碳化硅器件的生产流程碳化硅有哪些优劣势？.docx

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1、碳化硅器件的生产流程，碳化硅有哪些优劣势?目录1 .碳化硅概述12 .碳化硅的理化性质22.1.碳化硅的物理性能22.2.碳化硅的化学成分与性能33.碳化硅器件的生产流程41.碳化硅概述利用碳化硅陶瓷的高热导性能，绝缘性好作为大规模集成电路的基片和封装材料。碳化硅发热体是一种常用的加热元件，由于它具有操作简单方便，使用寿命长，使用范围广等优点，成为发热材料中最经久耐用且价廉物美的一种，使用温度可达1600碳化硅还可用于做避雷器的阀体和远红外线发生器等。SiC碳化硅是由碳元素和硅元素组成的一种化合物半导体材料，是制作高温、高频、大功率、高压器件的理想材料之一。碳化硅原材料核心优势体现在：(1)耐

2、高压：更低的阻抗、更宽的禁带宽度，能承受更大的电流和电压，带来更小尺寸的产品设计和更高的效率；(2)耐高频：SiC器件在关断过程中不存在电流拖尾现象，能有效提高元件的开关速度(大约是Si的3-10倍)，适用于更高频率和更快的开关速度；(3)耐高温：SiC相较硅拥有更高的热导率，能在更高温度下工作。相比传统的硅材料(Si),碳化硅(SiC)的禁带宽度是：1)硅的3倍；2)导热率为硅的4-5倍；3)击穿电压为硅的8-10倍；4)电子饱和漂移速率为硅的2-3倍。具体如下图所示：第一代半导体第三代半导体倍数符注指标参数Si4H-SiC6H-SiC4HSC与S16HSIC与S1禁带宽度（eV）1.123

3、.2632.92.7禁带宽度越大，耐高妹和高温性能越好击穿电场强度（MVZcm）0.33510.016.7击穿电场强度越高，越耐高压饱和电/潦移速率（107CnvS）12.72.7电子迁移速率越高，电阻力越小，工作频率越高热导率（Wcm*K）1.34.93.8热导率越高，越耐品温长一速度（mmh）3000.4750碳化硅晶体生长过程极其缓慢，生产效率良率约90%料底环节约50外延环节约95%约2碳化硅生产制蔷环节损耗高，6寸衬底单价（元/片）300-400600015-20生产的A1据2而解/衬底价格很高SiC碳化硅器件是指以碳化硅为原材料制成的器件，按照电阻性能的不同分为导电型碳化硅功率器件

4、和半绝缘型碳化硅基射频器件。导电型碳化硅功率器件主要是通过在导电型衬底上生长碳化硅外延层，得到碳化硅外延片后进一步加工制成，品种包括肖特基二极管、MOSFET、IGBT等，主要用于电动汽车、光伏发电、轨道交通、数据中心、充电等基础建设。半绝缘型碳化硅基射频器件是通过在半绝缘型碳化硅衬底上生长氮化钱外延层，制得碳化硅基氮化钱外延片后进一步制成，包括HEMT等氮化钱射频器件，主要用于5G通信、车载通信、国防应用、数据传输、航空航天。2.1.2.2. 碳化硅的物理性能1）碳化硅：具有硬度高、耐高温、化学稳定性和导热性好特点，成为优良的耐火材料；同时它具有半导体性质使得是一种好的高温半导体；它的强度和

5、耐热冲击性能高而成为功能陶瓷的代表性材料。2）五个方面:2.1） 硬度：I-滑石，2-石膏，3-方解石，4-萤石，5-磷灰石，6-钾长石，7-石英玻璃，8-水晶，9-黄玉，10-石榴石，II-熔融钻石，12-棕刚玉，13-黑碳化硅，14-碳化硼，15-金刚石。2.2） 颜色：工业碳化硅按其颜色分为黑、绿两个品种，高纯碳化硅是无色的。通常将黄色、无色归入绿碳化硅，蓝色归入黑碳化硅。2.3） 粒度：各号磨料产品都不是单一尺寸的颗粒，也不是尺寸仅在两个相邻筛网孔径之间的粒群，它们都是跨越几个筛号的若干个粒群的组合。粒度组成以各粒群所占的重量百分数表示。24）颗粒密度：黑、绿碳化硅3.20gCm32.

