碳化硅廠家 國(guó)內(nèi)碳化硅產(chǎn)業(yè)鏈（1）碳化硅拋光

碳化硅（SiC）材料是功率半導(dǎo)體行業(yè)主要進(jìn)步發(fā)展方向，用于制作功率器件，可顯著提高電能利用率?？深A(yù)見的未來內(nèi)，新能源汽車是碳化硅功率器件的主要應(yīng)用場(chǎng)景。特斯拉作為技術(shù)先驅(qū)，已率先在Model 3中集成全碳化硅模塊，其他一線車企亦皆計(jì)劃擴(kuò)大碳化硅的應(yīng)用。隨著碳化硅器件制造成本的日漸降低、工藝技術(shù)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(dǎo)體材料。半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的基石是芯片，制作芯片的核心材料按照歷史進(jìn)程分為：

第一代半導(dǎo)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(dǎo)體材料（砷化鎵、磷化銦）

第三代化合物半導(dǎo)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(duì)應(yīng)高擊穿電場(chǎng)和高功率密度）、高電導(dǎo)率、高熱導(dǎo)率，將是未來最被廣泛使用的制作半導(dǎo)體芯片的基礎(chǔ)材料。

【碳化硅的物理化學(xué)性能】

碳化硅在半導(dǎo)體芯片中的主要形式為襯底。半導(dǎo)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(jié)構(gòu)都可劃分為“襯底-外延-器件” 結(jié)構(gòu)。碳化硅在半導(dǎo)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(jīng)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(dǎo)體襯底材料，經(jīng)過外延生長(zhǎng)、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(dǎo)體產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要基礎(chǔ)材料。

根據(jù)電阻率不同，碳化硅晶片可分為導(dǎo)電型和半絕緣型。

其中，導(dǎo)電型碳化硅晶片主要應(yīng)用于制造耐高溫、耐高壓的功率器件，市場(chǎng)規(guī)模較大；半絕緣型碳化硅襯底主要應(yīng)用于微波射頻器件等領(lǐng)域，隨著 5G 通訊網(wǎng)絡(luò)的加速建設(shè)，市場(chǎng)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(duì)其進(jìn)行機(jī)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(diǎn)碳化硅廠家，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(chǎn)生較為嚴(yán)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(jī)理與亞表面損傷對(duì)于提高SiC磨削加工效率和表面質(zhì)量具有重要意義。

1、硬脆材料的研磨機(jī)理

對(duì)硬脆材料進(jìn)行研磨，磨料對(duì)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(shí)，隨著研磨加工的進(jìn)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(jìn)行微切削加工。另一部分磨粒在工件和研磨盤之間進(jìn)行滾動(dòng)而產(chǎn)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(dá)到表面去除的目的。

因?yàn)橛泊嗖牧系目估瓘?qiáng)度比抗壓強(qiáng)度要小，對(duì)磨粒施加載荷時(shí)，會(huì)在硬脆材料表面的拉伸應(yīng)力的最大處產(chǎn)生微裂紋。當(dāng)縱橫交錯(cuò)的裂紋延伸且相互交叉時(shí)，受裂紋包圍的部分就會(huì)破碎并崩離出小碎塊。此為硬脆材料研磨時(shí)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(shù)難點(diǎn)在于高硬度材料減薄厚度的精確測(cè)量及控制，磨削后晶圓表面出現(xiàn)損傷、微裂紋和殘余應(yīng)力，碳化硅晶圓減薄后會(huì)產(chǎn)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(jī)械拋光、磁流變拋光、化學(xué)機(jī)械拋光（CMP）、

電化學(xué)拋光（ECMP）、

催化劑輔助拋光或催化輔助刻蝕（CACP/CARE）、

摩擦化學(xué)拋光（TCP碳化硅廠家，又稱無磨料拋光）

等離子輔助拋光（PAP）等。

化學(xué)機(jī)械拋光（CMP）技術(shù)是目前半導(dǎo)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(jí)光滑最有效的工藝方法，是能在加工過程中同時(shí)實(shí)現(xiàn)局部和全局平坦化的唯一實(shí)用技術(shù)。

CMP的加工效率主要由工件表面的化學(xué)反應(yīng)速率決定。通過研究工藝參數(shù)對(duì)SiC材料拋光速率的影響，結(jié)果表明：旋轉(zhuǎn)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(yīng)盡量提高轉(zhuǎn)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(fù)雜，目前仍處在實(shí)驗(yàn)室范圍內(nèi)，批量生產(chǎn)的實(shí)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(yáng)能光伏產(chǎn)業(yè)、半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)、壓電晶體產(chǎn)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(zhǎng)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(yīng)合成碳化硅顆粒。再經(jīng)過破碎、清洗等工序，制得滿足晶體生長(zhǎng)要求的高純度碳化硅微粉原料。

②晶體生長(zhǎng)。以高純度碳化硅微粉為原料，使用自主研制的晶體生長(zhǎng)爐，采用物理氣相傳輸法（PVT 法）生長(zhǎng)碳化硅晶體。其生長(zhǎng)原理如下圖所示：

