随着第一代硅半导体及第二代砷化镓半导体材料发展的成熟，其器件应用也趋于极限。现代科技越来越多的领域需要工作频率高，功率密度高，耐高温，化学稳定性好以及可以在强辐射环境中工作的材料，因此第三代半导体(即宽禁带半导体，禁带宽度大于2.2eV)受到了人们的极大关注，这些材料包括SiC，AlN，GaN，ZnO，金刚石等等，其中技术最为成熟的就是碳化硅（SiC）。
碳化硅（SiC）半导体行业三个重点环节（衬底、外延和器件）中，衬底是碳化硅产业链的核心，在产业链中价值量占比最高，接近50%。衬底行业的发展也是未来碳化硅产业降本、大规模产业化的主要驱动力。
SiC的晶体结构
SiC单晶是由Si和C两种元素按照1:1化学计量比组成的Ⅳ-Ⅳ族化合物半导体材料，硬度仅次于金刚石。C原子和Si原子都是4价电子，可以形成4个共价键，组成SiC基本结构单元——Si-C四面体，每个C原子周围都有4个Si原子，每个Si原子周围都有4个C原子。
SiC衬底作为一种晶体材料，也具有原子层周期性堆垛的特性。Si-C双原子层沿着[0001]方向进行堆垛，由于层与层之间的键能差异小，原子层之间容易产生不同的连接方式，这就导致SiC具有较多种类的晶型。常见晶型有2H-SiC、3C-SiC、4H-SiC、6H-SiC、15R-SiC等，其中，按照“ABCB”顺序进行堆垛的结构称为4H晶型。虽然不同晶型的SiC晶体具有相同的化学成分，但是它们的物理性质，特别是禁带宽度、载流子迁移率等特性有较大的差别。其中，4H晶型各方面的性能更适合半导体领域的应用。
生长温度、压力等多种因素都会影响SiC衬底的晶型稳定性，因此想要获得高质量、晶型均一的单晶材料，在制备过程中必须精确控制如生长温度、生长压力、生长速度等多种工艺参数。
4H-SiC 衬底的加工步骤
1、晶面定向
使用 X 射线衍射法为晶锭定向，当一束 X 射线入射到需要定向的晶面后，通过衍射光束的角度来确定晶面的晶向。
2、外圆滚磨
在石墨坩埚中生长的单晶的直径大于标准尺寸，通过外圆滚磨将直径减小到标准尺寸。
3、端面磨
4 英寸 4H-SiC 衬底一般有两个定位边，主定位边与副定位边，通过端面磨开出定位边。
4、 线切
线切是 4H-SiC 衬底加工过程中一道较为重要的工序。线切过程中造成的裂纹损伤、残留的亚表面损伤等都会对后续工艺造成不利影响，一方面会延长后续工艺所需的时间，另一方面会造成晶片本身的损耗。目前，最常用的碳化硅线切工艺是往复式金刚石固结磨料多线切割。主要通过固结有金刚石磨料的金属线的往复运动对 4H-SiC 晶锭进行切割。线切出的晶片厚度在500 μm 左右，晶圆表面存在大量的线切划痕和较深的亚表面损伤。
5、倒角
为防止在后续加工过程中，晶片边缘发生崩边裂纹等现象，同时为了减小后续工艺中研磨垫、抛光垫等的损耗，需要将线切后锋利的晶片边缘磨削成指定形状。
6、 减薄
4H-SiC 晶锭的线切工艺在晶片表面留下大量划痕及亚表面损伤，使用金刚石砂轮进给进行减薄，主要目的是尽可能去除这部分划痕及损伤。
7、研磨
研磨过程分为粗磨和精磨，具体工艺与减薄类似，但是使用粒径更小的碳化硼或金刚石磨料，更低的去除速率，主要去除减薄工艺中未能去除的损伤及新引入的损伤。
8、抛光
抛光是 4H-SiC 衬底加工的最后一道工序，同样分为粗抛和精抛。晶片表面在抛光液的作用下产生较软的氧化层，氧化层在氧化铝或氧化硅磨粒的机械作用下被去除。在这一工序完成后，衬底表面基本不存在划痕和亚表面损伤，有着极低的表面粗糙度，是实现 4H-SiC 衬底表面超光滑无损伤的关键工艺。
9、清洗
去除加工过程残留的颗粒、金属、氧化膜和有机物等污染物。
SiC衬底分类
从电化学性质差异来看，碳化硅衬底材料可以分为导电型衬底（电阻率区间15~30mΩ·cm）和半绝缘型衬底（电阻率高于105Ω·cm）。
● 半绝缘型碳化硅衬底主要应用于制造射频器件、光电器件等。
● 导电型碳化硅衬底主要应用于制造肖特基二极管、MOSFET、IGBT等功率器件。
碳化硅单晶衬底的生产流程
1、原料准备
物理气相传输法（PVT）需要将Si和C按1:1合成SiC多晶颗粒粉料，其粒度、纯度都会直接影响晶体质量，特别是半绝缘型衬底，对粉料的纯度要求极高（杂质含量低于0.5ppm）。
2、籽晶
