托起电力之芯——碳化硅单晶衬底的生产

马氏体

2023-04-09 05:09

从制造集成电路的第一代半导体硅和锗，到用于光电和射频领域的第二代半导体砷化镓、磷化铟，再到以碳化硅、氮化镓为代表的第三代半导体，半导体材料早已进入到生产生活的方方面面。

与应用最广泛的硅相比，第三代半导体最重要的特点是禁带宽度大（硅1.1eV、碳化硅3.2eV、氮化镓3.4eV），且具有更高的饱和电子漂移速率，因而在高压、高频器件中有着独到的优势。此外，碳化硅具有比硅高得多的热导率，有更强的耐热能力。在电动汽车、5G通信等领域，第三代半导体的应用方兴未艾。

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和生产芯片需要单晶硅片一样，第三代半导体器件的制造离不开单晶衬底。以高纯半绝缘型碳化硅为例，生长单晶的原料是由高纯碳粉和硅粉合成得到的高纯碳化硅粉末，直观上看，颜色越白，则纯度越高（杂质含量低于百万分之五）。

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单晶硅是通过提拉法从液态硅中生长出来的，但碳化硅加热后不会熔化成液态，而是直接分解为碳和硅，因此较难通过液相方法获得碳化硅单晶。目前主流的碳化硅单晶制备方法是物理气相传输法（Physical Vapor Transport，PVT），将碳化硅粉料加热升华（分解为Si原子、Si2C、SiC2分子等蒸气），再冷凝到籽晶上，实现单晶的生长。

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碳化硅有200多种晶型，最常用的是4H型六方碳化硅。需要精细调控单晶炉内的条件，才能长出特定的晶型。

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气相传输的机制决定了碳化硅单晶的生长速度非常缓慢。在2300多℃的高温中，经历7到10天的生长，才能获得几厘米厚度的晶锭。

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晶锭经过滚圆、定向（用X射线衍射确定晶锭的取向，然后在侧面磨出一个平面作为标记），加工成短晶棒。

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将多个短晶棒首尾相连粘结成一根长棒，用多线切割机切成半毫米厚的晶片。

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碳化硅的莫氏硬度超过9，只能由金刚石出马来切割。通过电镀把金刚石粉末粘结在细钢丝上，制成金刚线。多线切割机使用多道平行排列的金刚线同时切割晶棒，从而高效率地切出晶片。

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对晶片进行研磨和机械抛光，去除切割导致的晶片表面损伤。这同样需要含有金刚石粉末的研磨、抛光液。

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机械研磨和抛光会在晶片表面留下划痕，影响器件质量。因此，还要使用化学机械抛光（Chemical Mechanical Polishing，CMP）的方法进行精抛。这是以一定的压力把晶片压在旋转的抛光垫上作相对运动，借助抛光液中磨料（如二氧化硅纳米颗粒）的机械研磨作用和化学试剂（如双氧水、氢氧化钠）的腐蚀作用，去除划痕，达到纳米级的表面粗糙度。这样得到的就是碳化硅抛光片。

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高纯碳化硅晶片近乎无色透明，其中能起到传导作用的电子浓度很低，电阻率很高，因此被称为半绝缘型。它们主要被用作外延生长氮化镓单晶薄膜的衬底（大块氮化镓单晶的制备很困难，但可以利用碳化硅和氮化镓晶体结构的匹配性，在碳化硅晶片上沉积氮化镓，相比于硅片衬底，碳化硅衬底具有更高的热导率，能够支持更大的功率），作为射频器件，用于雷达、通信等领域。

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如果在碳化硅中掺入氮元素，就能引入额外的电子，大大提高碳化硅的导电性，获得n型导电型碳化硅。由于氮元素掺杂产生的晶体缺陷吸收了可见光，这种碳化硅呈绿色。

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在导电型碳化硅衬底上外延生长高质量的碳化硅单晶薄膜，可制成用于电能变换和电路控制的功率器件，应用于电网、轨道交通、新能源汽车、风电变流器、光伏逆变器等领域。

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世界上电压等级最高的特高压柔性直流输电工程——昆柳龙工程的广西柳北换流站，由2592个柔性直流换流模块构成的24座换流阀阀塔（由南方电网牵头、特变电工研制生产），把从乌东德水电站输送来的±800千伏、300万千瓦直流电转换为交流电，其中就用到中车集团中车时代电气生产的硅基IGBT（绝缘栅双极型晶体管）。如果使用碳化硅器件代替硅器件，由于碳化硅具有更高的击穿电压和更大的热导率，在相同电压和功率下碳化硅器件可以做得尺寸更小、数量更少，且碳化硅更快的电子迁移速率使得开关损耗更少。

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目前碳化硅器件的应用仍然受限于高昂的成本，其中碳化硅衬底占到器件总成本的百分之四五十。碳化硅衬底的尺寸越大，生产效率就越高，切割成方形的器件时边角的损失也越少，从而能够降低器件的成本。然而，要把碳化硅衬底做多、做大，却面临很大的技术困难：碳化硅单晶的生长条件苛刻、生长速度缓慢、晶型和缺陷控制难度大，单晶生长过程中的应力易导致晶片翘曲变形乃至破裂（需要通过退火消除晶体中的应力），碳化硅硬度大导致切割困难、表面粗糙度难以提高，等等。

目前在碳化硅单晶衬底领域，美国Wolfspeed公司、日本罗姆（ROHM）公司、美国Coherent公司（原 “II-VI” 贰陆公司）占据了全球八成的市场份额，并开始将8英寸的大尺寸碳化硅衬底投入量产。目前，国内企业在产能、良率和大尺寸衬底生产技术上仍然有较大差距。

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中国电子科技集团（中国电科）第二研究所旗下的山西烁科晶体有限公司从研制碳化硅单晶生产设备起步，历时十余年，逐步突破2英寸、4英寸、6英寸碳化硅衬底，也攻克了高纯碳化硅粉料制备技术，实现碳化硅衬底供应链自主可控，并于2022年3月在国内率先研制出8英寸碳化硅衬底、投入小批量生产。此外，国内另有多家企业也实现了碳化硅单晶衬底的批量生产。

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