作為第三代半導(dǎo)體芯片的典型代表，碳化硅（SiC）擁有比硅更優(yōu)秀的半導(dǎo)體性能，包括耐高壓能力、耐高溫能力、耐輻射能力以及更強(qiáng)的高頻能力、更低的電子轉(zhuǎn)換損耗等，被廣泛應(yīng)用于新能源汽車、光伏儲能、軌道交通、航空航天、5G通訊等前沿科技領(lǐng)域，不僅開啟了新的技術(shù)疆界，更是在多行業(yè)掀起了一場產(chǎn)業(yè)變革的浪潮。

從碳化硅產(chǎn)業(yè)鏈流程上看，首先由碳化硅粉末通過長晶形成晶錠，然后經(jīng)過切片、打磨、拋光得到碳化硅襯底，再在襯底上經(jīng)過外延生長得到外延片，外延片則經(jīng)過光刻、沉積、離子注入等工藝制成碳化硅晶圓，最后經(jīng)過劃片、減薄等工藝制成芯片，并封裝得到碳化硅器件。

由于碳化硅獨(dú)特的性質(zhì)，導(dǎo)致各環(huán)節(jié)的工藝難度都很高，比如長晶，就需要嚴(yán)格控制溫度、壓力、氣流等各種參數(shù)，才能保證晶體的質(zhì)量和純度；還有切割環(huán)節(jié)，碳化硅的高硬度和脆性，讓切割難度大大增加；外延的生長，厚度、位錯、宏觀缺陷以及摻雜濃度均勻性等方面也都是大難題，這一系列問題讓碳化硅品質(zhì)和良率難以提高，價格也是居高不下，這些問題已成為制約碳化硅產(chǎn)業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵瓶頸。

針對這些問題，目前國內(nèi)外廠商也在積極改進(jìn)工藝和設(shè)備，比如采用液相法來制備碳化硅晶體、用激光來切割碳化硅晶錠、采用不同技術(shù)路線的碳化硅外延生長爐等等，下面就來介紹一下這些已經(jīng)開始使用，或正在驗(yàn)證有望商業(yè)應(yīng)用的新技術(shù)和設(shè)備吧。

液相法制備碳化硅晶體

目前，碳化硅晶體生長的主流方法是物理氣相傳輸（PVT），其流程為1）將高純碳化硅粉料置于單晶爐內(nèi)的石墨坩堝底部，并將碳化硅籽晶粘結(jié)在坩堝蓋內(nèi)部；2）通過電磁感應(yīng)加熱或電阻加熱的方式令坩堝內(nèi)的溫度升高至2000℃以上，并在坩堝內(nèi)形成軸向溫度梯度，使籽晶處的溫度略低于粉料處；3）碳化硅粉料分解成硅原子、SiC2分子以及Si2C分子等氣相物質(zhì)，在溫度梯度的驅(qū)動下從高溫區(qū)（粉料）向低溫區(qū)（籽晶）輸送，在籽晶的碳面上按照籽晶的晶型進(jìn)行有規(guī)律的原子排列，使晶體逐漸增厚，進(jìn)而生長成碳化硅晶錠。

然而PVT法生長碳化硅晶體依然存在許多難以克服的缺點(diǎn)，比如PVT法生長晶體只能在縱向進(jìn)行長厚，很難實(shí)現(xiàn)晶體的擴(kuò)徑；需要在2300°C以上高溫的密閉石墨腔室內(nèi)完成“固-氣-固”的轉(zhuǎn)化重結(jié)晶過程，生長周期長、控制難度大，易產(chǎn)生微管、包裹物等缺陷；難以制備p型襯底，目前商業(yè)化的碳化硅器件產(chǎn)品依然主要是單極型器件，未來高壓雙極型器件（如IGBT、PIN等）將需要p型襯底。

由于PVT法的這些缺點(diǎn)，近年來采用液相法來生長碳化硅晶體的技術(shù)備受關(guān)注，相比PVT法，液相法需要的溫度更低（＜2 000 ℃），更接近熱力學(xué)平衡條件，理論上可以長出質(zhì)量更高的碳化硅晶體，擁有者諸多優(yōu)勢：

