目前,碳化矽襯底的大規模工業化生產主要採用物理氣相傳輸:將高純碳化矽粉末填充石墨坩堝底部,將碳化矽晶種晶體鍵合在石墨坩堝蓋內,與原料表面保持一定距離,然後將石墨坩堝整體放置在石墨加熱元件中, 通過調節外部石墨氈的溫度,將碳化矽的原料置於高溫區,碳化矽晶種晶相應地處於低溫區。在2000°C以上的高溫下,碳化矽粉末分解成昇華的矽原子、SiC2分子、Si2C分子等氣相物質。 在溫度梯度的驅動下,氣相材料被輸送到低溫區,在碳化矽晶種晶的C面上成核結晶,然後生長成碳化矽晶體。 之後,將製備好的碳化矽晶體通過X射線單晶取向儀取向,然後通過整形加工、切片加工、晶圓研磨、拋光、測試、清洗等一系列加工工藝,製成透明或半透明、低損傷層、低粗糙度的碳化矽襯底。
碳化矽的技術難點如下:
1.碳化矽的純度難以控制:SiC粉體的合成過程中環境雜質較多,很難獲得高純度的粉體,因此在生產過程中需要嚴格控制外部雜質的引入
2.碳化矽生長溫度要求高,黑盒操作:矽晶體棒只需要生長1500,而碳化矽晶體棒需要在2000以上的高溫下生產,因此需要特殊的單晶爐。 溫度場是晶體生長過程的核心,對生長的碳化矽晶體的質量起著決定性作用。 然而,在石墨坩堝的黑匣子中無法實時觀察到晶體生長,這需要非常精確的熱場控制和材料匹配,經驗積累非常重要
3.對碳化矽晶型要求高:碳化矽的晶體結構型別有250多種,其中少數具有4H-SiC等晶體結構的單晶型碳化矽是所需的半導體材料,在晶體生長過程中應精確控制矽碳比、生長溫度梯度、晶體生長速率、氣流壓力等引數, 否則容易產生多晶型夾雜物,導致晶體不合格
4.碳化矽晶體生長速度慢,時間成本高:碳化矽晶體棒的厚度以每小時0左右的速度增長1 2mm小時,而矽錠可達30 150mm小時;生產週期中,長度約為2cm的碳化矽晶體棒大約需要7 10天,而長度為2m的矽晶體棒只需要3 4天即可生長;
5.晶體生長過程中出現的缺陷會極大地影響產品良率:如堆疊缺陷、微管、貫穿螺桿位錯(TSD)、通邊位錯(TED)、基平面位錯(BPD)等,這些都會極大地影響器件的最終良率
6.碳化矽材料硬度高,切削磨損高:碳化矽的硬度僅次於金剛石,切削、研磨、拋光等加工難度增加。 碳化矽在磨削過程中損失較多,成品率僅為60%左右。
目前,國產碳化矽襯底在外觀和基本電阻引數方面與國際領先產品相差不大,但在單晶效能一致性、良率、成本等方面存在較大差距,6英吋以上產品出貨量有限。
評價碳化矽襯底產品質量的核心引數主要包括直徑、微管密度、多型別面積、電阻率範圍、總厚度變化、彎曲、翹曲、表面粗糙度等。
產品直徑、總厚度變化、電阻率、表面粗糙度等指標與國內生產相差不遠。 國產4英吋、6英吋碳化矽襯底與海外廠家基本相同;國內對微管的控制存在差距,微管的存在可能導致漏電流過大甚至器件擊穿,廠家致力於未來降低微管的密度,一些領先的碳化矽企業如II-VI,可以將4-6英吋產品的微管密度控制在0在1cm-2以下,國內廠家產品的微管密度基本為05-5cm-2,有間隙;同時,國內企業在單晶效能一致性、良率、成本等單晶質量指標方面仍存在較大差距,尤其是在6英吋以上的大尺寸襯底上。 國產產品的主要係數可以滿足要求,但波動性較大,會給後端加工帶來麻煩,車規等級的需求對穩定性也有要求。 半導體