SiC襯底生產流程、制備方法、難度及降本方法有哪些？

SiC 襯底制備困難導致高成本。

SiC 襯底生產流程與硅基類似，晶體為流程核心： 1） 原料合成&晶體生長。將高純硅粉和高純碳粉按一定配比混合，在 2000℃ 以上的高溫下反應合成 SiC 顆粒。經過破碎、清洗等工序，制得滿足晶體生長要 求的高純度 SiC 微粉原料。并以高純度 SiC 微粉為原料，使用晶體生長爐生長 SiC 晶體。 2） 晶錠加工&切割。將制得的 SiC 晶錠使用 X 射線單晶定向儀進行定向后磨 平、滾磨，加工成標準直徑尺寸的 SiC 晶體。使用多線切割設備，將 SiC 晶體 切割成厚度不超過 1mm 的薄片。

3） 晶片研磨&拋光。通過不同顆粒粒徑的金剛石研磨液將晶片研磨到所需的平 整度和粗糙度，并利用機械拋光和化學機械拋光方法得到表面無損傷的 SiC 拋 光片。 4） 晶片檢測。使用光學顯微鏡、X 射線衍射儀、原子力顯微鏡、非接觸電阻率 測試儀、表面平整度測試儀、表面缺陷綜合測試儀等儀器設備，檢測 SiC 晶片的 微管密度、結晶質量、表面粗糙度、電阻率、翹曲度、彎曲度、厚度變化、表面 劃痕等各項參數指標，據此判定晶片的質量等級。 5） 晶片清洗。以清洗藥劑和純水對 SiC 拋光片進行清洗處理，去除拋光片上殘 留的拋光液等表面污物，再通過超高純氮氣和甩干機將晶片吹干、甩干將晶片在 超凈室封裝在潔凈片盒內形成可供下游即開即用的 SiC 晶片。

物理氣相傳輸法是制備 SiC 襯底最常用的方法。目前 SiC 晶體生長包括物理氣 相傳輸法（PVT）、高溫化學氣相沉積法（HT-CVD）、液相法（LPE）三種。 1）PVT 法將高純 SiC 微粉和籽晶分別置于單晶生長爐內圓柱狀密閉的石墨坩 堝下部和頂部，用中頻感應線圈將坩堝加熱至 2000℃以上并控制籽晶處溫度略 低于下部微粉，SiC 微粉在溫度梯度下升華形成硅原子、SiC2 分子、Si2C 分子等不同氣相組分的反應氣體，并在籽晶上結晶形成圓柱狀 SiC 晶錠，生長速率一 般為 0.2-0.4mm/h 左右。 2）HT-CVD 法是 SiH4、C2H4、C3H8 等反應氣體和載氣從底部通入向上輸 運，到達放置在頂端的籽晶夾具處，在 18000-2300℃加熱區域內部完全分解 并發生反應形成硅和 SiC 團簇，這些團簇升華并在籽晶上生長。然后，殘余氣體 從反應室頂部排出，生長速率一般為 0.3-1mm/h 左右。

3）LPE 法以 1800℃熔融硅作為溶劑、以坩堝內壁的石墨作為溶質，構成碳飽 和的硅熔體。SiC 籽晶粘結在石墨棒底端。由于固液界面相對于熔體內部溫度較 低，從而使籽晶附近的熔體處于過飽和狀態，SiC 沿襯底的晶體結構沉析出來成 長為晶體，每小時 0.5-2mm/h 左右。 因設備價格低、溫度場調節靈活等優勢，PVT 法是目前技術成熟度最高、應用最 廣泛的方法。而氣態的高純碳源和硅源比高純 SiC 粉末更容易獲得，并且由于氣 態源幾乎沒有雜質，HT-CVD 法更容易生長出高純半絕緣（HPSI）半導體，通 過控制通入的氮或者硼的流量，就可以控制 SiC 晶體的摻雜和導電強弱。液相法 由于生長過程處于穩定的液相中，沒有螺旋位錯、邊緣位錯、堆垛層錯等缺陷， 生長晶體因尺寸較小目前僅用于實驗室生長，但卻是另一種重要的方向和未來發 展的儲備。

SiC 襯底制備難度大導致其價格居高不下。對比傳統硅材，SiC 襯底制備具有晶 體溫度要求嚴格、良率低、時間長等特點，導致成本價格居高不下，是硅基襯底 的 4-5 倍。 1）溫場控制困難：Si 晶棒生長只需 1500℃，而 SiC 晶棒需要在 2000℃以上 高溫下進行生長，并且 SiC 同質異構體有 250 多種，但用于制作功率器件的主 要是 4H-SiC 單晶結構，如果不做精確控制，將會得到其他晶體結構。此外，坩 堝內的溫度梯度決定了 SiC 升華傳輸的速率、以及氣態原子在晶體界面上排列 生長方式，進而影響晶體生長速度和結晶質量，因此需要形成系統性的溫場控制 技術。與 Si 材料相比，SiC 生產的差別還在如高溫離子注入、高溫氧化、高溫 激活等高溫工藝上，以及這些高溫工藝所需求的硬掩模工藝等。

