中國粉體網(wǎng)訊  碳化硅制備工藝對于生產(chǎn)高質(zhì)量碳化硅晶圓有著直接影響，目前碳化硅晶圓被應(yīng)用到了各個高新領(lǐng)域之中，是制作高新產(chǎn)品的重要材料之一。

碳化硅是一種由碳元素和硅元素構(gòu)成的化合物，有單晶和多晶兩種形態(tài)。其中多晶碳化硅硬度更高、耐腐蝕性更強，其高溫抗氧化能力、抗輻射能力也更強。目前各行各業(yè)對碳化硅的需求不斷提升，這就需要半導(dǎo)體制造業(yè)研究碳化硅制備工藝，提升產(chǎn)能和碳化硅制造工藝，對促進科技發(fā)展有著重要作用。

半導(dǎo)體碳化硅產(chǎn)業(yè)3大關(guān)鍵環(huán)節(jié)

碳化硅產(chǎn)業(yè)鏈主要包括上游襯底和外延制備、中游器件和模塊制作以及下游終端應(yīng)用。從工藝流程上看，碳化硅一般是先被制作成晶錠。在合成碳化硅粉后，先制作碳化硅晶錠，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。

1.碳化硅粉料要純！

生長SiC單晶用的粉料要求純度極高，純度要求在99.95%~99.9999%之間。目前，合成高純 SiC 粉體主要有氣相法、液相法和固相法三種途徑。

氣相法通過巧妙控制氣源中的雜質(zhì)含量來獲取高純SiC粉體，其中包括CVD法和等離子體法。CVD法利用高溫反應(yīng)的魔法，能夠得到超細、高純的SiC粉體。不過，氣相法雖然純度高，但成本高昂且合成速率低，難以滿足大批量生產(chǎn)的需求。

液相法中，溶膠-凝膠法獨樹一幟。該方法是將醇鹽或無機鹽溶于溶劑（水或醇）中形成均勻的溶液，通過溶質(zhì)與溶劑之間發(fā)生水解-聚合反應(yīng)，形成穩(wěn)定的溶膠，溶膠經(jīng)過干燥或脫水轉(zhuǎn)化成凝膠，再經(jīng)過熱處理得到所需要的超細粉體。

固相法中的改進的自蔓延高溫合成法，是當前使用范圍最廣、合成工藝最為成熟的SiC粉體制備方法。改進的自蔓延高溫合成法將固態(tài)的Si源和C源作為原料，使其在1400℃~2000℃的高溫下持續(xù)反應(yīng)，最后得到高純SiC粉體。制備的SiC粉具有生產(chǎn)工藝簡單、速度快、污染小、純度高、成本低等優(yōu)點，是一種目前常見的制備SiC粉體的方法，通常被用做合成高純SiC粉。

除了整體純度外，對某些雜質(zhì)元素含量也有特殊的要求。因此，在單晶生長之前，必須通過高溫處理對SiC粉源進行純化。一方面，可以有效去除原料中的Al、B、游離硅等雜質(zhì);另一方面，粉體經(jīng)過高溫處理后形成框架結(jié)構(gòu)，阻止了后續(xù)單晶生長過程中物質(zhì)輸運速率的不穩(wěn)定，影響了最終的長晶結(jié)果。目前，常用的粉末燒結(jié)凈化工藝主要是圍繞晶體生長溫度進行燒結(jié)凈化。不同的凈化方式可以達到不同的凈化效果，其中一些方法可以將原料的純度提高到更高的水平。例如，Deng設(shè)計了兩種純化方式，都將粉末的純度從原來的97%提高到99%以上。

2、碳化硅單晶生長技術(shù)很關(guān)鍵

目前SiC晶體的生長方法主要有物理氣相傳輸法(PVT法)、高溫化學(xué)氣相沉積法(HTCVD法)、液相法(Liquid Phase Method)等。其中，PVT法是已發(fā)展較為成熟，更適用于產(chǎn)業(yè)化批量生產(chǎn)的方法。

物理氣相傳輸法是目前生產(chǎn)高質(zhì)量大尺寸碳化硅的主要方法。該方法是將提純過的碳和硅放入石墨坩堝中，隨后將坩堝置于高溫爐中。在高溫下，碳和硅會逐漸升華為氣相，并逐漸在溫度作用下向著低溫區(qū)移動，并逐漸在籽晶表面沉積，從而形成單晶。該方法能大量生產(chǎn)大尺寸、高純度的碳化硅，較為適合開展大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)，但其缺點在于生產(chǎn)速度較為緩慢，需要使用大量設(shè)備，這導(dǎo)致其生產(chǎn)成本較高。

