碳化硅衬底制备的重点与难点

碳化硅生产流程包含材料端衬底与外延的制备，以及后续芯片的设计与制造，再到器件的封装，最终流向下游应用市场。其中衬底材料是碳化硅产业中最具挑战性的环节。碳化硅衬底既硬且脆，切割、研磨、抛光的难度都很高，这导致加工过程中更容易产生废品，降低良品率。目前国际碳化硅大厂多在筹划将碳化硅晶圆从6英寸转向8英寸。而如何克服8英寸衬底难关成为衡量碳化硅产业的重要指标。

▲碳化硅衬底类型及应用领域

碳化硅按衬底制备方式以及面向的下游应用分可为两种类型。一种是通过生长碳化硅同质外延，下游用于新能源汽车、光伏、工控、轨交等功率领域的导电型衬底，外延层上制造各类功率器件；另一种是通过生长氮化镓异质外延，下游应用于5G通讯、国防等射频领域的半绝缘型衬底，主要用于制造氮化镓射频器件。我们将聚焦于碳化硅衬底层面进行分析。

碳化硅衬底制备环节主要包括原料合成、碳化硅晶体生长、晶锭加工、晶棒切割、切割片研磨、研磨片抛光、抛光片清洗等环节，其中制备重难点主要是晶体生长和切割研磨抛光环节，是整个衬底生产环节中的重点与难点，成为限制碳化硅良率与产能提升的瓶颈。

该环节是多学科交叉知识的应用，综合生长条件控制、生长效率、缺陷控制等因素，物理气相传输法(PVT)是技术成熟度最高、应用最广泛的方法，具有设备成本低、结构简单、技术成熟等优点。国际龙头Wolfspeed、II-VI公司、SiCrystal(Rohm子公司)等衬底生产企业均采用物理气相传输法。

晶体生长难点：

● 长晶速度慢。碳化硅生长速度仅有0.3-0.5mm/h，且晶体最大长度仅能达到2-5cm，与硅基衬底有着较大的差异。并且随着碳化硅晶体尺寸扩大，其生长工艺难度呈几何级增长。

● 黑箱操作良率低。碳化硅衬底核心参数包括微管密度、位错密度、电阻率、翘曲度、表面粗糙度等。其生产过程完全处于高温的密闭石墨腔体中完成，需要在密闭高温腔体内进行原子有序排列并完成晶体生长、同时控制参数指标，非常依赖厂商的工艺经验。因此稳定量产各项性能参数指标波动幅度较低的高品质碳化硅晶片的技术难度很大，易产生各类缺陷等问题导致晶体生长环节难度大、良率低、产量小。

●  碳化硅晶体结构类型众多，但仅其中少数几种晶体结构的碳化硅为所需材料， 杂质控制难度高，故在晶体生长过程中，需精确控制硅碳比、生长温度梯度、晶体生长速度以及气流气压等参数，否则容易产生多晶型夹杂，降低产品良率。

碳化硅晶体制备完毕后，需要将其沿着一定方向切割成厚度不超过1mm的薄片，并通过不同颗粒粒径的金刚石研磨液进行研磨，去除刀痕及变质层并控制厚度后，再进行CMP抛光以实现全局平坦化后进入最终的清洗环节。

切磨抛难点：由于碳化硅是高硬度的脆性材料，期切磨抛的加工难度增加，加工过程中其曲翘开裂等问题严重，损耗巨大，根据英飞凌的数据，在传统的往复式金刚石固结磨料多线切割方法下，在切割环节对整体材料利用率仅有50%，经过抛光研磨环节后，切损耗比例则高达75%，可用部分比例较低。

与硅基晶圆发展路径相同，未来碳化硅衬底也将持续提升晶片尺寸，降低单位面积芯片成本，推进碳化硅器件的成本下降。海内外衬底厂商以6寸为主流，目前正在向8寸过渡。

衬底尺寸的提升，芯片成本有望显著下降。根据Wolfspeed数据，在相同尺寸的芯片下，8英寸衬底片可切出的芯片数量相比6英寸衬底片提高约90%，同时降低约7%的边缘浪费，带来生产力和效率的大幅提升。伴随着尺寸扩张带来的规模效应以及自动化产线带来的相关成本的降低，Wolfspeed预计至2024年，8英寸衬底带来的单位芯片成本相较于2022年6英寸衬底的单位芯片成本降低超过60%，这将持续推进碳化硅产品的降价，加速对硅基器件的替代。

以英飞凌冷裂技术为例，英飞凌在2018年斥资1.39亿美元收购Siltectra获得其ColdSplit冷裂技术，作为激光切割的一种形式，ColdSplit冷裂技术是一种高效的晶体材料加工工艺，能够将材料损失降到最低。根据英飞凌的披露，传统的线切割造成SiC晶锭损失比例超过75%，2021年对晶锭采用冷裂技术会降低损失比例50%，未来还可以对晶圆进行冷裂，一片晶圆经过冷裂可以变成两片晶圆，这将显著提升公司材料的利用效率与总体产量，目前该技术仍在进一步发展中。

SiC的外延层生长过程中的晶体缺陷和污染可能会延伸到外延层和晶圆表面，形成各种表面缺陷，从而影响其性能参数。上述表面缺陷出现的部分原因与抛光划痕息息相关，因此正确的抛光技术对碳化硅后续顺利加工至关重要。

目前，已开发出批量晶片和单面CMP、批量晶片和双面CMP、单晶片和单面CMP三种CMP方式以实现更高的材料去除率、更低的表面粗糙度、更少的划痕和更均匀的表面形貌，以满足更稳定的外延生长的需求。Wolfspeed碳化硅晶片经过CMP加工后，晶片表面缺陷较低，可获得的质量较高的碳化硅衬底，为后续的外延与晶圆制造打下坚实基础。

技术升级带动衬底成本优化。受益于衬底制备技术持续进步，碳化硅衬底成本将有望得到优化，根据英飞凌数据，2023年至2027年衬底价格将得到显著下降。根据东尼电子公告披露数据，2023年向客户交付6英寸碳化硅衬底单价为5,000元/片，2024年MOS衬底价格为4750RMB/片，2025年MOS衬底价格为4510RMB/片；2024年SBD衬底价格为4275RMB/片，2025年SBD衬底价格为4060RMB/片。

未来随着衬底尺寸从6寸向8寸提升，持续优化良率以及相关生产切割、抛光工艺的的升级，碳化硅材料成本有望显著下降，将有效降低整体器件价格，提升下游客户的替代意愿，拉升碳化硅功率器件的市场渗透率。

原文始发于微信公众号（半导体信息）：碳化硅衬底制备的重点与难点