6、5） 堆积密度：黑、绿碳化硅13-16gCm32.2.碳化硅的化学成分与性能1碳化硅分子式SiC,其中Si占70.045%,C占29.955%o除了FC和Fe2O3b,碳化硅磨料中常见的杂质还有FSi、FSiO2AkGa、Mg等。2）存在形式：FSi一部分溶解在碳化硅晶体中，一部分与其他金属杂质成合金状态存在。FSiOz通常存在与晶体表面，FC一部分包裹在碳化硅晶体中，一部分和金属杂质形成碳化物，Fe、AkGa、Mg大都呈合金状态或碳化物状rO3）杂质的影响：一般来说，随着碳化硅的粒度变细，其纯度因杂质成分增加而降低，这主要是因为杂质往往较SiC晶体易于破碎以及碳化硅采用表面分析法的缘故。4碳

7、化硅的化学稳定性与其氧化特性有密切关系2。碳化硅本身很容易氧化，但它氧化之后形成了一层二氧化硅薄膜，氧化进程逐步被阻碍。在空气中，碳化硅于800时就开始氧化，但很缓慢；随着温度升高，则氧化速度急速加快。碳化硅的氧化速率，在氧气中比在空气中快16倍；氧化速率的速度随着时间推移而减慢。如果以时间推移对氧化的数量描图，可以得到典型的抛物线图形。这反映出二氧化硅保护层对碳化硅氧化速率的阻碍作用。氧化时，若同时存在着能将二氧化硅薄膜移去或使之破裂的物质，则碳化硅就易被进一步氧化。例如：铁、镒等金属有几种化合价，其氧化物能将碳化硅氧化，并且又能与二氧化硅生成低熔点化合物，能侵蚀碳化硅。例如，Feo在130

8、0、MnO在1360C能侵蚀碳化硅；而CaOMgO在IOO(TC就能侵蚀碳化硅。水蒸汽与碳化硅在高温下反应相当强烈，于I1o(TC以上时，视情况不同，可生成硅、碳或二氧化硅。碳化硅在IOO(TC左右时，能与硫化氢等含硫化合物生成红棕色的硫化硅(SiS2或SiSjo这一反应也是碳化硅制品在烧成时色泽变红的原因之一。碳化硅陶瓷具有较强的耐酸耐碱性能，其与碳化鸨、氧化铝在各种溶液中的抗腐蚀质量减少值如表2-1所示。表2-1各种碳化硅陶瓷与碳化鸨、氧化铝在各种溶液中的抗腐蚀质量减少值，单位：mg(cm2a)试验液温度()无压烧结SiC反应烧结SiC碳化鸨氧化铝10%氢氟酸+57%硝酸251000100

9、016.025%盐酸700.20.985.072.045%氢氧化钾10010003.060.050%氢氧化钠1002.510005.075.053%氢氟酸250.27.98.020.070%硝酸10010007.085%磷酸100100098%硫酸1001.855.0100065.03.碳化硅器件的生产流程碳化硅从材料到半导体功率器件会经历单晶生长、晶锭切片、外延生长、晶圆设计、制造、封装等工艺流程。在合成碳化硅粉后，先制作碳化硅晶锭,然后经过切片、打磨、抛光得到碳化硅衬底，经外延生长得到外延片。外延片经过光刻、刻蚀、离子注入、金属钝化等工艺得到碳化硅晶圆，将晶圆切割成die,经过封装得到器件

10、,器件组合在一起放入特殊外壳中组装成模组。3工HtDIift务m”Aw*AS1TT“化MK数乘#CrrrAywon11T.It方学能4*aff入机KM1MH中电NIIftIHSfNniV中OtfH体比力年创M夕机11Ai1IiSeO.中电科特必晶体生长为碳化硅衬底制造最核心工艺环节，决定了碳化硅衬底的电学性质。SiC晶体生长方法主要有物理气相传输法（PVT法）、高温化学气相沉积法（CVD法）、顶部籽晶溶液生长法（TSSG法）等。其中，目前大规模产业化中主要采用PVT法。三种碳化硅衬底制作方法对比生长温度2300-2500oC2000-2300oC1400-1800oC优点设备成本低且结构简单耗

