中國(guó)粉體網(wǎng)訊 碳化硅是目前發(fā)展最成熟的第三代半導(dǎo)體材料，被應(yīng)用于新能源汽車、高鐵機(jī)車、航空航天和無線通信等多個(gè)領(lǐng)域，可謂“萬物皆可碳化硅”，而業(yè)內(nèi)人士認(rèn)為碳化硅的市場(chǎng)潛力還遠(yuǎn)未被挖掘。碳化硅儼然已成為一個(gè)嶄新的風(fēng)口。
從產(chǎn)業(yè)鏈層面初步劃分，整個(gè)碳化硅產(chǎn)業(yè)鏈主要分為單晶襯底制備、外延生長(zhǎng)、器件制造等三大環(huán)節(jié)。從工藝流程上看，碳化硅一般是先被制作成晶錠，然后經(jīng)過切片、打磨、拋光得到碳化硅襯底；襯底經(jīng)過外延生長(zhǎng)得到外延片；外延片經(jīng)過光刻、刻蝕、離子注入、沉積等步驟制造成器件，器件組合在一起放入特殊外殼中組裝成模組。
在完成以上生產(chǎn)過程中，需要大量特殊的材料與高精尖設(shè)備參與，還需一些特殊的工藝“伺候”它。相對(duì)于成熟的硅基半導(dǎo)體，最終碳化硅半導(dǎo)體產(chǎn)品的誕生可謂是更加困難重重。下面我們看看碳化硅半導(dǎo)體產(chǎn)品到底有多難“伺候”。
01.必須吃高純度的昂貴“口糧”
一般認(rèn)為，SiC粉料顆粒尺寸不宜過小，過小粉料分解速率較快，會(huì)導(dǎo)致SiC單晶生長(zhǎng)速度過快，使得生長(zhǎng)的SiC單晶質(zhì)量不容易控制。
業(yè)內(nèi)專家山西爍科馬康夫在接受中國(guó)粉體網(wǎng)采訪時(shí)表示：在晶型上的選擇方面，有的廠家可能選擇β相的碳化硅粉體去作為原料，有的廠家用α相的粉體作為原料。但有一項(xiàng)比較統(tǒng)一的，就是在純度方面要求都是挺高的，所需碳化硅粉體純度最少要達(dá)到6個(gè)9以上，才能去進(jìn)行碳化硅晶體生長(zhǎng)的工作。
爍科碳化硅粉料
此外，除了整體純度外，對(duì)某些雜質(zhì)元素含量也有特殊的要求。例如，為了制備半絕緣SiC單晶襯底，SiC粉體中N元素的含量也必須盡可能降低，而無論是Si粉還是C粉，都極易吸附空氣中大量的N元素，導(dǎo)致合成的SiC粉體中N元素含量較高，無法滿足半絕緣單晶襯底的使用要求。
高純度的碳化硅粉體意味著價(jià)格也相對(duì)較高，據(jù)了解，純度（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同）在99.95%～99.9999%之間的碳化硅粉，價(jià)格在2000～12000元/kg之間甚至更高。
02.要在特殊的環(huán)境中“成長(zhǎng)”
碳化硅單晶在自然界極其稀有，幾乎不存在，只能依靠人工合成制備。碳化硅晶錠的制備方法分為物理氣相沉積（PVT）、化學(xué)氣相沉積、液相外延法。
目前商業(yè)化最成熟的還是物理氣相沉積法，也是實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化大規(guī)模生產(chǎn)的方法。這種方法需要在高溫真空環(huán)境下將粉料升華，然后通過溫場(chǎng)的控制讓升華后的組分在籽晶表面生長(zhǎng)從而獲得碳化硅晶體。
圖片來源：山西爍科
據(jù)業(yè)內(nèi)人士介紹，SiC單晶襯底生長(zhǎng)條件十分嚴(yán)苛，不僅需要經(jīng)歷高溫還需要壓力精確控制的生長(zhǎng)環(huán)境，同時(shí)這些晶體的生長(zhǎng)速度很緩慢，生長(zhǎng)質(zhì)量也不易控制。在生長(zhǎng)的過程中即便只出現(xiàn)一絲肉眼無法察覺的管洞，也可能影響晶體的生長(zhǎng)質(zhì)量。SiC晶體的生長(zhǎng)過程就如同“蒙眼繡花”一樣，因?yàn)闇囟忍�，難以進(jìn)行人工干預(yù)，所以晶體的生長(zhǎng)過程十分容易遭到擾動(dòng)。要想生產(chǎn)出高質(zhì)量的SiC晶片，就必須滿足其特殊的生長(zhǎng)環(huán)境。
03.切磨拋要當(dāng)心，硬漢也容易被傷害
碳化硅襯底莫氏硬度9.2，硬度很高，但其也是脆性材料，加工過程中存在易開裂問題，加工完成后的襯底易存在翹曲等質(zhì)量問題。
磨拋環(huán)節(jié)，為了達(dá)到下游外延廠商開盒即用的質(zhì)量水平，需要對(duì)碳化硅襯底表面進(jìn)行超精密加工，以降低表面粗糙度、表面平整度并達(dá)到嚴(yán)苛的金屬、顆粒控制要求。據(jù)河南工業(yè)大學(xué)栗正新教授介紹，碳化硅晶圓襯底的加工精度要求很高，包括形狀、尺寸和表面精度都屬于超精密范圍，例如TTV達(dá)到微米級(jí)，Ra要達(dá)到0.2nm以下。
圖片來源：天岳先進(jìn)
