随着第一代矽半導體及第二代砷化镓半導體材料發展的成熟，其器件應用也趨于極限。現代科技越來越多的領域需要工作頻率高，功率密度高，耐高溫，化學穩定性好以及可以在強輻射環境中工作的材料，是以第三代半導體(即寬禁帶半導體，禁帶寬度大于2.2eV)受到了人們的極大關注，這些材料包括SiC，AlN，GaN，ZnO，金剛石等等，其中技術最為成熟的就是碳化矽（SiC）。
碳化矽（SiC）半導體行業三個重點環節（襯底、外延和器件）中，襯底是碳化矽産業鍊的核心，在産業鍊中價值量占比最高，接近50%。襯底行業的發展也是未來碳化矽産業降本、大規模産業化的主要驅動力。
SiC的晶體結構
SiC單晶是由Si和C兩種元素按照1:1化學計量比組成的Ⅳ-Ⅳ族化合物半導體材料，硬度僅次于金剛石。C原子和Si原子都是4價電子，可以形成4個共價鍵，組成SiC基本結構單元——Si-C四面體，每個C原子周圍都有4個Si原子，每個Si原子周圍都有4個C原子。
SiC襯底作為一種晶體材料，也具有原子層周期性堆垛的特性。Si-C雙原子層沿着[0001]方向進行堆垛，由于層與層之間的鍵能差異小，原子層之間容易産生不同的連接配接方式，這就導緻SiC具有較多種類的晶型。常見晶型有2H-SiC、3C-SiC、4H-SiC、6H-SiC、15R-SiC等，其中，按照“ABCB”順序進行堆垛的結構稱為4H晶型。雖然不同晶型的SiC晶體具有相同的化學成分，但是它們的實體性質，特别是禁帶寬度、載流子遷移率等特性有較大的差别。其中，4H晶型各方面的性能更适合半導體領域的應用。
生長溫度、壓力等多種因素都會影響SiC襯底的晶型穩定性，是以想要獲得高品質、晶型均一的單晶材料，在制備過程中必須精确控制如生長溫度、生長壓力、生長速度等多種工藝參數。
4H-SiC 襯底的加工步驟
1、晶面定向
使用 X 射線衍射法為晶錠定向，當一束 X 射線入射到需要定向的晶面後，通過衍射光束的角度來确定晶面的晶向。
2、外圓滾磨
在石墨坩埚中生長的單晶的直徑大于标準尺寸，通過外圓滾磨将直徑減小到标準尺寸。
3、端面磨
4 英寸 4H-SiC 襯底一般有兩個定位邊，主定位邊與副定位邊，通過端面磨開出定位邊。
4、 線切
線切是 4H-SiC 襯底加工過程中一道較為重要的工序。線切過程中造成的裂紋損傷、殘留的亞表面損傷等都會對後續工藝造成不利影響，一方面會延長後續工藝所需的時間，另一方面會造成晶片本身的損耗。目前，最常用的碳化矽線切工藝是往複式金剛石固結磨料多線切割。主要通過固結有金剛石磨料的金屬線的往複運動對 4H-SiC 晶錠進行切割。線切出的晶片厚度在500 μm 左右，晶圓表面存在大量的線切劃痕和較深的亞表面損傷。
5、倒角
為防止在後續加工過程中，晶片邊緣發生崩邊裂紋等現象，同時為了減小後續工藝中研磨墊、抛光墊等的損耗，需要将線切後鋒利的晶片邊緣磨削成指定形狀。
6、 減薄
4H-SiC 晶錠的線切工藝在晶片表面留下大量劃痕及亞表面損傷，使用金剛石砂輪進給進行減薄，主要目的是盡可能去除這部分劃痕及損傷。
7、研磨
研磨過程分為粗磨和精磨，具體工藝與減薄類似，但是使用粒徑更小的碳化硼或金剛石磨料，更低的去除速率，主要去除減薄工藝中未能去除的損傷及新引入的損傷。
8、抛光
抛光是 4H-SiC 襯底加工的最後一道工序，同樣分為粗抛和精抛。晶片表面在抛光液的作用下産生較軟的氧化層，氧化層在氧化鋁或氧化矽磨粒的機械作用下被去除。在這一工序完成後，襯底表面基本不存在劃痕和亞表面損傷，有着極低的表面粗糙度，是實作 4H-SiC 襯底表面超光滑無損傷的關鍵工藝。
9、清洗
去除加工過程殘留的顆粒、金屬、氧化膜和有機物等污染物。
SiC襯底分類
從電化學性質差異來看，碳化矽襯底材料可以分為導電型襯底（電阻率區間15~30mΩ·cm）和半絕緣型襯底（電阻率高于105Ω·cm）。
● 半絕緣型碳化矽襯底主要應用于制造射頻器件、光電器件等。
● 導電型碳化矽襯底主要應用于制造肖特基二極管、MOSFET、IGBT等功率器件。
碳化矽單晶襯底的生産流程
1、原料準備
實體氣相傳輸法（PVT）需要将Si和C按1:1合成SiC多晶顆粒粉料，其粒度、純度都會直接影響晶體品質，特别是半絕緣型襯底，對粉料的純度要求極高（雜質含量低于0.5ppm）。