11、材成本低可持续生长晶体纯度高晶体缺陷少位错密度低长晶速度快结晶质量高掺杂可控性强扩径难度大长晶速度慢长晶尺寸小金属杂质残留缺点长晶速度慢缺陷密度高工艺设备昂贵耗材成本高发展现状现阶段商业化的主流技术已商业化使用处于实验室研究阶段资料来源：宽禁带半导体技术创新联盟，液相法碳化硅晶体生长及其物性研究，马来硅业有工2；养商证券研究所整理碳化硅长晶环节主要存在三点难点：（1）对温度和压力的控制要求高，其生长温度在2300C以上；（2）长晶速度慢，7天的时间大约可生长2cm碳化硅晶棒；（3）晶型要求高、良率低，碳化硅具备200多种晶型，只有少数几种晶体结构才可作为半导体材料。SiC衬底可分为半绝缘型和导

12、电型两类。半绝缘型衬底主要通过去除晶体中的各种杂质（尤其是浅能级杂质），来实现晶体本征高电阻率，而导电型衬底则是通过在晶体生长过程中引入氮元素，来实现低晶体电阻率。单晶衬底加工是通过对SiC晶体整形加工、切片加工、晶片研磨、抛光、检测、清洗等一系列机加工工序，制得透明或半透明、无损伤层、低粗糙度的SiC衬底的过程。晶体加工环节，切片和薄化为主要技术难点。切片是碳化硅单晶加工过程的第一道工序，切片的性能决定了后续薄化、抛光的加工水平。目前报道的碳化硅切片加工技术主要包括固结、游离磨料切片、激光切割、冷分离和电火花切片，其中往复式金刚石固结磨料多线切割是最常应用于加工碳化硅单晶的方法。但碳化硅硬度

13、高，需要大量的金刚石线锯和长达数小时的加工时间，且切片过程中多达40%的晶锭以碳化硅粉尘的形式成为废料，单个晶锭生产出的晶圆数量少，造成碳化硅功率器件成本高昂。相关企业逐步采用更为先进的激光切割和冷分离技术提高切片效率，如2016年DISCO开发的激光切片技术不用经历研磨过程，生产效率提升3-5倍，而且大大提高了加工精度，减少了加工损耗。DISCo研发的激光切片技术相较于现有技术的优势碳化硅的薄化主要通过磨削与研磨实现，但碳化硅断裂韧性较低，在薄化过程中易开裂，导致碳化硅晶片的减薄非常困难。目前多使用自旋转磨削，晶片自旋转的同时主轴机构带动砂轮旋转，同时砂轮向下进给，实现减薄。自旋转磨削虽可有

14、效提高加工效率，但砂轮经长时间使用易钝化，存在使用寿命短且晶片易产生表面与亚表面损伤的问题。为了解决这些问题，目前主要的技术包括超声振动辅助磨削和在线电解修整辅助磨削。碳化硅晶片的抛光工艺可分为粗抛和精抛，粗抛为机械抛光，目的在于提高抛光的加工效率。碳化硅单晶衬底机械抛光的关键研究方向在于优化工艺参数，改善晶片表面粗糙度，提高材料去除率。精抛为单面抛光，化学机械抛光是应用最为广泛的抛光技术，通过化学腐蚀和机械磨损协同作用，实现材料表面去除及平坦化。化学机械抛光技术涉及多学科知识，如化学、物理、摩擦、力学和材料学等，因此影响其抛光效果的因素很多，主要为抛光液（磨粒、氧化剂、PH值、添加剂等），抛光垫（硬度、弹性、表面形貌等）和抛光参数（抛光压力、抛光头/抛光盘转速、抛光液流量等）。展晨资本GMP过程示意图不同切割工艺的性能对比主要抛光条传统胶体二氧化硅电料+件制化剂H22对金刚石磨料抛光后的磁流变液（主要成分羟基铁等离子体晶片进行ECMP,磨料粉）+H2O2+Fe3O4+（He：H2O=98:2）+氧化为Ce2金刚石磨料铺磨料紫外线+Si2磨料+TiO2+(NaPO3)6+H2O图化+雌二毓化硅蝴+多准氨酯抛光垫+H2O2去除原理化学氧化+磨料磨损阳极普盅詈磨化学腐蚀+磁流变抛光等离子体氧化+磨料磨损紫外光催嚼蚀+磨料磨超声振皙器氧化+磨6曦晨资