中国粉体网讯  碳化硅制备工艺对于生产高质量碳化硅晶圆有着直接影响，目前碳化硅晶圆被应用到了各个高新领域之中，是制作高新产品的重要材料之一。

碳化硅是一种由碳元素和硅元素构成的化合物，有单晶和多晶两种形态。其中多晶碳化硅硬度更高、耐腐蚀性更强，其高温抗氧化能力、抗辐射能力也更强。目前各行各业对碳化硅的需求不断提升，这就需要半导体制造业研究碳化硅制备工艺，提升产能和碳化硅制造工艺，对促进科技发展有着重要作用。

半导体碳化硅产业3大关键环节

碳化硅产业链主要包括上游衬底和外延制备、中游器件和模块制作以及下游终端应用。从工艺流程上看，碳化硅一般是先被制作成晶锭。在合成碳化硅粉后，先制作碳化硅晶锭，然后经过切片、打磨、抛光得到碳化硅衬底；衬底经过外延生长得到外延片；外延片经过光刻、刻蚀、离子注入、沉积等步骤制造成器件，器件组合在一起放入特殊外壳中组装成模组。

1.碳化硅粉料要纯！

生长SiC单晶用的粉料要求纯度极高，纯度要求在99.95%~99.9999%之间。目前，合成高纯 SiC 粉体主要有气相法、液相法和固相法三种途径。

气相法通过巧妙控制气源中的杂质含量来获取高纯SiC粉体，其中包括CVD法和等离子体法。CVD法利用高温反应的魔法，能够得到超细、高纯的SiC粉体。不过，气相法虽然纯度高，但成本高昂且合成速率低，难以满足大批量生产的需求。

液相法中，溶胶-凝胶法独树一帜。该方法是将醇盐或无机盐溶于溶剂（水或醇）中形成均匀的溶液，通过溶质与溶剂之间发生水解-聚合反应，形成稳定的溶胶，溶胶经过干燥或脱水转化成凝胶，再经过热处理得到所需要的超细粉体。

固相法中的改进的自蔓延高温合成法，是当前使用范围最广、合成工艺最为成熟的SiC粉体制备方法。改进的自蔓延高温合成法将固态的Si源和C源作为原料，使其在1400℃~2000℃的高温下持续反应，最后得到高纯SiC粉体。制备的SiC粉具有生产工艺简单、速度快、污染小、纯度高、成本低等优点，是一种目前常见的制备SiC粉体的方法，通常被用做合成高纯SiC粉。

除了整体纯度外，对某些杂质元素含量也有特殊的要求。因此，在单晶生长之前，必须通过高温处理对SiC粉源进行纯化。一方面，可以有效去除原料中的Al、B、游离硅等杂质;另一方面，粉体经过高温处理后形成框架结构，阻止了后续单晶生长过程中物质输运速率的不稳定，影响了最终的长晶结果。目前，常用的粉末烧结净化工艺主要是围绕晶体生长温度进行烧结净化。不同的净化方式可以达到不同的净化效果，其中一些方法可以将原料的纯度提高到更高的水平。例如，Deng设计了两种纯化方式，都将粉末的纯度从原来的97%提高到99%以上。

2、碳化硅单晶生长技术很关键

目前SiC晶体的生长方法主要有物理气相传输法(PVT法)、高温化学气相沉积法(HTCVD法)、液相法(Liquid Phase Method)等。其中，PVT法是已发展较为成熟，更适用于产业化批量生产的方法。

物理气相传输法是目前生产高质量大尺寸碳化硅的主要方法。该方法是将提纯过的碳和硅放入石墨坩埚中，随后将坩埚置于高温炉中。在高温下，碳和硅会逐渐升华为气相，并逐渐在温度作用下向着低温区移动，并逐渐在籽晶表面沉积，从而形成单晶。该方法能大量生产大尺寸、高纯度的碳化硅，较为适合开展大规模工业化生产，但其缺点在于生产速度较为缓慢，需要使用大量设备，这导致其生产成本较高。