化學(xué)氣相沉積法適用于生產(chǎn)高質(zhì)量碳化硅薄膜和單晶，通過將碳源和硅源氣體引入反應(yīng)室，讓其在高溫下產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，就能讓碳化硅逐漸沉積在基片表面。工作人員通過控制反應(yīng)氣體的流量、溫度和壓力，還能實現(xiàn)對沉積速率、薄膜質(zhì)量的調(diào)節(jié)，這使生產(chǎn)高質(zhì)量碳化硅薄膜具有了可能性。該方法的優(yōu)點是生長速率快，能精準控制薄膜的厚度和均勻性，生產(chǎn)出高質(zhì)量的薄膜，但對設(shè)備和工藝控制的要求較高，這使其生產(chǎn)成本也較高，難以適應(yīng)完成大規(guī)模批量生產(chǎn)。

液相生長法是一種具有特殊優(yōu)勢的生長方法，但多數(shù)被用于某些特定環(huán)境下進行生產(chǎn)，因此使用量較少。液相生長法是利用碳化硅在高溫液態(tài)溶劑中溶解、結(jié)晶的物理特性，讓其在基片表面結(jié)晶生長，最終形成晶體的生產(chǎn)方法。在生長過程中，工作人員需要控制溫度和溶劑組成，但由于其獨特的生長機制，液相生長法只適合生產(chǎn)小尺寸單晶，并且其生產(chǎn)出來的晶片耐高溫性要弱于其他方式生產(chǎn)的單晶，這使得其生產(chǎn)單晶無法被用于某些高溫敏感產(chǎn)業(yè)。

3、切磨拋技術(shù)是碳化硅降本關(guān)鍵

（1）切割技術(shù)

制作高質(zhì)量的碳化硅基片不僅需要高質(zhì)量的單晶，還需要對單晶開展精細的切割和研磨拋光。目前常見的切割技術(shù)為激光切割和線切割。激光切割是利用高能激光束聚焦碳化硅單晶表面，讓局部材料熔化或是汽化，以便完成切割工作。激光切割有著精度高、切割快的優(yōu)勢，適用于所有領(lǐng)域的切割，并且能將晶片切割為各種復(fù)雜形狀。線切割是利用金屬絲進行切割，一般是通過電火花或磨料進行切割，線切割精度較高，但無法達到激光切割的水準，較為適合切割厚度較大的基片。

（2）研磨和拋光

在完成切割后，要使用粗磨對基片開展初步磨平，去除切割損傷層。粗磨階段一般會使用氧化鋁和碳化硅作為磨料。在完成粗磨后還要進行進一步的精磨，使用氧化鈰、二氧化硅等磨料對基片表面進行進一步處理，讓其達到更高的平整度和光潔度。之后再利用化學(xué)機械拋光技術(shù)，對基片表面進行最終拋光，該流程需要使用到拋光液和軟磨盤，最終經(jīng)過拋光的基面能夠達到納米級平整度。

碳化硅制備技術(shù)面臨的挑戰(zhàn)？

制備成本

目前碳化硅晶圓的制備成本仍然較高，這主要是由于制備過程較為復(fù)雜，需要使用大量設(shè)備，對工作人員的專業(yè)能力要求也較高。同時，由于制備技術(shù)仍然不夠完善，難以完成快速、大批量的制備，因此制備成本難以得到大幅度下降，特別是一些高精度晶圓的制備難度較高，不僅成本高，產(chǎn)量也較低，這給產(chǎn)業(yè)發(fā)展帶來了較大困難。為了降低制備成本，需要研究更加成熟的制備技術(shù)，并不斷改進生產(chǎn)工藝。同時還要與供應(yīng)鏈伙伴開展更加深入的合作交流，實現(xiàn)資源共享，以便開展規(guī)模化生產(chǎn)，從而降低碳化硅晶圓的制備成本。

晶圓尺寸限制

碳化硅產(chǎn)業(yè)當前主流的晶圓尺寸是6英寸，并正在大規(guī)模往8英寸發(fā)展，在最上游的晶體、襯底，業(yè)界已經(jīng)具備大量產(chǎn)能，8英寸的碳化硅晶圓產(chǎn)線也開始逐漸落地，一些頭部的襯底廠商已經(jīng)開始批量出貨。更大尺寸的碳化硅襯底材料，能夠進一步擴大單片晶圓上可用于芯片制造的面積，大幅提升合格芯片產(chǎn)量。在同等生產(chǎn)條件下，顯著提升產(chǎn)量，降低單位成本，進一步提升經(jīng)濟效益，為碳化硅材料的更大規(guī)模應(yīng)用提供可能。

晶圓尺寸變大，意味著原本的產(chǎn)線上，很多設(shè)備不能共通，因此在晶圓尺寸切換的過程中，往往需要多年時間。由于半導(dǎo)體制造流程冗長，從襯底材料成功制造樣品，到真正的量產(chǎn)，需要與中下游產(chǎn)業(yè)鏈進行配合，畢竟單有材料沒有制造設(shè)備也無法生產(chǎn)出芯片。

來源：

徐生龍等：半導(dǎo)體制造業(yè)用碳化硅制備工藝研究與實踐

電子發(fā)燒友網(wǎng)：12英寸碳化硅襯底，又有新進展

（中國粉體網(wǎng)編輯整理/空青）

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