將高純碳化硅微粉和籽晶分別置于單晶生長(zhǎng)爐內(nèi)圓柱狀密閉的石墨坩堝下部和頂部，通過電磁感應(yīng)將坩堝加熱至 2,000℃以上，控制籽晶處溫度略低于下部微粉處，在坩堝內(nèi)形成軸向溫度梯度。碳化硅微粉在高溫下升華形成氣相的 Si2C、 SiC2、 Si 等物質(zhì)，在溫度梯度驅(qū)動(dòng)下到達(dá)溫度較低的籽晶處，并在其上結(jié)晶形成圓柱狀碳化硅晶錠。

③晶錠加工。將制得的碳化硅晶錠使用 X 射線單晶定向儀進(jìn)行定向，之后磨平、滾磨，加工成標(biāo)準(zhǔn)直徑尺寸的碳化硅晶體。

④晶體切割。使用多線切割設(shè)備，將碳化硅晶體切割成厚度不超過 1mm 的薄片。

⑤晶片研磨。通過不同顆粒粒徑的金剛石研磨液將晶片研磨到所需的平整度和粗糙度。

⑥晶片拋光。通過機(jī)械拋光和化學(xué)機(jī)械拋光方法得到表面無損傷的碳化硅拋光片。

⑦晶片檢測(cè)。使用光學(xué)顯微鏡、 X 射線衍射儀、原子力顯微鏡、非接觸電阻率測(cè)試儀、表面平整度測(cè)試儀、表面缺陷綜合測(cè)試儀等儀器設(shè)備，檢測(cè)碳化硅晶片的微管密度、結(jié)晶質(zhì)量、表面粗糙度、電阻率、翹曲度、彎曲度、厚度變化、表面劃痕等各項(xiàng)參數(shù)指標(biāo)，據(jù)此判定晶片的質(zhì)量等級(jí)。

⑧晶片清洗。以清洗藥劑和純水對(duì)碳化硅拋光片進(jìn)行清洗處理，去除拋光片上殘留的拋光液等表面沾污物，再通過超高純氮?dú)夂退Ω蓹C(jī)將晶片吹干、甩干；將晶片在超凈室封裝在潔凈片盒內(nèi)，形成可供下游即開即用的碳化硅晶片。

晶片尺寸越大，對(duì)應(yīng)晶體的生長(zhǎng)與加工技術(shù)難度越大，而下游器件的制造效率越高、單位成本越低。目前國(guó)際碳化硅晶片廠商主要提供 4 英寸至 6英寸碳化硅晶片， CREE、 II-VI 等國(guó)際龍頭企業(yè)已開始投資建設(shè) 8 英寸碳化硅晶片生產(chǎn)線。

【碳化硅行業(yè)情況】

01、碳化硅（SiC）是高功率器件理想材料

硅是半導(dǎo)體行業(yè)第一代基礎(chǔ)材料，目前全球95%以上的集成電路元器件是以硅為襯底制造的。目前，隨著電動(dòng)汽車、5G等應(yīng)用的發(fā)展，高功率、耐高壓、高頻率器件需求快速增長(zhǎng)。

當(dāng)電壓大于900V，要實(shí)現(xiàn)更大功率時(shí)，硅基功率MOSFET和IGBT就暴露出短板，其在轉(zhuǎn)換效率，開關(guān)頻率，工作溫度等多方面都將受限。

而碳化硅(SiC)材料由于具有禁帶寬度大(Si的3倍)、

熱導(dǎo)率高(Si的3.3倍或GaAs的10倍)、

電子飽和遷移速率高(Si的2.5倍)

擊穿電場(chǎng)高(Si的10倍或GaAs的5倍)等性質(zhì)，SiC器件在高溫、高壓、高頻、大功率電子器件領(lǐng)域和航天、軍工、核能等極端環(huán)境應(yīng)用領(lǐng)域有著不可替代的優(yōu)勢(shì)，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)半導(dǎo)體材料器件在實(shí)際應(yīng)用中的缺陷，正逐漸成為功率半導(dǎo)體的主流。

碳化硅是用石英砂、石油焦（或煤焦）、木屑（生產(chǎn)綠色碳化硅時(shí)需要加食鹽）等原料通過電阻爐高溫冶煉而成。

02、SiC功率半導(dǎo)體器件優(yōu)勢(shì)

第三代半導(dǎo)體，由于在物理結(jié)構(gòu)上具有能級(jí)禁帶寬的特點(diǎn)，又稱為寬禁帶半導(dǎo)體，主要是以氮化鎵和碳化硅為代表，其在半導(dǎo)體性能特征上與第一代的硅、第二代的砷化鎵有所區(qū)別，使得其能夠具備高禁帶寬度、高熱導(dǎo)率、高擊穿場(chǎng)強(qiáng)、高電子飽和漂移速率等優(yōu)勢(shì)，從而能夠開發(fā)出更適應(yīng)高溫、高功率、高壓、高頻以及抗輻射等惡劣條件的小型化功率半導(dǎo)體器件，可有效突破傳統(tǒng)硅基功率半導(dǎo)體器件及其材料的物理極限。

資料來源：Semikron – Application Manual Power Semicondu

整體來看，碳化硅的耐高壓能力是硅的10倍、耐高溫能力是硅的2倍、高頻能力是硅的2倍，與硅基模塊相比，碳化硅二極管及開關(guān)管組成的模塊（全碳模塊），不僅具有碳化硅材料本征特性優(yōu)勢(shì)，還可以縮小模塊體積50%以上、消減電子轉(zhuǎn)換損耗80%以上，從而降低綜合成本。

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