中國粉體網(wǎng)訊 碳化硅制備工藝對于生產(chǎn)高質量碳化硅晶圓有著直接影響,，目前碳化硅晶圓被應用到了各個高新領域之中，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,。
半導體碳化硅產(chǎn)業(yè)3大關鍵環(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,，通過溶質與溶劑之間發(fā)生水解-聚合反應,，形成穩(wěn)定的溶膠，溶膠經(jīng)過干燥或脫水轉化成凝膠,，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,，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;另一方面，粉體經(jīng)過高溫處理后形成框架結構,，阻止了后續(xù)單晶生長過程中物質輸運速率的不穩(wěn)定,，影響了最終的長晶結果。目前,，常用的粉末燒結凈化工藝主要是圍繞晶體生長溫度進行燒結凈化,。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很關鍵
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,，需要使用大量設備，這導致其生產(chǎn)成本較高,。
化學氣相沉積法適用于生產(chǎn)高質量碳化硅薄膜和單晶,，通過將碳源和硅源氣體引入反應室，讓其在高溫下產(chǎn)生化學反應,，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氣體的流量、溫度和壓力,，還能實現(xiàn)對沉積速率,、薄膜質量的調節(jié)，這使生產(chǎn)高質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)出高質量的薄膜，但對設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,、結晶的物理特性,，讓其在基片表面結晶生長，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,、切磨拋技術是碳化硅降本關鍵
（1）切割技術
制作高質量的碳化硅基片不僅需要高質量的單晶，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,，適用于所有領域的切割,，并且能將晶片切割為各種復雜形狀。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。之后再利用化學機械拋光技術,，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雜,，需要使用大量設備，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，并不斷改進生產(chǎn)工藝,。同時還要與供應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)�,；a(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)模應用提供可能,。
晶圓尺寸變大，意味著原本的產(chǎn)線上,，很多設備不能共通,，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備也無法生產(chǎn)出芯片。
來源：
徐生龍等：半導體制造業(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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