如何加工碳化硅?
How to process 碳化硅?
- Silicon carbide is the key material of the power semiconductor industry, but its hardness makes every processing step demanding.
- SiC processing flows from crystal growth through slicing, grinding and polishing, with diamond-based tooling used at each hard-material step.
碳化硅 (原文如此) 材料是功率半导体行业的主要发展方向. 用于制造功率器件，可显著提高电能利用率. 在可预见的未来, 新能源汽车将是碳化硅功率器件的主要应用场景.
作为技术先锋, 特斯拉率先在Model中集成了全碳化硅模块 3, 等一线车企也在计划扩大碳化硅的应用. 随着碳化硅器件制造成本的降低和工艺技术的逐渐成熟, 碳化硅功率器件行业前景广阔.
什么是碳化硅?
碳化硅 (原文如此) 是第三代化合物半导体材料. 半导体产业的基石是芯片. 制造芯片的核心材料分为:
第一代半导体材料 (目前应用广泛的主要是高纯度硅), 第二代化合物半导体材料 (砷化镓, 磷化铟), 第三代化合物半导体材料 (碳化硅, 氮化镓).
由于其优越的物理性能: 高带隙 (对应高击穿电场和高功率密度), 高导电性, 和高导热性, 碳化硅将是未来制造半导体芯片应用最广泛的基础材料.
半导体芯片中碳化硅的主要形式是衬底. 半导体芯片分为集成电路和分立器件, 但无论是集成电路还是分立器件, 其基本结构可分为 “衬底-外延-器件” 结构. 碳化硅在半导体中的主要形式是作为衬底材料.
碳化硅晶圆是通过切割形成的单晶薄片, 研磨, 抛光, 碳化硅晶体的清洗等工艺. 作为半导体基板材料, 碳化硅晶圆可以通过外延生长制成碳化硅基功率器件和微波射频器件, 器件制造等环节, 是第三代半导体产业发展的重要基础材料.
根据电阻率不同, 碳化硅晶片可分为导电型和半绝缘型. 其中, 导电碳化硅晶圆主要用于制造高温高压功率器件, 市场规模大; 半绝缘碳化硅衬底主要应用于微波射频器件等领域.
随着5G通信网络的加速建设, 市场需求大幅增加。碳化硅的硬度仅次于金刚石. 它不仅具有高硬度的特点, 还具有高脆性和低断裂韧性.
碳化硅加工工艺
碳化硅晶圆以高纯硅粉和高纯碳粉为原料, 并使用物理蒸汽传输 (PVT公司) 生长碳化硅晶体并将其加工成碳化硅晶圆.
（1）原料合成. 将高纯硅粉和高纯碳粉按一定比例混合, 碳化硅颗粒在高温下反应合成 2,000 °C. 压碎后, 清洁和其他工艺, 获得满足晶体生长要求的高纯碳化硅微粉原料.
（2）晶体生长. 以高纯度碳化硅微粉为原料, 采用自主研发的晶体生长炉, 碳化硅晶体采用物理气相传输法生长 (PVT法).
将高纯度碳化硅粉末和晶种晶置于单晶生长炉中圆柱密封石墨坩埚的底部和顶部, 分别.
坩埚通过电磁感应加热至2000°C以上, 并且控制种子晶体处的温度略低于微粉下部的温度, 在坩埚中形成轴向温度梯度.
碳化硅微粉在高温下升华形成Si2C, 碳化硅2, 气相中的Si和其他物质, 并由温度梯度驱动，以较低的温度到达种子晶体, 并在其上结晶形成圆柱形碳化硅锭.
（3）铸锭加工. 制备的碳化硅锭采用X射线单晶取向仪取向, 然后接地, 推出, 和 裁剪碳化硅 标准直径尺寸的晶体. 最新流程 碳化硅的裁剪 Crystals 使用 金刚石线环锯 用于裁剪.
（4）晶体切割. 使用多线切割设备, 碳化硅晶体被切割成厚达1mm的薄片.
（5）晶圆研磨. 晶圆通过不同粒径的金刚石浆料研磨成所需的平整度和粗糙度.
（6）晶圆抛光. 表面无损伤的碳化硅抛光片通过机械抛光和化学机械抛光得到.
（7）晶圆检测.
使用光学显微镜, X射线衍射仪, 原子力显微镜, 非接触式电阻率测试仪, 表面平整度测试仪, 表面缺陷综合测试仪等设备, 检测微管密度, 晶体质量, 表面粗糙度, 电阻 率, 翘 曲, 曲率, 厚度变化, 碳化硅晶圆的表面划痕和其他参数, 并据此确定晶圆的质量水平.
（8）晶圆清洗. 碳化硅抛光片用清洗剂和纯水清洗，以去除抛光片上残留的抛光液等表面污染物, 然后用超高纯氮气和干燥机吹制晶圆干燥; 洁净室封装在干净的晶圆盒中，形成碳化硅晶圆，可供下游使用.
晶圆尺寸越大, 生长和加工相应的晶体越困难, 下游器件制造效率越高，单位成本越低. 现在, 国际碳化硅晶圆厂家主要提供4英寸至6英寸碳化硅晶圆, 而CREE和II-VI 等国际龙头企业也开始投资建设8英寸碳化硅晶圆生产线.
常见问题
How is silicon carbide processed?
A SiC boule is grown, then sliced into wafers with diamond wire, ground and lapped with diamond abrasives, and finally polished to an epi-ready surface.
Why is SiC so difficult to process?
Its Mohs 9+ hardness wears conventional tools rapidly, and its brittleness makes cracks and chipping likely under mechanical or thermal stress.
技术内容由Ensoll工程团队审核——一家金刚线环制造商 10+ 多年生产经验.
