2. 碳化硅工艺难度大，衬底制备是最核心环节：衬底制备是最核心环节，难度集中在晶体生长和衬底切割。从原材料到 碳化硅器件需要经历原料合成、晶体生长、晶体加工、晶片加工、外延生长、晶圆制造和封测等工艺流程。衬底制备是最核心环节，技术壁垒 高，难点主要在于晶体生长和切割；外延生长关键环节，影响最终器件 性能。SiC 晶圆制造与硅晶圆类似，通过涂胶、显影、光刻、减薄、退火 等前道工艺加工成晶圆，经后段工艺制成芯片，用于制造各类器件及模 组，通过验证后即可用于汽车、光伏等应用领域。
2.1. 晶体生长：速度慢可控性差，是衬底制备主要技术难点：SiC衬底是芯片底层材料，主要技术难点在于晶体生长。衬底是沿晶体 特定结晶方向切割、研磨、抛光，得到的具有特定晶面和适当电学、光 学及机械特性，用于生长外延层的洁净单晶圆薄片。SiC 单晶衬底是半 导体芯片的支撑材料、导电材料和外延生长基片，主要起到物理支撑、 导电等作用。生产碳化硅单晶衬底的关键步骤是晶体生长，也是碳化硅 半导体材料应用的主要技术难点，是产业链中技术密集型和资金密集型 的环节。SiC 单晶生长方法主要有：物理气相传输法（PVT)、高温化学 气相沉积法（HTCVD)和以顶部籽晶溶液生长法(TSSG)为主流的高温溶 液生长法（HTSG）。
1）PVT 法技术成熟、原理简单、成本较低，是应用最广、商业化程度最高 的衬底制备方案。目前， Wolfspeed、Ⅱ-Ⅵ、SiCrystal（Rohm 子公司） 和天岳先进、天科合达等企业均采用 PVT 法生产 SiC 衬底。主要技术难 点在于：
（1）粉体纯度要求高，主要采用改进自蔓延高温合成法。PVT 法通过SiC 粉料的高温分解与结晶来实现单晶生长，粉体杂质含量低于 0.001%。改 进自蔓延高温合成法是目前工艺最成熟、使用最广的粉体制备方法。
（2） 长晶速度慢，封闭生长可控性有限。硅棒一般 2-3 天可拉出约 2m 长 的 8 英寸硅棒，PVT 法下 SiC 7 天才能生长约 2cm 晶体。SiC 良品参数 要求高，核心参数包括微管密度、位错密度、电阻率、翘曲度、表面粗 糙度等，但生长过程在密闭高温腔体进行，工艺可控性有限。
（3） 晶型多样，易产生多型夹杂缺陷。SiC 单晶有 200 多种晶型，一般仅 需一种晶型（如 4H），因此需要精准控制硅碳比、温度梯度、外部杂质 引入以及气流气压等，量产性能稳定的高品质 SiC 晶片技术难度大。
（4） 扩径难度很大，扩径可提高晶圆利用率降低制造成本，PVT 法下 SiC 扩径难度极大，随着晶体尺寸的扩大，生长难度工艺呈几何级增长。
2）HTCVD 法可控性较好，国内已有相关设备下线。HTCVD 法利用硅源 和碳源气体的高温化学反应实现单晶生长，优点在于：
（1）可通过连续供 源实现晶体稳定持续生长；
（2）省去粉料合成过程，可以制成一体化设备。
（3） 缺点在于 HTCVD 法和 PVT 一样需要高温条件，需要用到多种气体，成 本较高，而且生长过程存在多种附带。
（4）目前，意法半导体、丰田集团和 电装集团等已实现 HTCVD 规模化生产碳化硅晶体，国内江苏超芯星已 研制出 HTCVD 碳化硅单晶生长设备。 TSSG法有望成为制备大尺寸、高结晶质量且成本更低的衬底制备方法。 高温溶液生长法通过 Si 和 C 元素在高温溶液中的溶解、再析过程实现 SiC 单晶生长，其中 TSSG 法由于具有生长温度低、易扩径、晶体质量 有高、易实现 p 型掺杂等优点，为业界所看好。目前，液相碳化硅晶体 生长的研发主要集中在日本、韩国和中国，主要包括日本住友金属、丰 田汽车、三菱电机、东京大学和名古屋大学等，韩国陶瓷工程技术研究 所、东义大学、延世大学等，以及中国中科院物理所、北京晶格领域和 常州臻晶半导体等。
