相生長技術(shù)仍在研發(fā)階段，需要進一步的關(guān)注。
參考來源：
【1】張璽，等.碳化硅單晶襯底加工技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢.中央民族大學(xué)學(xué)報.2021.
【2】龐龍飛，等.，SiC晶片超精密化學(xué)機械拋光技術(shù).微納電子技術(shù).2021.
【3】 申思.國產(chǎn)碳化硅晶片產(chǎn)業(yè)的探路先鋒.科研技術(shù).2018.
【4】 郭金笛.碳化硅基半導(dǎo)體材料硬度及熱導(dǎo)率研究.山東大學(xué).2021.
（中國粉體網(wǎng)編輯整理/星耀）
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