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隨著第一代硅半導體及第二代砷化鎵半導體材料發展的成熟，其器件應用也趨于極限?，F代科技越來越多的領域需要工作頻率高，功率密度高，耐高溫，化學穩定性好以及可以在強輻射環境中工作的材料，因此第三代半導體(即寬禁帶半導體，禁帶寬度大于2.2eV)受到了人們的極大關注，這些材料包括SiC，AlN，GaN，ZnO，金剛石等等，其中技術最為成熟的就是SiC。SiC半導體行業三個重點環節（襯底、外延和器件）中，襯底是SiC產業鏈的核心，在產業鏈中價值量占比最高，接近50%。襯底行業的發展也是未來SiC產業降本、大規模產業化的主要驅動力。
圖源：億渡數據
SiC的晶體結構
SiC單晶是由Si和C兩種元素按照1:1化學計量比組成的Ⅳ-Ⅳ族化合物半導體材料，硬度僅次于金剛石。C原子和Si原子都是4價電子，可以形成4個共價鍵，組成SiC基本結構單元——Si-C四面體，每個C原子周圍都有4個Si原子，每個Si原子周圍都有4個C原子。
圖源：天岳股份
SiC襯底作為一種晶體材料，也具有原子層周期性堆垛的特性。Si-C雙原子層沿著[0001]方向進行堆垛，由于層與層之間的鍵能差異小，原子層之間容易產生不同的連接方式，這就導致SiC具有較多種類的晶型。常見晶型有2H-SiC、3C-SiC、4H-SiC、6H-SiC、15R-SiC等，其中，按照“ABCB”順序進行堆垛的結構稱為4H晶型。雖然不同晶型的SiC晶體具有相同的化學成分，但是它們的物理性質，特別是禁帶寬度、載流子遷移率等特性有較大的差別。其中，4H晶型各方面的性能更適合半導體領域的應用。
生長溫度、壓力等多種因素都會影響SiC襯底的晶型穩定性，因此想要獲得高質量、晶型均一的單晶材料，在制備過程中必須精確控制如生長溫度、生長壓力、生長速度等多種工藝參數。
SiC襯底分類
從電化學性質差異來看，碳化硅襯底材料可以分為導電型襯底（電阻率區間15~30mΩ·cm）和半絕緣型襯底（電阻率高于105Ω·cm）。
●?導電型碳化硅襯底主要應用于制造肖特基二極管、MOSFET、IGBT等功率器件。
碳化硅單晶襯底的生產流程
01
原料準備
物理氣相傳輸法（PVT）需要將Si和C按1:1合成SiC多晶顆粒粉料，其粒度、純度都會直接影響晶體質量，特別是半絕緣型襯底，對粉料的純度要求極高（雜質含量低于0.5ppm）。
02
籽晶
碳化硅籽晶是晶體生長的基底，為晶體生長提供基礎晶格結構，同樣也是決定晶體質量的核心原料。籽晶位于反應器內部或原料上方。?
03
晶體生長?
SiC晶體生長是SiC襯底生產的核心工藝，核心難點在于提升良率。目前SiC晶體的生長方法主要有物理氣相傳輸法(Physical Vapor Transport Method, PVT法)、高溫化學氣相沉積法(High Temperature Chemical Vapor Deposition, HTCVD法)、液相法(Liquid Phase Epitaxy)等。
物理氣相傳輸法（PVT）
物理氣相傳輸法（PVT）主要包含三個步驟：SiC源的升華、升華物質的運輸、表面反應和結晶。
●?晶體生長時，通過改變石墨坩堝上保溫材料散熱孔的大小和形狀，使生長室內形成15-35℃/cm區間范圍的溫度梯度，SiC原料處于高溫區，籽晶處于低溫區，爐內會保留50-5000Pa壓強的惰性氣體以便增加對流；
●?然后通過感應加熱或電阻加熱將坩鍋內的溫度升至 2000-2500℃， SiC原料升華產生的氣相 Si2C、SiC2和 Si 在溫度梯度的作用下從原料表面傳輸到低溫籽晶處，結晶成塊狀晶體。
該方法對生長設備要求低，過程簡單，可控性強，技術發展相對成熟，國內開始逐步實現8英寸襯底的大量量產。
但PVT法難以制備P型襯底，且有兩個本征的不夠純凈：
1.原料是碳化硅固體，所以純度不好控制；
2.粉體轉化為氣體的過程中，能夠生成多種氣體。
高溫化學氣相沉積法（HTCVD）
●?高溫氣相沉積法利用的是電磁耦合原理；
●?生長時通過感應線圈將生長室加熱到1800℃-2300℃；
●?向生長室內穩定地通入SiH4+C3H8或SiH4+C2H4氣體，由 He和 H2承載向上朝著籽晶方向輸送，為晶體生長提供Si源與C源，在籽晶處實現SiC晶體的生長；
●?籽晶處的溫度低于 SiC的蒸發點，使得氣相的碳化硅能夠在籽晶下表面凝華，獲得純凈的碳化硅晶錠。
HTCVD法能通過控制源輸入氣體比例可以到達較為精準的 Si/C比，進而獲得高質量、高純凈度的碳化硅晶體，但由于氣體作為原材料晶體生長的成本很高，該法主要用于生長半絕緣型晶體。
液相法（LPE）
液相法SiC晶體生產流程：
●?液相法利用石墨坩堝為晶體生長提供C源；
●?坩堝壁處的溫度較高，會進行C的大量溶解，形成C的飽和溶液；
●?飽和溶液隨著助溶劑內的對流被傳輸到籽晶下方；
●?籽晶端的溫度較低，對應C的溶解度相應降低，形成了C的過飽和溶液；
●?溶液中過飽和的C結合助溶劑中的Si，在籽晶上生長SiC晶體；
●?過飽和部分的C析出后，溶液隨著對流回到壁處的高溫端，并再次的溶解C，形成飽和溶液。
液相法生長碳化硅單晶裝置示意圖
液相法生長溫度相對較低，結晶質量高、生長速度快，容易長厚、便于擴徑，可獲得p型低阻襯底。目前國內可以使用液相法生產4-6英寸的碳化硅晶體。憑借節能降本的優勢，未來液相法或將實現進一步產業化。
04
晶錠加工
將制得的碳化硅晶錠使用 X射線單晶定向儀進行定向，之后磨平、滾圓，去除籽晶面，去除圓頂面，加工成標準直徑尺寸的碳化硅晶體。
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05
晶體切割
將生長出的晶體切成片狀，由于碳化硅的硬度僅次于金剛石，屬于高硬脆性材料，因此切割過程耗時久，易裂片。
切割方法主要有砂漿線切割、金剛線多線切割和激光輻照剝離。
06
晶片研磨拋光
研磨拋光是將襯底表面加工至原子級光滑平面，襯底的表面狀態，例如表面粗糙度，厚度均勻性都會直接影響外延工藝的質量。
碳化硅具有高硬度的特點，常用的適合碳化硅的磨料有碳化硼、金剛石等高硬度磨料。
拋光材料一般有氧化鋁、氧化鈰、氧化硅等。
07
晶片清洗檢測
該步驟用于去除加工過程中殘留的顆粒物以及金屬雜質，最終檢測可以獲取襯底表面、面型、晶體質量等全面的質量信息，幫助下游工藝進行追溯?。
晶片檢測內容包括：
●?晶體完整性：微管密度、結晶質量、六方空洞和裂紋、位錯密度、多型；
●?晶型：晶型確定；
●?雜質：體雜質含量；
●?電學測試：電阻率。
轉載：?艾邦半導體網
審核編輯：黃飛
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工商網監
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