2.2. 晶体加工：切割是技术难点，研磨抛光提高表面质量：由于 SiC 材料硬度高、脆性大、化学性质稳定，加工难度大。碳化硅晶 锭需要借助 X 射线单晶定向仪定向再磨平、滚磨成标准尺寸的碳化硅晶棒。
1）晶棒要制成 SiC 单晶片，还需要以下几个阶段：切割—粗研—细研 —抛光，简称切抛磨，切抛磨工艺环节难度相对较小，各家差距不大， 工艺路线基本一样。SiC 切抛磨工艺的挑战在于：
（1）硬度大：SiC 单晶 材料莫氏硬度分布在 9.2-9.6 之间，仅比金刚石硬度低 0.5 左右，因此切割速度慢，切一片要 2 天，且易破碎，一般要损失掉一半左右。
（2）化 学稳定性高：几乎不与任何强酸或强碱发生反应，室温下能抵抗任何已 知的酸性腐蚀剂；
（3）加工机理及缺陷扩散的研究欠缺。
2） 切割是首道加工工序，固结磨料金刚线切割应用最广：切割是衬底加工中首要关键的工序，成本占总加工成本50%以上。切割 是碳化硅晶棒第一道加工工序，决定了后续研磨、抛光的加工水平，切 片后需要使用全自动测试设备进行翘曲度（Warp）、弯曲度（Bow）、厚 度变化（TTV）等面型检测。
3）切割工艺的演进主要经历了：（1）传统的内 圆锯切割和金刚石带锯。（2）目前较多提及且较有效的电火花切割、线锯 切割（包括游离磨砂线锯切割和金刚石线锯切割）、激光切割、冷分离工 艺等。（3）水导激光切割等具备未来应用前景的新型工艺。
4） 传统锯切工具缺陷多效率低，不适用于碳化硅晶体切割。内圆切割机使 用环形不锈钢内圆刀片，内刃口镀金刚砂颗粒，周边采用机械方式张紧， 切缝宽、翘曲度大、表面质量差、精度低、噪声大而且仅可切割直线表 面。
5）金刚石带锯需要频繁停止和换向，切削速度非常低，一般不超过 2 m/s，机械磨损大，维修费用高，而且受限于锯条宽度，切割曲率半径不 能太小，只能进行单片切割，不能进行多片切割。传统锯切方式材料损 耗大、加工效率低，不适用于工业化碳化硅晶片切割。
6）固结磨料金刚线切割成为主导，但存在损耗率及效率问题。20世纪90 年代中期，游离磨料砂浆切割取代传统锯切工艺，并随着光伏行业兴起 而爆发，逐渐广泛应用于半导体行业。游离磨料砂浆切割利用线锯快速 运动，将砂浆中的磨料颗粒带入锯缝达到“滚动-压痕”机制以去除材料， 实现了多片同时切割，产率高且耗损率低，已广泛用于单晶和多晶硅切 割，缺点是存在切割速度低、精度差、晶片厚度不均匀、砂浆回收难造 成环境污染等问题。固结磨料金刚线切割通过电镀、树脂粘结、钎焊或 机械镶嵌等方式将金刚石磨粒固结在切割线上，借助金刚线高速运动完 成切割，根据金刚线运动方式不同可分为单向式、往复式和环形式，往 复式切割单位长度有效利用度高、速度快，成为目前 SiC 晶体切割主流工艺。
7）激光切割逐渐兴起，工艺精细效率更高。目前针对 SiC 材料较为有效的 切片方法除了固结磨料金刚线切割，还有电火花切割、激光切割、冷分 离工艺等。电火花切割主要利用脉冲放电的电蚀作用进行切割，但存在 切缝宽、表面烧伤层厚度大等缺点。激光切割是通过激光处理，在晶体内部形成改性层从碳化硅晶体上剥离出晶片，属于非接触无材料损失加 工，并且具有切割断面质量好、切割效率高、清洁安全无污染等优点。 冷分离切割利用激光在晶锭内部形成角质层点平面，在上表面涂覆特制 分离材料并冷冻，遇冷收缩分离晶圆薄片。
