碳化硅制備工藝包括哪些？

襯底制備是最核心環節，難度集中在晶體生長和襯底切割。

1. 晶體生長：速度慢可控性差，是襯底制備主要技術難點

SiC襯底是芯片底層材料，主要技術難點在于晶體生長。襯底是沿晶體 特定結晶方向切割、研磨、拋光，得到的具有特定晶面和適當電學、光 學及機械特性，用于生長外延層的潔凈單晶圓薄片。SiC 單晶襯底是半 導體芯片的支撐材料、導電材料和外延生長基片，主要起到物理支撐、 導電等作用。生產碳化硅單晶襯底的關鍵步驟是晶體生長，也是碳化硅 半導體材料應用的主要技術難點，是產業鏈中技術密集型和資金密集型 的環節。SiC 單晶生長方法主要有：物理氣相傳輸法（PVT)、高溫化學 氣相沉積法（HTCVD)和以頂部籽晶溶液生長法(TSSG)為主流的高溫溶 液生長法（HTSG）。

PVT 法技術成熟、原理簡單、成本較低，是應用最廣、商業化程度最高 的襯底制備方案。目前， Wolfspeed、Ⅱ-Ⅵ、SiCrystal（Rohm 子公司） 和天岳先進、天科合達等企業均采用 PVT 法生產 SiC 襯底。主要技術難 點在于： 1）粉體純度要求高，主要采用改進自蔓延高溫合成法。PVT 法通過SiC 粉料的高溫分解與結晶來實現單晶生長，粉體雜質含量低于 0.001%。改 進自蔓延高溫合成法是目前工藝最成熟、使用最廣的粉體制備方法。 2）長晶速度慢，封閉生長可控性有限。硅棒一般 2-3 天可拉出約 2m 長 的 8 英寸硅棒，PVT 法下 SiC 7 天才能生長約 2cm 晶體。SiC 良品參數 要求高，核心參數包括微管密度、位錯密度、電阻率、翹曲度、表面粗 糙度等，但生長過程在密閉高溫腔體進行，工藝可控性有限。 3）晶型多樣，易產生多型夾雜缺陷。SiC 單晶有 200 多種晶型，一般僅 需一種晶型（如 4H），因此需要精準控制硅碳比、溫度梯度、外部雜質 引入以及氣流氣壓等，量產性能穩定的高品質 SiC 晶片技術難度大。 4）擴徑難度很大，擴徑可提高晶圓利用率降低制造成本，PVT 法下 SiC 擴徑難度極大，隨著晶體尺寸的擴大，生長難度工藝呈幾何級增長。

HTCVD 法可控性較好，國內已有相關設備下線。HTCVD 法利用硅源 和碳源氣體的高溫化學反應實現單晶生長，優點在于：1）可通過連續供 源實現晶體穩定持續生長；2）省去粉料合成過程，可以制成一體化設備。 缺點在于 HTCVD 法和 PVT 一樣需要高溫條件，需要用到多種氣體，成 本較高，而且生長過程存在多種附帶。目前，意法半導體、豐田集團和 電裝集團等已實現 HTCVD 規模化生產碳化硅晶體，國內江蘇超芯星已 研制出 HTCVD 碳化硅單晶生長設備。 TSSG法有望成為制備大尺寸、高結晶質量且成本更低的襯底制備方法。 高溫溶液生長法通過 Si 和 C 元素在高溫溶液中的溶解、再析過程實現 SiC 單晶生長，其中 TSSG 法由于具有生長溫度低、易擴徑、晶體質量 有高、易實現 p 型摻雜等優點，為業界所看好。目前，液相碳化硅晶體 生長的研發主要集中在日本、韓國和中國，主要包括日本住友金屬、豐 田汽車、三菱電機、東京大學和名古屋大學等，韓國陶瓷工程技術研究 所、東義大學、延世大學等，以及中國中科院物理所、北京晶格領域和 常州臻晶半導體等。

