中國(guó)粉體網(wǎng)訊 我國(guó)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)起步較晚,，整體上落后于以美國(guó)、日本為代表的國(guó)際半導(dǎo)體強(qiáng)國(guó),，但憑借政府持續(xù)出臺(tái)的多項(xiàng)半導(dǎo)體行業(yè)政策的支持,，半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速。
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作為半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)中的襯底材料,，碳化硅單晶具有優(yōu)異的熱,、電性能，在高溫,、高頻,、大功率、抗輻射集成電子器件領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景,。
1 半導(dǎo)體行業(yè)發(fā)展歷程
眾所周知,，半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)發(fā)展至今經(jīng)歷了三個(gè)階段。
階段一：20世紀(jì)50~60年代,，硅和鍺構(gòu)成了第一代半導(dǎo)體材料,，主要應(yīng)用于低壓、低頻,、中功率晶體管以及光電探測(cè)器中,。相比于鍺半導(dǎo)體器件，硅材料制造的半導(dǎo)體器件耐高溫和抗輻射性能較好。直到現(xiàn)在,，我們使用的半導(dǎo)體產(chǎn)品大多是基于硅材料的,。
階段二：進(jìn)入20世紀(jì)90年代后，砷化鎵,、磷化銦代表了第二代半導(dǎo)體材料,，可用于制作高速、高頻,、大功率以及發(fā)光電子器件,。因信息高速公路和互聯(lián)網(wǎng)的興起，第二代半導(dǎo)體材料被廣泛應(yīng)用于衛(wèi)星通訊,、移動(dòng)通訊,、光通信和GPS導(dǎo)航等領(lǐng)域。
階段三：與前兩代半導(dǎo)體材料相比,，第三代半導(dǎo)體材料通常又被稱為寬禁帶半導(dǎo)體材料或高溫半導(dǎo)體材料,。其中，碳化硅和氮化鎵在第三代半導(dǎo)體材料中是發(fā)展成熟的代表,。
2 碳化硅單晶特點(diǎn)
碳化硅單晶作為第三代半導(dǎo)體中的典型材料,，具有禁帶寬度大(2.3~3.3eV)、擊穿電場(chǎng)高(0.8~3.0MV/cm),、飽和電子漂移速率高(2.0×107cm/s)和熱導(dǎo)率高(3~4.9W/(cm·K))等特點(diǎn),，這些特點(diǎn)十分符合高頻高功率電子器件的需求，是傳統(tǒng)半導(dǎo)體無(wú)法代替的,。隨著單晶材料的技術(shù)突破,，這些性質(zhì)使得SiC成為研究和產(chǎn)業(yè)的熱點(diǎn)，有力推動(dòng)了SiC單晶材料的進(jìn)展,。
3 碳化硅單晶的生長(zhǎng)方式
目前碳化硅單晶的生長(zhǎng)方法主要包括以下三種：液相法,、高溫化學(xué)氣相沉積法、物理氣相傳輸法,。
（1）液相法
液相法生長(zhǎng)碳化硅單晶最早是由德國(guó)人于1999年提出的,。近年以來(lái)，日本的一些單位又對(duì)于液相法生長(zhǎng)碳化硅進(jìn)行了大量的研究改進(jìn),。下圖是碳化硅液相生長(zhǎng)裝置及溫度梯度示意圖,。采用射頻感應(yīng)線圈對(duì)反應(yīng)容器進(jìn)行加熱，選用石墨材料作為坩堝,，同時(shí)將其作為碳源,，在石墨坩堝中填充硅熔體。將碳化硅晶種放置在石墨坩堝頂部,，剛好與熔體接觸,，控制晶種溫度略低于熔體溫度,。利用溫度梯度作為生長(zhǎng)驅(qū)動(dòng)力來(lái)實(shí)現(xiàn)晶體的生長(zhǎng)。生長(zhǎng)一般在惰性氣體氣氛（如Ar）中進(jìn)行,，生長(zhǎng)溫度在1750~2100℃之間,。為了提高晶體的生長(zhǎng)速率，在生長(zhǎng)過(guò)程中可以調(diào)節(jié)石墨坩堝和種子晶體的旋轉(zhuǎn)方向和旋轉(zhuǎn)速度,。
碳化硅單晶液相生長(zhǎng)裝置及溫度分布示意圖
（2）高溫化學(xué)氣相沉積法
高溫化學(xué)氣相沉積法（HTCVD）由瑞典Okmetric公司于20世紀(jì)90年代提出,，并用于生長(zhǎng)碳化硅單晶。下圖為碳化硅單晶高溫化學(xué)氣相沉積生長(zhǎng)裝置原理圖,。在此方法中，碳化硅單晶在一個(gè)垂直形態(tài)的石墨坩堝中進(jìn)行生長(zhǎng),，H2或He作為載氣,，SiH4、C2H4或C3H8分別作為Si源和Ｃ源,。在反應(yīng)腔室高溫區(qū),，源氣體發(fā)生分解并相互作用生成SiC。該方法設(shè)備費(fèi)用昂貴,，生長(zhǎng)成本較高,，限制了其推廣應(yīng)用。
碳化硅單晶高溫化學(xué)氣相沉積生長(zhǎng)裝置及溫度分布示意圖
（3）物理氣相傳輸法
