托起電力之芯——碳化硅單晶襯底的生產_風聞

马氏体-04-09 05:09

2023-04-09

從製造集成電路的第一代半導體硅和鍺，到用於光電和射頻領域的第二代半導體砷化鎵、磷化銦，再到以碳化硅、氮化鎵為代表的第三代半導體，半導體材料早已進入到生產生活的方方面面。

與應用最廣泛的硅相比，第三代半導體最重要的特點是禁帶寬度大（硅1.1eV、碳化硅3.2eV、氮化鎵3.4eV），且具有更高的飽和電子漂移速率，因而在高壓、高頻器件中有着獨到的優勢。此外，碳化硅具有比硅高得多的熱導率，有更強的耐熱能力。在電動汽車、5G通信等領域，第三代半導體的應用方興未艾。

和生產芯片需要單晶硅片一樣，第三代半導體器件的製造離不開單晶襯底。以高純半絕緣型碳化硅為例，生長單晶的原料是由高純碳粉和硅粉合成得到的高純碳化硅粉末，直觀上看，顏色越白，則純度越高（雜質含量低於百萬分之五）。

單晶硅是通過提拉法從液態硅中生長出來的，但碳化硅加熱後不會熔化成液態，而是直接分解為碳和硅，因此較難通過液相方法獲得碳化硅單晶。目前主流的碳化硅單晶製備方法是物理氣相傳輸法（Physical Vapor Transport，PVT），將碳化硅粉料加熱昇華（分解為Si原子、Si2C、SiC2分子等蒸氣），再冷凝到籽晶上，實現單晶的生長。

碳化硅有200多種晶型，最常用的是4H型六方碳化硅。需要精細調控單晶爐內的條件，才能長出特定的晶型。

氣相傳輸的機制決定了碳化硅單晶的生長速度非常緩慢。在2300多℃的高温中，經歷7到10天的生長，才能獲得幾釐米厚度的晶錠。

晶錠經過滾圓、定向（用X射線衍射確定晶錠的取向，然後在側面磨出一個平面作為標記），加工成短晶棒。

將多個短晶棒首尾相連粘結成一根長棒，用多線切割機切成半毫米厚的晶片。

碳化硅的莫氏硬度超過9，只能由金剛石出馬來切割。通過電鍍把金剛石粉末粘結在細鋼絲上，製成金剛線。多線切割機使用多道平行排列的金剛線同時切割晶棒，從而高效率地切出晶片。

對晶片進行研磨和機械拋光，去除切割導致的晶片表面損傷。這同樣需要含有金剛石粉末的研磨、拋光液。

機械研磨和拋光會在晶片表面留下劃痕，影響器件質量。因此，還要使用化學機械拋光（Chemical Mechanical Polishing，CMP）的方法進行精拋。這是以一定的壓力把晶片壓在旋轉的拋光墊上作相對運動，藉助拋光液中磨料（如二氧化硅納米顆粒）的機械研磨作用和化學試劑（如雙氧水、氫氧化鈉）的腐蝕作用，去除劃痕，達到納米級的表面粗糙度。這樣得到的就是碳化硅拋光片。

高純碳化硅晶片近乎無色透明，其中能起到傳導作用的電子濃度很低，電阻率很高，因此被稱為半絕緣型。它們主要被用作外延生長氮化鎵單晶薄膜的襯底（大塊氮化鎵單晶的製備很困難，但可以利用碳化硅和氮化鎵晶體結構的匹配性，在碳化硅晶片上沉積氮化鎵，相比於硅片襯底，碳化硅襯底具有更高的熱導率，能夠支持更大的功率），作為射頻器件，用於雷達、通信等領域。

如果在碳化硅中摻入氮元素，就能引入額外的電子，大大提高碳化硅的導電性，獲得n型導電型碳化硅。由於氮元素摻雜產生的晶體缺陷吸收了可見光，這種碳化硅呈綠色。

在導電型碳化硅襯底上外延生長高質量的碳化硅單晶薄膜，可製成用於電能變換和電路控制的功率器件，應用於電網、軌道交通、新能源汽車、風電變流器、光伏逆變器等領域。

世界上電壓等級最高的特高壓柔性直流輸電工程——昆柳龍工程的廣西柳北換流站，由2592個柔性直流換流模塊構成的24座換流閥閥塔（由南方電網牽頭、特變電工研製生產），把從烏東德水電站輸送來的±800千伏、300萬千瓦直流電轉換為交流電，其中就用到中車集團中車時代電氣生產的硅基IGBT（絕緣柵雙極型晶體管）。如果使用碳化硅器件代替硅器件，由於碳化硅具有更高的擊穿電壓和更大的熱導率，在相同電壓和功率下碳化硅器件可以做得尺寸更小、數量更少，且碳化硅更快的電子遷移速率使得開關損耗更少。

目前碳化硅器件的應用仍然受限於高昂的成本，其中碳化硅襯底佔到器件總成本的百分之四五十。碳化硅襯底的尺寸越大，生產效率就越高，切割成方形的器件時邊角的損失也越少，從而能夠降低器件的成本。然而，要把碳化硅襯底做多、做大，卻面臨很大的技術困難：碳化硅單晶的生長條件苛刻、生長速度緩慢、晶型和缺陷控制難度大，單晶生長過程中的應力易導致晶片翹曲變形乃至破裂（需要通過退火消除晶體中的應力），碳化硅硬度大導致切割困難、表面粗糙度難以提高，等等。

目前在碳化硅單晶襯底領域，美國Wolfspeed公司、日本羅姆（ROHM）公司、美國Coherent公司（原 “II-VI” 貳陸公司）佔據了全球八成的市場份額，並開始將8英寸的大尺寸碳化硅襯底投入量產。目前，國內企業在產能、良率和大尺寸襯底生產技術上仍然有較大差距。

中國電子科技集團（中國電科）第二研究所旗下的山西爍科晶體有限公司從研製碳化硅單晶生產設備起步，歷時十餘年，逐步突破2英寸、4英寸、6英寸碳化硅襯底，也攻克了高純碳化硅粉料製備技術，實現碳化硅襯底供應鏈自主可控，並於2022年3月在國內率先研製出8英寸碳化硅襯底、投入小批量生產。此外，國內另有多家企業也實現了碳化硅單晶襯底的批量生產。