1）位錯密度低。碳化硅晶片中的位錯問題一直是制約碳化硅器件性能的關(guān)鍵，采用液相法生長一方面可以大幅度的降低生長溫度，減少從高溫狀態(tài)降溫冷卻過程中由于熱應(yīng)力導(dǎo)致的位錯；另一方面在液相法生長碳化硅晶體過程中還能實(shí)現(xiàn)不同位錯之間的轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)生長晶體中位錯密度的下降，從而獲得無微管、低位錯密度的高質(zhì)量碳化硅晶體，提高碳化硅基器件的性能。

2）易于實(shí)現(xiàn)擴(kuò)徑。傳統(tǒng) PVT 法生長碳化硅晶體時，晶體直徑的擴(kuò)大需要多代生長不斷繼承才能實(shí)現(xiàn)緩慢的擴(kuò)徑，其過程對成本以及時間的消耗巨大，而液相法生長碳化硅可以通過放肩技術(shù)相對簡單的進(jìn)行擴(kuò)徑生長，有助于快速地獲得更大尺寸的碳化硅晶體。

3）可以獲得p型晶體。液相法由于生長氣壓高，溫度相對較低，在該條件下A1不容易揮發(fā)而流失，液相法采用的助熔液中增加A1可以較容易的獲得高載流子濃度的p型碳化硅晶體。

隨著技術(shù)的改進(jìn)，液相法生長碳化硅晶體過程中存在的一些問題，如助溶液包裹、生長面不穩(wěn)定等，也逐步得到了改善，未來其對整個碳化硅行業(yè)的推進(jìn)將表現(xiàn)出巨大潛力，比如8英寸碳化硅襯底的制備等，很可能是碳化硅晶體生長的新突破點(diǎn)。

目前也有企業(yè)已經(jīng)在試用液相法制備碳化硅襯底，比如今年6月，天岳先進(jìn)就宣布，采用液相法制備出了低缺陷的8英寸晶體，通過熱場、溶液設(shè)計(jì)和工藝創(chuàng)新突破了碳化硅單晶高質(zhì)量生長界面控制和缺陷控制難題。

設(shè)備上，此前晶升股份在接受調(diào)研時表示，公司提前開展了關(guān)于液相法碳化硅晶體生長設(shè)備的布局，并已經(jīng)提供樣機(jī)給多家客戶，目前公司正積極協(xié)同客戶不斷進(jìn)行優(yōu)化和改進(jìn)，進(jìn)一步提升晶體的品質(zhì)與良率。

激光切割提高碳化硅切片效率

切片是碳化硅單晶加工過程的第一道工序，切片的性能決定了后續(xù)薄化、拋光的加工水平，是整個環(huán)節(jié)的最大產(chǎn)能瓶頸所在，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，對推動碳化硅器件制造技術(shù)的發(fā)展具有重要意義。

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等，其中往復(fù)式金剛石固結(jié)磨料多線切割是應(yīng)用最廣泛的切割碳化硅的方法。

采用金剛石線鋸，隨著切割進(jìn)行，碳化硅晶片的翹曲度會變得越來越大，切割后期，由于鋸絲速度經(jīng)過多次變換，同時基體碎屑難以隨冷卻液流走，會讓晶片表面質(zhì)量變差，長達(dá)數(shù)小時的切片過程，也會讓很多晶錠以碳化硅粉塵的形式成為廢料，根據(jù)英飛凌的數(shù)據(jù)，在切割環(huán)節(jié)對整體材料利用率僅有50%，這也是碳化硅成本居高不下的一大原因。

由于金剛石線鋸的種種缺點(diǎn)，激光切割技術(shù)被寄予厚望，激光切割技術(shù)可以通過激光處理在碳化硅晶錠內(nèi)部形成改質(zhì)層，并從碳化硅晶體上剝離出晶片，具有材料耗損少、晶片產(chǎn)出高、良率可控、切割效率高等優(yōu)勢。