2、籽晶
碳化矽籽晶是晶體生長的基底，為晶體生長提供基礎晶格結構，同樣也是決定晶體品質的核心原料。籽晶位于反應器内部或原料上方。
3、晶體生長
SiC晶體生長是SiC襯底生産的核心工藝，核心難點在于提升良率。目前SiC晶體的生長方法主要有實體氣相傳輸法(Physical Vapor Transport Method, PVT法)、高溫化學氣相沉積法(High Temperature Chemical Vapor Deposition, HTCVD法)、液相法(Liquid Phase Epitaxy)等。
實體氣相傳輸法（PVT）
實體氣相傳輸法（PVT）主要包含三個步驟：SiC源的升華、升華物質的運輸、表面反應和結晶。
● 晶體生長時，通過改變石墨坩埚上保溫材料散熱孔的大小和形狀，使生長室内形成15-35℃/cm區間範圍的溫度梯度，SiC原料處于高溫區，籽晶處于低溫區，爐内會保留50-5000Pa壓強的惰性氣體以便增加對流；
● 然後通過感應加熱或電阻加熱将坩鍋内的溫度升至 2000-2500℃， SiC原料升華産生的氣相 Si2C、SiC2和 Si 在溫度梯度的作用下從原料表面傳輸到低溫籽晶處，結晶成塊狀晶體。
該方法對生長裝置要求低，過程簡單，可控性強，技術發展相對成熟，國内開始逐漸實作8英寸襯底的大量量産。
但PVT法難以制備P型襯底，且有兩個本征的不夠純淨：
●原料是碳化矽固體，是以純度不好控制；
●粉體轉化為氣體的過程中，能夠生成多種氣體。
高溫化學氣相沉積法（HTCVD）
● 高溫氣相沉積法利用的是電磁耦合原理；
● 生長時通過感應線圈将生長室加熱到1800℃-2300℃；
● 向生長室内穩定地通入SiH4+C3H8或SiH4+C2H4氣體，由 He和 H2承載向上朝着籽晶方向輸送，為晶體生長提供Si源與C源，在籽晶處實作SiC晶體的生長；
● 籽晶處的溫度低于 SiC的蒸發點，使得氣相的碳化矽能夠在籽晶下表面凝華，獲得純淨的碳化矽晶錠。
HTCVD法能通過控制源輸入氣體比例可以到達較為精準的 Si/C比，進而獲得高品質、高純淨度的碳化矽晶體，但由于氣體作為原材料晶體生長的成本很高，該法主要用于生長半絕緣型晶體。
液相法（LPE）
液相法SiC晶體生産流程：
● 液相法利用石墨坩埚為晶體生長提供C源；
● 坩埚壁處的溫度較高，會進行C的大量溶解，形成C的飽和溶液；
● 飽和溶液随着助溶劑内的對流被傳輸到籽晶下方；
● 籽晶端的溫度較低，對應C的溶解度相應降低，形成了C的過飽和溶液；
● 溶液中過飽和的C結合助溶劑中的Si，在籽晶上生長SiC晶體；
● 過飽和部分的C析出後，溶液随着對流回到壁處的高溫端，并再次的溶解C，形成飽和溶液。
液相法生長溫度相對較低，結晶品質高、生長速度快，容易長厚、便于擴徑，可獲得p型低阻襯底。目前國内可以使用液相法生産4-6英寸的碳化矽晶體。憑借節能降本的優勢，未來液相法或将實作進一步産業化。
4、晶錠加工
将制得的碳化矽晶錠使用 X射線單晶定向儀進行定向，之後磨平、滾圓，去除籽晶面，去除圓頂面，加工成标準直徑尺寸的碳化矽晶體。
5、晶體切割
将生長出的晶體切成片狀，由于碳化矽的硬度僅次于金剛石，屬于高硬脆性材料，是以切割過程耗時久，易裂片。切割方法主要有砂漿線切割、金剛線多線切割和雷射輻照剝離。
6、晶片研磨抛光
研磨抛光是将襯底表面加工至原子級光滑平面，襯底的表面狀态，例如表面粗糙度，厚度均勻性都會直接影響外延工藝的品質。碳化矽具有高硬度的特點，常用的适合碳化矽的磨料有碳化硼、金剛石等高硬度磨料。抛光材料一般有氧化鋁、氧化铈、氧化矽等。
7、晶片清洗檢測
該步驟用于去除加工過程中殘留的顆粒物以及金屬雜質，最終檢測可以擷取襯底表面、面型、晶體品質等全面的品質資訊，幫助下遊工藝進行追溯 。
晶片檢測内容包括：
● 晶體完整性：微管密度、結晶品質、六方空洞和裂紋、位錯密度、多型；
● 晶型：晶型确定；
● 雜質：體雜質含量；
● 電學測試：電阻率。
-----END-----
好了，本期要跟大家分享的内容就到這裡了，希望有興趣的朋友可以一起交流學習哦
免責聲明：本文為作者獨立觀點，不代表作者本人立場。如因作品内容、版權等存在問題或者其他任何異議，歡迎聯系處理。