8）为提高切片效率，国外企业开始采取更为先进的激光切割技术。2016年 日本 DISCO 开发了新型激光切片技术 KABRA，通过激光连续照射钢 锭，在指定深度形成分离层分离晶片，可用于各类 SiC 铸锭。优势主要 有：
（1）显著提高切割效率，现有工艺 3.1h 才能切割 1 片 6 英寸 SiC 晶 圆，而 KABRA 技术仅需 10 分钟。
（2）省去研磨过程，因为分离后的晶 圆波动可控。
（3）晶圆生产数量相比现有工艺增加了 1.4 倍。2018 年 11 月，英飞凌以 1.24 亿欧元收购晶圆切割初创企业 Siltectra GmbH，后者 开发了冷裂工艺（Cold Split），通过专利激光技术定义分裂范围、涂覆专 用聚合物材料、控制系统冷却诱导应力精准分裂材料和研磨清洗等实现 晶圆切割。冷裂可将 SiC 产能提升 3 倍以上，每片晶圆损失低至 80μm， 而且晶圆减薄仅需几分钟，对晶锭采用冷裂工艺可降低损失比例 50%。
9）水导激光切割等新型工艺提供厚材料、低损伤切割新思路。水导激光加 工（Laser MicroJet，简称 LMJ）利用导水激光器将激光聚焦并导入微型 水柱中，水柱可以在稳定范围内加工，而且长有效工作距离特别适合于 厚材料切割。水导激光切割可以利用水流带走热量和切屑，规避传统激 光切割两侧热损伤问题。理论上水导激光切割具备应用前景，但现阶段 由于技术难度较大，相关设备成熟度不高等，尚不适用于碳化硅晶片制造。
10)设备端以金刚线切割机为主，激光切割逐渐发展，国产品牌发展迅速。 2016 年以前，光伏切割设备领域占主导地位是以瑞士 Meyer Burger 公 司、HCT 公司，日本高鸟、小松 NTC 等为代表的国际厂商；激光切割 方面则由日本半导体设备巨头 DISCO 主导。近年来国产品牌发展迅速， 国产光伏切割设备已经占据市场主导地位。目前国内碳化硅切割设备主 流为金刚线切割设备，主要集中于高测股份、上机数控、连城数控、宇 晶股份等国内企业；激光切割设备目前试产份额较小，主要集中于德龙 激光、大族激光等国内企业。
11)研磨抛光清洗工序，保障晶片表面质量和精度要求：切割片存在损伤层，需要通过磨削、研磨、抛光和清洗环节提高表面质 量和精度。切割片通常采用砂轮磨削和研磨相结合来去除刀痕及表面损 伤层，超声振动辅助磨削和在线电解修整辅助磨削可以提高磨削质量。 研磨分为粗磨和精磨，粗磨使用粒径较大磨粒，可有效去除刀痕和变质 层；精磨使用粒径较小磨粒，可改善表面光洁度和平整度。抛光进一步 消除表面划痕、降低粗糙度和消除加工应力，化学机械抛光工艺（CMP） 是实现 SiC 单晶片全局平坦化最有效的方法，是实现加工表面超光滑、 无缺陷损伤的关键工艺。抛光后需借助 X 射线衍射仪、原子力显微镜、表面平整度检测仪、表面缺陷综合测试仪等设备检测各项参数指标来判 定晶片等级。随后需在百级超净间内，使用清洗药剂和纯水清洗，去除 微尘、金属离子、残留抛光液等沾污物，再借助超高纯氮气和甩干机吹 干、甩干，并封装在洁净片盒内。