碳化硅籽晶是晶体生长的基底，为晶体生长提供基础晶格结构，同样也是决定晶体质量的核心原料。籽晶位于反应器内部或原料上方。
3、晶体生长
SiC晶体生长是SiC衬底生产的核心工艺，核心难点在于提升良率。目前SiC晶体的生长方法主要有物理气相传输法(Physical Vapor Transport Method, PVT法)、高温化学气相沉积法(High Temperature Chemical Vapor Deposition, HTCVD法)、液相法(Liquid Phase Epitaxy)等。
物理气相传输法（PVT）
物理气相传输法（PVT）主要包含三个步骤：SiC源的升华、升华物质的运输、表面反应和结晶。
● 晶体生长时，通过改变石墨坩埚上保温材料散热孔的大小和形状，使生长室内形成15-35℃/cm区间范围的温度梯度，SiC原料处于高温区，籽晶处于低温区，炉内会保留50-5000Pa压强的惰性气体以便增加对流；
● 然后通过感应加热或电阻加热将坩锅内的温度升至 2000-2500℃， SiC原料升华产生的气相 Si2C、SiC2和 Si 在温度梯度的作用下从原料表面传输到低温籽晶处，结晶成块状晶体。
该方法对生长设备要求低，过程简单，可控性强，技术发展相对成熟，国内开始逐步实现8英寸衬底的大量量产。
但PVT法难以制备P型衬底，且有两个本征的不够纯净：
●原料是碳化硅固体，所以纯度不好控制；
●粉体转化为气体的过程中，能够生成多种气体。
高温化学气相沉积法（HTCVD）
● 高温气相沉积法利用的是电磁耦合原理；
● 生长时通过感应线圈将生长室加热到1800℃-2300℃；
● 向生长室内稳定地通入SiH4+C3H8或SiH4+C2H4气体，由 He和 H2承载向上朝着籽晶方向输送，为晶体生长提供Si源与C源，在籽晶处实现SiC晶体的生长；
● 籽晶处的温度低于 SiC的蒸发点，使得气相的碳化硅能够在籽晶下表面凝华，获得纯净的碳化硅晶锭。
HTCVD法能通过控制源输入气体比例可以到达较为精准的 Si/C比，进而获得高质量、高纯净度的碳化硅晶体，但由于气体作为原材料晶体生长的成本很高，该法主要用于生长半绝缘型晶体。
液相法（LPE）
液相法SiC晶体生产流程：
● 液相法利用石墨坩埚为晶体生长提供C源；
● 坩埚壁处的温度较高，会进行C的大量溶解，形成C的饱和溶液；
● 饱和溶液随着助溶剂内的对流被传输到籽晶下方；
● 籽晶端的温度较低，对应C的溶解度相应降低，形成了C的过饱和溶液；
● 溶液中过饱和的C结合助溶剂中的Si，在籽晶上生长SiC晶体；
● 过饱和部分的C析出后，溶液随着对流回到壁处的高温端，并再次的溶解C，形成饱和溶液。
液相法生长温度相对较低，结晶质量高、生长速度快，容易长厚、便于扩径，可获得p型低阻衬底。目前国内可以使用液相法生产4-6英寸的碳化硅晶体。凭借节能降本的优势，未来液相法或将实现进一步产业化。
4、晶锭加工
将制得的碳化硅晶锭使用 X射线单晶定向仪进行定向，之后磨平、滚圆，去除籽晶面，去除圆顶面，加工成标准直径尺寸的碳化硅晶体。
5、晶体切割
将生长出的晶体切成片状，由于碳化硅的硬度仅次于金刚石，属于高硬脆性材料，因此切割过程耗时久，易裂片。切割方法主要有砂浆线切割、金刚线多线切割和激光辐照剥离。
6、晶片研磨抛光
研磨抛光是将衬底表面加工至原子级光滑平面，衬底的表面状态，例如表面粗糙度，厚度均匀性都会直接影响外延工艺的质量。碳化硅具有高硬度的特点，常用的适合碳化硅的磨料有碳化硼、金刚石等高硬度磨料。抛光材料一般有氧化铝、氧化铈、氧化硅等。
7、晶片清洗检测
该步骤用于去除加工过程中残留的颗粒物以及金属杂质，最终检测可以获取衬底表面、面型、晶体质量等全面的质量信息，帮助下游工艺进行追溯 。
晶片检测内容包括：
● 晶体完整性：微管密度、结晶质量、六方空洞和裂纹、位错密度、多型；
● 晶型：晶型确定；
● 杂质：体杂质含量；
● 电学测试：电阻率。
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好了，本期要跟大家分享的内容就到这里了，希望有兴趣的朋友可以一起交流学习哦
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