2. 晶體加工：切割是技術難點，研磨拋光提高表面質量

由于 SiC 材料硬度高、脆性大、化學性質穩定，加工難度大。碳化硅晶 錠需要借助 X 射線單晶定向儀定向再磨平、滾磨成標準尺寸的碳化硅晶 棒。晶棒要制成 SiC 單晶片，還需要以下幾個階段：切割—粗研—細研 —拋光，簡稱切拋磨，切拋磨工藝環節難度相對較小，各家差距不大， 工藝路線基本一樣。SiC 切拋磨工藝的挑戰在于：（1）硬度大：SiC 單晶 材料莫氏硬度分布在 9.2-9.6 之間，僅比金剛石硬度低 0.5 左右，因此切割速度慢，切一片要 2 天，且易破碎，一般要損失掉一半左右。（2）化 學穩定性高：幾乎不與任何強酸或強堿發生反應，室溫下能抵抗任何已 知的酸性腐蝕劑；（3）加工機理及缺陷擴散的研究欠缺。

2.1. 切割是首道加工工序，固結磨料金剛線切割應用最廣

切割是襯底加工中首要關鍵的工序，成本占總加工成本50%以上。切割 是碳化硅晶棒第一道加工工序，決定了后續研磨、拋光的加工水平，切 片后需要使用全自動測試設備進行翹曲度（Warp）、彎曲度（Bow）、厚 度變化（TTV）等面型檢測。切割工藝的演進主要經歷了：1）傳統的內 圓鋸切割和金剛石帶鋸。2）目前較多提及且較有效的電火花切割、線鋸 切割（包括游離磨砂線鋸切割和金剛石線鋸切割）、激光切割、冷分離工 藝等。3）水導激光切割等具備未來應用前景的新型工藝。 傳統鋸切工具缺陷多效率低，不適用于碳化硅晶體切割。內圓切割機使 用環形不銹鋼內圓刀片，內刃口鍍金剛砂顆粒，周邊采用機械方式張緊， 切縫寬、翹曲度大、表面質量差、精度低、噪聲大而且僅可切割直線表 面。金剛石帶鋸需要頻繁停止和換向，切削速度非常低，一般不超過 2 m/s，機械磨損大，維修費用高，而且受限于鋸條寬度，切割曲率半徑不 能太小，只能進行單片切割，不能進行多片切割。傳統鋸切方式材料損 耗大、加工效率低，不適用于工業化碳化硅晶片切割。

固結磨料金剛線切割成為主導，但存在損耗率及效率問題。20世紀90 年代中期，游離磨料砂漿切割取代傳統鋸切工藝，并隨著光伏行業興起 而爆發，逐漸廣泛應用于半導體行業。游離磨料砂漿切割利用線鋸快速 運動，將砂漿中的磨料顆粒帶入鋸縫達到“滾動-壓痕”機制以去除材料， 實現了多片同時切割，產率高且耗損率低，已廣泛用于單晶和多晶硅切 割，缺點是存在切割速度低、精度差、晶片厚度不均勻、砂漿回收難造 成環境污染等問題。固結磨料金剛線切割通過電鍍、樹脂粘結、釬焊或 機械鑲嵌等方式將金剛石磨粒固結在切割線上，借助金剛線高速運動完 成切割，根據金剛線運動方式不同可分為單向式、往復式和環形式，往 復式切割單位長度有效利用度高、速度快，成為目前 SiC 晶體切割主流工藝。

激光切割逐漸興起，工藝精細效率更高。目前針對 SiC 材料較為有效的 切片方法除了固結磨料金剛線切割，還有電火花切割、激光切割、冷分 離工藝等。電火花切割主要利用脈沖放電的電蝕作用進行切割，但存在 切縫寬、表面燒傷層厚度大等缺點。激光切割是通過激光處理，在晶體 內部形成改性層從碳化硅晶體上剝離出晶片，屬于非接觸無材料損失加 工，并且具有切割斷面質量好、切割效率高、清潔安全無污染等優點。 冷分離切割利用激光在晶錠內部形成角質層點平面，在上表面涂覆特制 分離材料并冷凍，遇冷收縮分離晶圓薄片。