2）晶體生長緩慢：Si 晶棒生長速度可達 30～150mm/h，生產 1-3m 的硅晶棒 僅需約 1 天的時間；而 SiC 晶棒以 PVT 法為例，生長速度約為 0.2-0.4mm/h， 7 天才能生長不到 3-6cm，長晶速度不到硅材料的百分之一，產能極為受限。 3）良品參數要求高、良率低：SiC 襯底的核心參數包括微管密度、位錯密度、 電阻率、翹曲度、表面粗糙度等，在密閉高溫腔體內進行原子有序排列并完成晶 體生長，同時控制參數指標，是復雜的系統工程。 4）材料硬度大、脆性高，切割耗時長、磨損高：SiC 莫氏硬度達 9.25 僅次于金 剛石，這導致其切割、研磨、拋光的加工難度顯著增加，將一個 3cm 厚的晶錠 切割 35-40 片大致需要花費 120 小時。另外，由于 SiC 脆性高，晶片加工磨損 也會更多，產出比只有 60%左右。

SiC 襯底成本可以通過做大尺寸、降低切割損耗和提高良率等方式下降。 1）大尺寸 SiC 襯底是重要發展方向。 SiC 襯底主要有 2 英寸（50mm）、3 英寸（75mm）、4 英寸（100mm）、6 英 寸（150mm）、8 英寸（200mm）英寸等規格。據 wolfspeed，從 6 英寸到 8 英寸，單片襯底可切割芯片數量由 488 增至 845 個，邊緣浪費由 14%減至 7%。 因此隨著襯底的尺寸越大，邊緣的浪費就越小、制備的芯片數量增多，促進單位 芯片成本的降低。因此，大尺寸是 SiC 襯底制備技術的重要發展方向。

國際 SiC 商業化襯底以 6 英寸為主，逐步向 8 英寸過渡。在半絕緣型 SiC 襯底 市場主流產品規格為 4 英寸；在導電型 SiC 襯底市場主流產品規格為 6 英寸。 行業領先者 Wolfspeed、II-VI、ST、Onsemi、Soitec、ROHM 等已成功研發 8 英寸產品，國際龍頭企業已陸續開始投資建設 8 英寸 SiC 晶片生產線，預計 5 年內 8 英寸全面商用。 國內 SiC 商業化襯底以 4 英寸為主，逐步向 6 英寸過渡。國內企業起步較晚， 研發進度稍慢，但也完成了 6 英寸襯底的布局，與國外差距不斷縮小。2020 年 山西爍科晶體 SiC 襯底項目投產，同時天科合達、河北同光晶體、南砂晶圓等幾 大襯底生產商均在擴張 6 英寸襯底產能。

2）提高材料使用效率： 提高襯底切割良率。由于 SiC 的莫氏硬度為 9.5，硬度與金剛石接近，只能用金 剛石材料進行切割，切割難度大，切割過程中易碎，保證切割過程穩定獲得低翹 曲度的晶片是技術難點之一，可以通過激光切割或其他技術手段減少當前線切割 工藝的損耗。例如英飛凌收購的 Siltectra 使用的一種冷切割技術基于激光的技 術采用化學物理過程，利用熱應力產生一種力，該力沿著所需的平面以極高的精 度分裂材料，并且幾乎不產生割縫損失。可使得原材料損耗從傳統 75%減至 50%， 減少耗材成本，同時能夠使單片晶圓產出的芯片數量翻倍。

國內大族激光已生產出 SiC 晶錠激光切片機、SiC 超薄晶圓激光切片機設備，運 用的 QCB 技術可在原來傳統線切割的基礎上大幅提升產能，以切割 2cm 厚度 的晶錠，分別產出最終厚度 350um、175um 和 100um 的晶圓為例，產能提升 幅度分別為 40%、120%和 270%，目前設備正處于量產驗證階段。

3）減少損耗、良率提升促 SiC 成本下降。目前主流商用的 PVT 法晶體缺陷控 制難度大導致襯底良率低，各廠商通過技術投入研發逐年提升 SiC 襯底良率。例 如天岳先進設計不同尺寸 SiC 單晶生長爐，對坩堝、保溫進行了設計，實現了均 勻熱場結構，提升晶體質量和良率，其 SiC 襯底良率近年來保持在 70%以上。 Wolfspeed 的 8 英寸 SiC 襯底良率在經過化學機械拋光(CMP)后預期良率在 95%之上，因此擁有產品定價權。隨著襯底廠商完成低缺陷密度單晶生長工藝及 厚單晶生長工藝研發后，襯底單位面積價格將會快速的下降。