物理氣相傳輸法（PVT法）,，又稱為籽晶升華法,、改進(jìn)Lely法。SiC在常壓高溫下不熔化,，但在1800℃以上的高溫時(shí),，會(huì)發(fā)生分解升華成多種氣相組分，這些氣相組分在運(yùn)輸至較低溫度時(shí)又會(huì)發(fā)生反應(yīng),，重新結(jié)晶生成固相SiC,，PVT法正是利用了該特性。該方法于1978年首次提出,，是在Lely法的基礎(chǔ)上進(jìn)一步改進(jìn)得來(lái)的,，其生長(zhǎng)裝置如下圖所示。PVT法是目前SiC單晶生長(zhǎng)研究最多,、最成熟的技術(shù),。
物理氣相傳輸法生長(zhǎng)裝置示意圖
4 碳化硅單晶加工工藝過(guò)程
碳化硅單晶的加工過(guò)程主要分為切片、薄化和拋光,。
（1）碳化硅單晶的切片
作為碳化硅單晶加工過(guò)程的第一道工序,，切片的性能決定了后續(xù)薄化、拋光的加工水平,。切片加工易在晶片表面和亞表面產(chǎn)生裂紋,，增加晶片的破片率和制造成本,，因此控制晶片表層裂紋損傷，對(duì)推動(dòng)碳化硅器件制造技術(shù)的發(fā)展具有重要意義,。
目前碳化硅切片加工技術(shù)主要包括固結(jié),、游離磨料切片、激光切割,、冷分離和電火花切片,，不同技術(shù)對(duì)應(yīng)的性能指標(biāo)如下表所示，其中往復(fù)式金剛石固結(jié)磨料多線切割是最常應(yīng)用于加工碳化硅單晶的方法,。
不同切割工藝性能對(duì)比表
（2）碳化硅晶片的薄化
碳化硅斷裂韌性較低,，在薄化過(guò)程中易開(kāi)裂，導(dǎo)致碳化硅晶片的減薄非常困難,。碳化硅切片的薄化主要通過(guò)磨削與研磨實(shí)現(xiàn),。
晶片磨削最具代表性的形式是自旋轉(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)減薄過(guò)程,。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)生損傷，嚴(yán)重制約加工精度和效率,，為了解決這些問(wèn)題,，研究人員開(kāi)發(fā)出了不同的輔助技術(shù)，如砂輪在線修整,，或研制新型軟磨料砂輪,，目前主要的技術(shù)包括超聲振動(dòng)輔助磨削和在線電解修整輔助磨削。為防止碎片,，優(yōu)化單面研磨技術(shù)是未來(lái)薄化加工大尺寸碳化硅晶片的主要技術(shù)發(fā)展趨勢(shì),。
（3）碳化硅晶片的拋光
拋光工藝的實(shí)質(zhì)是離散原子的去除。碳化硅單晶襯底要求被加工表面有極低的表面粗糙度,，Si面在0.3nm之內(nèi),，C面在0.5nm之內(nèi)。
碳化硅晶片的拋光工藝可分為粗拋和精拋,。粗拋為機(jī)械拋光,，目的在于提高拋光的加工效率，其關(guān)鍵研究方向在于優(yōu)化工藝參數(shù),，改善晶片表面粗糙度,，提高材料去除率。精拋為單面拋光,，作為單晶襯底加工的最后一道工藝,，化學(xué)機(jī)械拋光是實(shí)現(xiàn)碳化硅襯底全局平坦化的常用方法,，也是保證被加工表面實(shí)現(xiàn)超光滑、無(wú)缺陷損傷的關(guān)鍵工藝,。
SiC精拋工藝對(duì)比
5 挑戰(zhàn)與產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀
器件的飛速發(fā)展和應(yīng)用的擴(kuò)展給SiC單晶帶來(lái)諸多挑戰(zhàn),。
一是成本問(wèn)題，SiC襯底的價(jià)格仍遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于Si,、藍(lán)寶石等襯底,。降低成本需要更加成熟的生長(zhǎng)和加工技術(shù)，需要提高襯底材料的成品率,，另外,，通過(guò)擴(kuò)徑研究增大面積，降低單個(gè)器件成本,。
二是單晶質(zhì)量方面的問(wèn)題,。SiC單晶襯底的位錯(cuò)密度仍高達(dá)103/cm2以上，其面型參數(shù)如Warp等也難以控制,。因此如何控制相關(guān)參數(shù)，減低缺陷密度,、控制面型是6英寸和8英寸襯底質(zhì)量?jī)?yōu)化的主要工作,。
最后一個(gè)技術(shù)挑戰(zhàn)是包括新的生長(zhǎng)方法、溫場(chǎng)設(shè)計(jì),、摻雜和加工等技術(shù)探索�,，F(xiàn)階段如高溫化學(xué)氣相沉積法、液相生長(zhǎng)技術(shù)仍在研發(fā)階段,，需要進(jìn)一步的關(guān)注,。
參考來(lái)源：
【1】張璽，等.碳化硅單晶襯底加工技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì).中央民族大學(xué)學(xué)報(bào).2021.
【2】龐龍飛,，等.,，SiC晶片超精密化學(xué)機(jī)械拋光技術(shù).微納電子技術(shù).2021.
【3】 申思.國(guó)產(chǎn)碳化硅晶片產(chǎn)業(yè)的探路先鋒.科研技術(shù).2018.
【4】 郭金笛.碳化硅基半導(dǎo)體材料硬度及熱導(dǎo)率研究.山東大學(xué).2021.
（中國(guó)粉體網(wǎng)編輯整理/星耀）
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