12)外延生长：极大影响器件性能，向低缺陷高耐压发展。外延层是晶圆上生长的微米级单晶层，极大影响器件性能。SiC器件制 作工艺不同于传统硅基器件，不能直接制作在 SiC 单晶材料上，必须基 于单晶衬底额外生长特定的一层微米级新单晶，再在外延层上制造器件。 外延层主要作用在于消除 SiC 晶体生长和加工过程产生的表面或亚表面 缺陷，使晶格排列整齐，大大改善衬底表面质量。SiC 衬底上可异质生 长 GaN 外延层，主要用于制造中低压高频功率器件（小于 650V）、大功 率微波射频器件以及光电器件；也可同质生长 SiC 外延层，主要用于制 造功率器件。由于宽禁带半导体器件几乎都做在外延层上，所以外延层 质量对器件性能有很大影响。
(1)化学气相沉积法（CVD）工艺可控性强，是外延生长的主要方法。外延 生长方法包括：蒸发生长法、液相外延生长（LPE）、分子束外延生长 （MBE）、化学气相沉积（CVD）。 CVD 是同质外延批量生产的主要方 法，优势在于可以很好地控制 C/Si 原子比率、反应室温度与压力，精准 控制外延层厚度、背景掺杂浓度和掺杂类型。早期 CVD 法采用无偏角 衬底方式生产外延，但存在严重的多型夹杂缺陷；台阶控制外延法通过 特定偏角斜切衬底，可实现低温条件下（1200℃）复制衬底的堆垛次序 消除多型体共存缺陷。为了提升外延生长速度，TSG 法应运而生，主要采用采用三氯氢硅(TCS)作为硅源，比起常规的硅源它的外延速率会提 高 10 倍以上。
(2)随着功率器件制造要求和耐压等级提高，SiC外延向低缺陷、高厚度方 向发展。随着器件耐压等级提升，外延厚度随之增加。在 600V 低压领 域，所需外延层厚度约 6µm；在 1200～1700V 中压领域，所需外延层厚 度约 10-15µm；在 10000V 以上高压领域，所需外延层厚度达到 100µm 以上。目前中低压外延技术较成熟，可以满足中低压的 SBD、JSB、 MOSFET 等器件需求；而高压领域还有不少难关需要攻克，主要体现为 缺陷控制方面。目前， Wolfspeed、Ⅱ-Ⅵ、ROHM、英飞凌等国外厂商 多为衬底+外延垂直整合模式，国内衬底与外延分属两个不同环节，代表 厂商为瀚天天成、东莞天域。外延设备则基本由海外企业垄断，意大利 LPE、德国 Aixtron、日本 Nuflare 市场占比高达 87%，国内设备厂家如 中电科 55 所、三安集成、苏州希科等产品逐渐得到认可。
2.3. 晶圆制造：工艺与硅基类似，需要特定工艺和设备/工艺流程与硅基器件大体类似，材料不同要求特定工艺与设备。碳化硅 器件也包括器件设计、晶圆制造和封测等环节，晶圆制造主要包括涂胶、 显影、光刻、清洗、减薄、退火、掺杂、刻蚀、氧化、磨削、切割等前 道工艺约三百多道工序。由于材料特性的不同，部分工序需要特定设备 和特定工艺，与硅制程设备无法完全通用。主要差异在于：
1）光刻对准：双面抛光的 SiC 晶圆是透明的，光刻工艺难以适应，各设 备传送、取片难以定位，CD-SEM 和计量测量变得, 复杂。
2）蚀刻工艺： SiC 在化学溶液中呈惰性，只有干法刻蚀可行，需重新 开发掩膜材料、混合气体、侧壁斜率、蚀刻速率、侧壁粗糙度等。
3）掺杂工艺：SiC 扩散温度远高于 Si，高温高能离子注入成为唯一的 SiC 制造掺杂方法，但这会破坏材料的晶格结构，所以还需要在 1600℃的条 件下使用高温退火工艺恢复结构，是否具备高温离子注入机是衡量碳化 硅生产线的重要标准之一。
4）MOSFET 栅极氧化：SiC-MOSFET 器件的栅氧质量直接影响沟道的 迁移率和栅极可靠性，导致阈值电压不稳定，需要开发钝化技术，以提 高 SiC/SiO2 界面质量。
|
