第三代半導體材料之碳化硅（SiC）
2021-10-11
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中國粉體網訊
碳化硅（SiC）材料是功率半導體行業(yè)主要進步發(fā)展方向，用于制作功率器件，可顯著提高電能利用率。可預見的未來內，新能源汽車是碳化硅功率器件的主要應用場景。特斯拉作為技術先驅，已率先在Model 3中集成全碳化硅模塊，其他一線車企亦皆計劃擴大碳化硅的應用。隨著碳化硅器件制造成本的日漸降低、工藝技術的逐步成熟，碳化硅功率器件行業(yè)未來可期。什么是碳化硅碳化硅（SiC）是第三代化合物半導體材料。半導體產業(yè)的基石是芯片，制作芯片的核心材料按照歷史進程分為：第一代半導體材料（大部分為目前廣泛使用的高純度硅），第二代化合物半導體材料（砷化鎵、磷化銦），第三代化合物半導體材料（碳化硅、氮化鎵） 。碳化硅因其優(yōu)越的物理性能：高禁帶寬度（對應高擊穿電場和高功率密度）、高電導率、高熱導率，將是未來最被廣泛使用的制作半導體芯片的基礎材料。 碳化硅在半導體芯片中的主要形式為襯底。半導體芯片分為集成電路和分立器件，但不論是集成電路還是分立器件，其基本結構都可劃分為“襯底-外延-器件” 結構。碳化硅在半導體中存在的主要形式是作為襯底材料。 碳化硅晶片是碳化硅晶體經過切割、研磨、拋光、清洗等工序加工形成的單晶薄片. 碳化硅晶片作為半導體襯底材料，經過外延生長、器件制造等環(huán)節(jié)，可制成碳化硅基功率器件和微波射頻器件，是第三代半導體產業(yè)發(fā)展的重要基礎材料。 根據(jù)電阻率不同，碳化硅晶片可分為導電型和半絕緣型。其中，導電型碳化硅晶片主要應用于制造耐高溫、耐高壓的功率器件，市場規(guī)模較大；半絕緣型碳化硅襯底主要應用于微波射頻器件等領域，隨著 5G 通訊網絡的加速建設，市場需求提升較為明顯。碳化硅加工工藝研究 SiC的硬度僅次于金剛石，可以作為砂輪等磨具的磨料，因此對其進行機械加工主要是利用金剛石砂輪磨削、研磨和拋光，其中金剛石砂輪磨削加工的效率最高，是加工SiC的重要手段。但是SiC材料不僅具有高硬度的特點，高脆性、低斷裂韌性也使得其磨削加工過程中易引起材料的脆性斷裂從而在材料表面留下表面破碎層，且產生較為嚴重的表面與亞表層損傷，影響加工精度。因此，深入研究SiC磨削機理與亞表面損傷對于提高SiC磨削加工效率和表面質量具有重要意義。 1、硬脆材料的研磨機理 對硬脆材料進行研磨，磨料對其具有滾軋作用或微切削作用。磨粒作用于有凹凸和裂紋的表面上時，隨著研磨加工的進行，在研磨載荷的作用下，部分磨粒被壓入工件，并用露出的尖端劃刻工件的表面進行微切削加工。另一部分磨粒在工件和研磨盤之間進行滾動而產生滾軋作用，使工件的表面形成微裂紋，裂紋延伸使工件表面形成脆性碎裂的切屑，從而達到表面去除的目的。 因為硬脆材料的抗拉強度比抗壓強度要小，對磨粒施加載荷時，會在硬脆材料表面的拉伸應力的最大處產生微裂紋。當縱橫交錯的裂紋延伸且相互交叉時，受裂紋包圍的部分就會破碎并崩離出小碎塊。此為硬脆材料研磨時的切屑生成和表面形成的基本過程。 由于碳化硅材料屬于高硬脆性材料，需要采用專用的研磨液，碳化硅研磨的主要技術難點在于高硬度材料減薄厚度的精確測量及控制，磨削后晶圓表面出現(xiàn)損傷、微裂紋和殘余應力，碳化硅晶圓減薄后會產生比碳化硅晶圓更大的翹曲現(xiàn)象。 2、碳化硅的拋光加工研究 目前碳化硅的拋光方法主要有：機械拋光、磁流變拋光、化學機械拋光（CMP）、電化學拋光（ECMP）、催化劑輔助拋光或催化輔助刻蝕（CACP/CARE）、摩擦化學拋光（TCP，又稱無磨料拋光）和等離子輔助拋光（PAP）等。 化學機械拋光（CMP）技術是目前半導體加工的重要手段，也是目前能將單晶硅表面加工到原子級光滑最有效的工藝方法，是能在加工過程中同時實現(xiàn)局部和全局平坦化的唯一實用技術。 CMP的加工效率主要由工件表面的化學反應速率決定。通過研究工藝參數(shù)對SiC材料拋光速率的影響，結果表明：旋轉速率和拋光壓力的影響較大；溫度和拋光液pH值的影響不大。為提高材料的拋光速率應盡量提高轉速，雖然增加拋光壓力也可提高去除速率，但容易損壞拋光墊。 目前的碳化硅拋光方法存在著材料去除率低、成本高的問題，且無磨粒研拋、催化輔助加工等加工方法，由于要求的條件苛刻、裝置操作復雜，目前仍處在實驗室范圍內，批量生產的實現(xiàn)可能性不大。 人類1905年 第一次在隕石中發(fā)現(xiàn)碳化硅，現(xiàn)在主要來源于人工合成，碳化硅有許多用途，行業(yè)跨度大，可用于單晶硅、多晶硅、砷化鉀、石英晶體等、太陽能光伏產業(yè)、半導體產業(yè)、壓電晶體產業(yè)工程性加工材料。碳化硅加工工藝流程 碳化硅晶片是以高純硅粉和高純碳粉作為原材料，采用物理氣相傳輸法（PVT） 生長碳化硅晶體，加工制成碳化硅晶片。 ①原料合成。將高純硅粉和高純碳粉按一定配比混合，在 2,000℃以上的高溫下反應合成碳化硅顆粒。再經過破碎、清洗等工序，制得滿足晶體生長要求的高純度碳化硅微粉原料。 ②晶體生長。以高純……
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