8英寸碳化硅晶圆技术有多难-晶圆压膜机

[发布日期：2023-02-09 16:54:04]　点击：

　　包括SiC在内的第三代半导体产业链包括包括衬底→外延→设计→制造→封装。其中，衬底是所有半导体芯片的底层材料，起到物理支撑、导热、导电等作用;外延是在衬底材料上生长出新的半导体晶层，这些外延层是制造半导体芯片的重要原料，影响器件的基本性能;设计包括器件设计和集成电路设计，其中器件设计包括半导体器件的结构、材料，与外延相关性很大;制造需要通过光刻、薄膜沉积、刻蚀等复杂工艺流程在外延片上制作出设计好的器件结构和电路;封装是指将制造好的晶圆切割成裸芯片。

　　SiC器件成本高的一大原因就是SiC衬底制造困难。数据显示，衬底成本大约占晶片加工总成本的50%，外延片占25%，器件晶圆制造环节20%，封装测试环节5%。SiC衬底不止贵，生产工艺还复杂，与硅相比，SiC很难处理。

　　与传统的单晶硅使用提拉法制备不同，目前规模化生长SiC单晶主要采用物理气相输运法(PVT)或籽晶的升华法。这也就带来了SiC晶体制备的两个难点：

　　1、 生长条件苛刻，需要在高温下进行。一般而言，SiC气相生长温度在 2300℃以上，压力 350MPa，而硅仅需 1600℃左右。高温对设备和工艺控制带来了极高的要求，生产过程几乎是黑箱操作难以观测。如果温度和压力控制稍有失误，则会导致生长数天的产品失败。

　　2、 生长速度慢。PVT 法生长SiC的速度缓慢，7 天才能生长 2cm 左右。而硅棒拉晶 2-3 天即可拉出约 2m 长的 8 英寸硅棒。

　　碳化硅生长炉的技术指标和工艺过程中的籽晶制备、生长压力控制、温度场分布控制等因素，决定了单晶质量和主要成本

　　另一方面，SiC存在 200 多种晶体结构类型，其中六方结构的 4H 型(4H-SiC)等少数几种晶体结构的单晶型SiC才是所需的半导体材料，在晶体生长过程中需要精确控制硅碳比、生长温度梯度、晶体生长速率以及气流气压等参数，否则容易产生多晶型夹杂，导致产出的晶体不合格。

　　PVT法生长的SiCk单晶一般是短圆柱状，柱状高度(或长度)在20 mm以内，需要通过机械加工整形、切片、研磨、抛光等化学机械抛光和清洗等工艺，才能成为器件制造前的衬底材料。这一机械、化学的制造过程普遍存在着加工困难、制造效率低、制造成本高等问题。SiC单晶加工关注点是晶片不仅具备良好的几何形貌，如总厚度变化、翘曲度、变形，而且具备较高的晶片表面质量(微粗糙度、划伤等)。此外，还要考虑单晶加工的效率和成本问题，这也就给SiC衬底制备提出很大的挑战。

　　单晶的生长缺陷，主要是SiC 晶片大面积应用中的螺旋位错(称为微管)。目前先进的技术指标是直径100 mm以上的SiC，其微管缺陷密度小于1 每平方厘米。150 mm的SiC材料制备技术，2014年国内已经取得了突破。但规模化生产制造SiC晶片，达到低微管密度或零缺陷质量还存在一些技术工艺问题。

　　SiC器件制造必须要经过外延步骤，外延质量对器件性能影响很大。SiC基器件与传统的硅器件不同，SiC衬底的质量和表面特性不能满足直接制造器件的要求，因此在制造大功率和高压高频器件时，不能直接在SiC衬底上制作器件，而必须在单晶衬底上额外沉积一层高质量的外延材料，并在外延层上制造各类器件，目前效率也比较低。另外SiC的气相同质外延一般要在 1500℃以上的高温下进行。由于有升华的问题，温度不能太高，一般不能超过 1800℃，因而生长速率较低。

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