目前較為主流的研磨方式為自旋轉(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，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)研磨過程。自旋轉(zhuǎn)磨削雖可有效提高加工效率，但砂輪易隨加工時(shí)間增加而鈍化，使用壽命短且晶片易產(chǎn)生表面與亞表面損傷。而碳化硅襯底的拋光工藝可分為粗拋和精拋，粗拋為機(jī)械拋光，主要用于去除研磨后襯底表面的損傷、進(jìn)行平坦化處理，精拋目前較為主流的是使用化學(xué)機(jī)械拋光。
04.承上啟下的外延，不容有失
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，必須在導(dǎo)通型單晶襯底上額外生長(zhǎng)高質(zhì)量的外延材料，然后在外延層上制造各類器件。
在碳化硅襯底的表面，生長(zhǎng)出的一層質(zhì)量更高的單晶材料，在導(dǎo)電型碳化硅襯底表面生長(zhǎng)一層碳化硅外延層，稱為同質(zhì)外延；在半絕緣型碳化硅襯底上生長(zhǎng)氮化鎵外延層，則稱為異質(zhì)外延。
現(xiàn)在幾乎所有的器件都是在外延上實(shí)現(xiàn)的，因此外延的質(zhì)量對(duì)器件的性能有著決定性的影響，而外延的質(zhì)量又受到晶體和襯底加工的影響，外延處在一個(gè)產(chǎn)業(yè)的中間環(huán)節(jié)，起著承上啟下的關(guān)鍵作用。
隨著耐壓能力的增加，外延厚度隨之增加，高質(zhì)量外延片的制備也會(huì)越來越難。目前在低、中壓領(lǐng)域，外延片核心參數(shù)厚度、摻雜濃度可以做到相對(duì)較優(yōu)的水平。但在高壓領(lǐng)域，外延片需要攻克的難關(guān)還很多，主要參數(shù)指標(biāo)包括厚度、摻雜濃度的均勻性、三角缺陷等。
05.器件環(huán)節(jié)，夜長(zhǎng)夢(mèng)多，一步都不能錯(cuò)
相對(duì)于硅器件，碳化硅芯片制造在工藝上有著更加嚴(yán)苛的要求。首先需要通過高能注入并采用高溫退火工藝來解決晶格擴(kuò)散的難題；其次是要通過高溫氧化工藝提高氧化速率，抑制碳生物量。具體來看碳化硅器件制造包括以下步驟：
（1）注入掩膜。首先清洗晶圓，淀積一層氧化硅薄膜，接著通過勻膠、曝光、顯影等工藝步驟形成光刻膠圖形，最后通過刻蝕工藝將圖形轉(zhuǎn)移到刻蝕掩膜上。
（2）離子注入。將做好掩膜的晶圓放入離子注入機(jī)，注入高能離子，之后移除掩膜，進(jìn)行退火以激活注入離子。
（3）制作柵極。在晶圓上依次淀積柵氧層、柵電極層形成門級(jí)控制結(jié)構(gòu)。
（4）制作鈍化層。淀積一層絕緣特性良好的電介質(zhì)層，防止電極間擊穿。
（5）制作漏源電極。在鈍化層上開孔，并濺射金屬形成漏源電極。
完成以上步驟，一個(gè)最基本的碳化硅芯片便制作完成，然后封裝成碳化硅二極管、MOSFET、模塊等。碳化硅器件封裝環(huán)節(jié)主要包括芯片固定、引線封裝等步驟，用以解決散熱和可靠性等問題。
碳化硅器件制造與封裝環(huán)節(jié)，整體涉及的流程較長(zhǎng)，環(huán)環(huán)相扣，涉及較多的關(guān)鍵技術(shù)，一步都不能錯(cuò)。
06.22余種關(guān)鍵裝備溫馨呵護(hù)
碳化硅器件生產(chǎn)流程長(zhǎng)，需要多種復(fù)雜的裝備予以服務(wù)，且由于SiC工藝的特殊性，傳統(tǒng)用于Si基功率器件制備的設(shè)備已不能滿足需求，需要增加一些專用的設(shè)備作為支撐，如材料制備中的碳化硅單晶生長(zhǎng)爐、金剛線多線切割機(jī)設(shè)備，芯片制程中的高溫高能離子注入、退火激活、柵氧制備等設(shè)備。
以碳化硅MOSFET工藝為例，整線關(guān)鍵工藝設(shè)備多達(dá)20余種。例如：
碳化硅晶體生長(zhǎng)及加工關(guān)鍵設(shè)備包括碳化硅粉料合成設(shè)備、碳化硅單晶生長(zhǎng)爐、金剛石多線切割機(jī)、碳化硅研磨機(jī)、碳化硅拋光機(jī)等。
碳化硅芯片制造及封裝關(guān)鍵設(shè)備包括碳化硅外延爐、干法刻蝕機(jī)、高溫離子注入機(jī)、高溫退火爐、高溫氧化爐、背面減薄機(jī)等。
小結(jié)
相比硅基半導(dǎo)體器件，目前碳化硅器件價(jià)格較高，是因?yàn)樘蓟杵骷枰墓に囅鄬?duì)更為復(fù)雜特殊且仍不十分成熟，導(dǎo)致良率較低，且設(shè)備投資巨大。另外，碳化硅器件所需的各種材料也是制約其生產(chǎn)的關(guān)鍵部分�？梢哉f，從最初原料的制備到最終產(chǎn)品的生產(chǎn)，整個(gè)流程在材料、設(shè)備、工藝方面均需要嚴(yán)格而特殊的服務(wù)。
參考來源：
中國(guó)粉體網(wǎng)、粉體大數(shù)據(jù)研究
（中國(guó)粉體網(wǎng)編輯整理/山川）
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