為提高切片效率，國外企業開始采取更為先進的激光切割技術。2016年 日本 DISCO 開發了新型激光切片技術 KABRA，通過激光連續照射鋼 錠，在指定深度形成分離層分離晶片，可用于各類 SiC 鑄錠。優勢主要 有：（1）顯著提高切割效率，現有工藝 3.1h 才能切割 1 片 6 英寸 SiC 晶 圓，而 KABRA 技術僅需 10 分鐘。（2）省去研磨過程，因為分離后的晶 圓波動可控。（3）晶圓生產數量相比現有工藝增加了 1.4 倍。2018 年 11 月，英飛凌以 1.24 億歐元收購晶圓切割初創企業 Siltectra GmbH，后者 開發了冷裂工藝（Cold Split），通過專利激光技術定義分裂范圍、涂覆專 用聚合物材料、控制系統冷卻誘導應力精準分裂材料和研磨清洗等實現 晶圓切割。冷裂可將 SiC 產能提升 3 倍以上，每片晶圓損失低至 80μm， 而且晶圓減薄僅需幾分鐘，對晶錠采用冷裂工藝可降低損失比例 50%。

水導激光切割等新型工藝提供厚材料、低損傷切割新思路。水導激光加 工（Laser MicroJet，簡稱 LMJ）利用導水激光器將激光聚焦并導入微型 水柱中，水柱可以在穩定范圍內加工，而且長有效工作距離特別適合于 厚材料切割。水導激光切割可以利用水流帶走熱量和切屑，規避傳統激 光切割兩側熱損傷問題。理論上水導激光切割具備應用前景，但現階段 由于技術難度較大，相關設備成熟度不高等，尚不適用于碳化硅晶片制造。

設備端以金剛線切割機為主，激光切割逐漸發展，國產品牌發展迅速。 2016 年以前，光伏切割設備領域占主導地位是以瑞士 Meyer Burger 公 司、HCT 公司，日本高鳥、小松 NTC 等為代表的國際廠商；激光切割 方面則由日本半導體設備巨頭 DISCO 主導。近年來國產品牌發展迅速， 國產光伏切割設備已經占據市場主導地位。目前國內碳化硅切割設備主 流為金剛線切割設備，主要集中于高測股份、上機數控、連城數控、宇 晶股份等國內企業；激光切割設備目前試產份額較小，主要集中于德龍 激光、大族激光等國內企業。

2.2. 研磨拋光清洗工序，保障晶片表面質量和精度要求

切割片存在損傷層，需要通過磨削、研磨、拋光和清洗環節提高表面質 量和精度。切割片通常采用砂輪磨削和研磨相結合來去除刀痕及表面損 傷層，超聲振動輔助磨削和在線電解修整輔助磨削可以提高磨削質量。 研磨分為粗磨和精磨，粗磨使用粒徑較大磨粒，可有效去除刀痕和變質 層；精磨使用粒徑較小磨粒，可改善表面光潔度和平整度。拋光進一步 消除表面劃痕、降低粗糙度和消除加工應力，化學機械拋光工藝（CMP） 是實現 SiC 單晶片全局平坦化最有效的方法，是實現加工表面超光滑、 無缺陷損傷的關鍵工藝。拋光后需借助 X 射線衍射儀、原子力顯微鏡、表面平整度檢測儀、表面缺陷綜合測試儀等設備檢測各項參數指標來判 定晶片等級。隨后需在百級超凈間內，使用清洗藥劑和純水清洗，去除 微塵、金屬離子、殘留拋光液等沾污物，再借助超高純氮氣和甩干機吹 干、甩干，并封裝在潔凈片盒內。