化学气相沉积法适用于生产高质量碳化硅薄膜和单晶，通过将碳源和硅源气体引入反应室，让其在高温下产生化学反应，就能让碳化硅逐渐沉积在基片表面。工作人员通过控制反应气体的流量、温度和压力，还能实现对沉积速率、薄膜质量的调节，这使生产高质量碳化硅薄膜具有了可能性。该方法的优点是生长速率快，能精准控制薄膜的厚度和均匀性，生产出高质量的薄膜，但对设备和工艺控制的要求较高，这使其生产成本也较高，难以适应完成大规模批量生产。

液相生长法是一种具有特殊优势的生长方法，但多数被用于某些特定环境下进行生产，因此使用量较少。液相生长法是利用碳化硅在高温液态溶剂中溶解、结晶的物理特性，让其在基片表面结晶生长，最终形成晶体的生产方法。在生长过程中，工作人员需要控制温度和溶剂组成，但由于其独特的生长机制，液相生长法只适合生产小尺寸单晶，并且其生产出来的晶片耐高温性要弱于其他方式生产的单晶，这使得其生产单晶无法被用于某些高温敏感产业。

3、切磨抛技术是碳化硅降本关键

（1）切割技术

制作高质量的碳化硅基片不仅需要高质量的单晶，还需要对单晶开展精细的切割和研磨抛光。目前常见的切割技术为激光切割和线切割。激光切割是利用高能激光束聚焦碳化硅单晶表面，让局部材料熔化或是汽化，以便完成切割工作。激光切割有着精度高、切割快的优势，适用于所有领域的切割，并且能将晶片切割为各种复杂形状。线切割是利用金属丝进行切割，一般是通过电火花或磨料进行切割，线切割精度较高，但无法达到激光切割的水准，较为适合切割厚度较大的基片。

（2）研磨和抛光

在完成切割后，要使用粗磨对基片开展初步磨平，去除切割损伤层。粗磨阶段一般会使用氧化铝和碳化硅作为磨料。在完成粗磨后还要进行进一步的精磨，使用氧化铈、二氧化硅等磨料对基片表面进行进一步处理，让其达到更高的平整度和光洁度。之后再利用化学机械抛光技术，对基片表面进行最终抛光，该流程需要使用到抛光液和软磨盘，最终经过抛光的基面能够达到纳米级平整度。

碳化硅制备技术面临的挑战？

制备成本

目前碳化硅晶圆的制备成本仍然较高，这主要是由于制备过程较为复杂，需要使用大量设备，对工作人员的专业能力要求也较高。同时，由于制备技术仍然不够完善，难以完成快速、大批量的制备，因此制备成本难以得到大幅度下降，特别是一些高精度晶圆的制备难度较高，不仅成本高，产量也较低，这给产业发展带来了较大困难。为了降低制备成本，需要研究更加成熟的制备技术，并不断改进生产工艺。同时还要与供应链伙伴开展更加深入的合作交流，实现资源共享，以便开展规模化生产，从而降低碳化硅晶圆的制备成本。

晶圆尺寸限制

碳化硅产业当前主流的晶圆尺寸是6英寸，并正在大规模往8英寸发展，在最上游的晶体、衬底，业界已经具备大量产能，8英寸的碳化硅晶圆产线也开始逐渐落地，一些头部的衬底厂商已经开始批量出货。更大尺寸的碳化硅衬底材料，能够进一步扩大单片晶圆上可用于芯片制造的面积，大幅提升合格芯片产量。在同等生产条件下，显著提升产量，降低单位成本，进一步提升经济效益，为碳化硅材料的更大规模应用提供可能。

晶圆尺寸变大，意味着原本的产线上，很多设备不能共通，因此在晶圆尺寸切换的过程中，往往需要多年时间。由于半导体制造流程冗长，从衬底材料成功制造样品，到真正的量产，需要与中下游产业链进行配合，毕竟单有材料没有制造设备也无法生产出芯片。

来源：

徐生龙等：半导体制造业用碳化硅制备工艺研究与实践

电子发烧友网：12英寸碳化硅衬底，又有新进展

（中国粉体网编辑整理/空青）

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