從原理上看，在激光掃描碳化硅形成改質(zhì)層的過程中，激光會在指定位置精確地誘導(dǎo)材料內(nèi)部的微裂紋，均勻分布的微裂紋在材料中存在時，會使應(yīng)力場（熱應(yīng)力、機(jī)械應(yīng)力等）在微裂紋周圍產(chǎn)生集中效應(yīng)，當(dāng)機(jī)械劈裂施加折彎應(yīng)力時，應(yīng)力會因?yàn)楦馁|(zhì)層的存在而誘導(dǎo)到指定位置產(chǎn)生裂紋的擴(kuò)展，從而完成晶粒的精確分離，相同厚度的晶錠，激光切割出的襯底數(shù)量能提高50%以上。

垂直熱壁是外延生長爐發(fā)展趨勢

碳化硅外延生長方法有很多種，其中化學(xué)氣相沉積法（CVD）具有可以精確控制外延膜厚度和摻雜濃度、缺陷較少、生長速度適中、過程可自動控制等優(yōu)點(diǎn)，是目前碳化硅外延生長最常用的方法。

基于CVD法，碳化硅外延設(shè)備則發(fā)展出了不同的技術(shù)路線，比如冷壁和熱壁、水平進(jìn)氣和垂直進(jìn)氣等，各有自己的特點(diǎn)，不過在研究中發(fā)現(xiàn)，對比冷壁和熱壁CVD外延碳化硅的厚度均勻性（5%~2%）和濃度均勻性（15%~6%），熱壁CVD具有明顯的優(yōu)勢，因此目前在實(shí)際生產(chǎn)中熱壁CVD是應(yīng)用最廣泛的。

水平進(jìn)氣和垂直進(jìn)氣同樣有著各自的一些特點(diǎn)，如水平進(jìn)氣設(shè)備本身便宜、?工藝容易上手，垂直進(jìn)氣設(shè)備輸出穩(wěn)定、PM性能優(yōu)良，目前在碳化硅外延產(chǎn)業(yè)中占據(jù)著各自的位置，但是從自動化、兼容性和量產(chǎn)的角度看，垂直進(jìn)氣代表著碳化硅外延行業(yè)的未來。

Ishida研究發(fā)現(xiàn)，如果氣體流向平行或傾斜于襯底，就會有大量氣體無法參與外延生長而流失，而如果氣體流向 90?垂直于襯底，氣體直接流向襯底表面進(jìn)行生長，就較少浪費(fèi)，氣流方向垂直于襯底的情況下，在襯底與進(jìn)氣口之間配置與襯底直徑相同或相近的導(dǎo)氣筒時，可獲得最大生長速率。

這類CVD爐的代表是Nuflare的EPIREVOS6設(shè)備，據(jù)了解它的生長速率可以達(dá)到50μm/h以上，且外延片表面缺陷密度可控制在0.1cm-2以下；在均勻性控制方面，10μm厚6英寸外延片的片內(nèi)均勻性結(jié)果，片內(nèi)厚度和摻雜濃度不均勻性分別達(dá)到1%和2.6%。

隨著新能源汽車以及光伏儲能等行業(yè)的發(fā)展，對碳化硅功率器件的需求呈現(xiàn)爆發(fā)式的增長，而目前碳化硅產(chǎn)業(yè)卻面臨著良率過低和價格太高等難題，襯底及外延作為占據(jù)著大部分成本的環(huán)節(jié)，迭代更新從長晶、切割到外延生長等流程的技術(shù)工藝，是解決目前產(chǎn)業(yè)困境的必然選擇。

4、高速旋轉(zhuǎn)垂直熱壁CVD外延生長n型4H-SiC膜的研究

原文始發(fā)于微信公眾號（艾邦半導(dǎo)體網(wǎng)）：液相法、激光切割……，正在迭代應(yīng)用的碳化硅新工藝介紹