3. 外延生長：極大影響器件性能，向低缺陷高耐壓發展

外延層是晶圓上生長的微米級單晶層，極大影響器件性能。SiC器件制 作工藝不同于傳統硅基器件，不能直接制作在 SiC 單晶材料上，必須基 于單晶襯底額外生長特定的一層微米級新單晶，再在外延層上制造器件。 外延層主要作用在于消除 SiC 晶體生長和加工過程產生的表面或亞表面 缺陷，使晶格排列整齊，大大改善襯底表面質量。SiC 襯底上可異質生 長 GaN 外延層，主要用于制造中低壓高頻功率器件（小于 650V）、大功 率微波射頻器件以及光電器件；也可同質生長 SiC 外延層，主要用于制 造功率器件。由于寬禁帶半導體器件幾乎都做在外延層上，所以外延層 質量對器件性能有很大影響。

化學氣相沉積法（CVD）工藝可控性強，是外延生長的主要方法。外延 生長方法包括：蒸發生長法、液相外延生長（LPE）、分子束外延生長 （MBE）、化學氣相沉積（CVD）。 CVD 是同質外延批量生產的主要方 法，優勢在于可以很好地控制 C/Si 原子比率、反應室溫度與壓力，精準 控制外延層厚度、背景摻雜濃度和摻雜類型。早期 CVD 法采用無偏角 襯底方式生產外延，但存在嚴重的多型夾雜缺陷；臺階控制外延法通過 特定偏角斜切襯底，可實現低溫條件下（1200℃）復制襯底的堆垛次序 消除多型體共存缺陷。為了提升外延生長速度，TSG 法應運而生，主要采用采用三氯氫硅(TCS)作為硅源，比起常規的硅源它的外延速率會提 高 10 倍以上。

隨著功率器件制造要求和耐壓等級提高，SiC外延向低缺陷、高厚度方 向發展。隨著器件耐壓等級提升，外延厚度隨之增加。在 600V 低壓領 域，所需外延層厚度約 6µm；在 1200～1700V 中壓領域，所需外延層厚 度約 10-15µm；在 10000V 以上高壓領域，所需外延層厚度達到 100µm 以上。目前中低壓外延技術較成熟，可以滿足中低壓的 SBD、JSB、 MOSFET 等器件需求；而高壓領域還有不少難關需要攻克，主要體現為 缺陷控制方面。目前， Wolfspeed、Ⅱ-Ⅵ、ROHM、英飛凌等國外廠商 多為襯底+外延垂直整合模式，國內襯底與外延分屬兩個不同環節，代表 廠商為瀚天天成、東莞天域。外延設備則基本由海外企業壟斷，意大利 LPE、德國 Aixtron、日本 Nuflare 市場占比高達 87%，國內設備廠家如 中電科 55 所、三安集成、蘇州希科等產品逐漸得到認可。

4. 晶圓制造：工藝與硅基類似，需要特定工藝和設備

工藝流程與硅基器件大體類似，材料不同要求特定工藝與設備。碳化硅 器件也包括器件設計、晶圓制造和封測等環節，晶圓制造主要包括涂膠、 顯影、光刻、清洗、減薄、退火、摻雜、刻蝕、氧化、磨削、切割等前 道工藝約三百多道工序。由于材料特性的不同，部分工序需要特定設備 和特定工藝，與硅制程設備無法完全通用。主要差異在于： 1）光刻對準：雙面拋光的 SiC 晶圓是透明的，光刻工藝難以適應，各設 備傳送、取片難以定位，CD-SEM 和計量測量變得復雜。 2）蝕刻工藝： SiC 在化學溶液中呈惰性，只有干法刻蝕可行，需重新 開發掩膜材料、混合氣體、側壁斜率、蝕刻速率、側壁粗糙度等。 3）摻雜工藝：SiC 擴散溫度遠高于 Si，高溫高能離子注入成為唯一的 SiC 制造摻雜方法，但這會破壞材料的晶格結構，所以還需要在 1600℃的條 件下使用高溫退火工藝恢復結構，是否具備高溫離子注入機是衡量碳化 硅生產線的重要標準之一。 4）MOSFET 柵極氧化：SiC-MOSFET 器件的柵氧質量直接影響溝道的 遷移率和柵極可靠性，導致閾值電壓不穩定，需要開發鈍化技術，以提 高 SiC/SiO2 界面質量。