SiC衬底生产流程、制备方法、难度及降本方法有哪些？

SiC 衬底制备困难导致高成本。

SiC 衬底生产流程与硅基类似，晶体为流程核心： 1） 原料合成&晶体生长。将高纯硅粉和高纯碳粉按一定配比混合，在 2000℃ 以上的高温下反应合成 SiC 颗粒。经过破碎、清洗等工序，制得满足晶体生长要 求的高纯度 SiC 微粉原料。并以高纯度 SiC 微粉为原料，使用晶体生长炉生长 SiC 晶体。 2） 晶锭加工&切割。将制得的 SiC 晶锭使用 X 射线单晶定向仪进行定向后磨 平、滚磨，加工成标准直径尺寸的 SiC 晶体。使用多线切割设备，将 SiC 晶体 切割成厚度不超过 1mm 的薄片。

3） 晶片研磨&抛光。通过不同颗粒粒径的金刚石研磨液将晶片研磨到所需的平 整度和粗糙度，并利用机械抛光和化学机械抛光方法得到表面无损伤的 SiC 抛 光片。 4） 晶片检测。使用光学显微镜、X 射线衍射仪、原子力显微镜、非接触电阻率 测试仪、表面平整度测试仪、表面缺陷综合测试仪等仪器设备，检测 SiC 晶片的 微管密度、结晶质量、表面粗糙度、电阻率、翘曲度、弯曲度、厚度变化、表面 划痕等各项参数指标，据此判定晶片的质量等级。 5） 晶片清洗。以清洗药剂和纯水对 SiC 抛光片进行清洗处理，去除抛光片上残 留的抛光液等表面污物，再通过超高纯氮气和甩干机将晶片吹干、甩干将晶片在 超净室封装在洁净片盒内形成可供下游即开即用的 SiC 晶片。

物理气相传输法是制备 SiC 衬底最常用的方法。目前 SiC 晶体生长包括物理气 相传输法（PVT）、高温化学气相沉积法（HT-CVD）、液相法（LPE）三种。 1）PVT 法将高纯 SiC 微粉和籽晶分别置于单晶生长炉内圆柱状密闭的石墨坩 埚下部和顶部，用中频感应线圈将坩埚加热至 2000℃以上并控制籽晶处温度略 低于下部微粉，SiC 微粉在温度梯度下升华形成硅原子、SiC2 分子、Si2C 分子等不同气相组分的反应气体，并在籽晶上结晶形成圆柱状 SiC 晶锭，生长速率一 般为 0.2-0.4mm/h 左右。 2）HT-CVD 法是 SiH4、C2H4、C3H8 等反应气体和载气从底部通入向上输 运，到达放置在顶端的籽晶夹具处，在 18000-2300℃加热区域内部完全分解 并发生反应形成硅和 SiC 团簇，这些团簇升华并在籽晶上生长。然后，残余气体 从反应室顶部排出，生长速率一般为 0.3-1mm/h 左右。

3）LPE 法以 1800℃熔融硅作为溶剂、以坩埚内壁的石墨作为溶质，构成碳饱 和的硅熔体。SiC 籽晶粘结在石墨棒底端。由于固液界面相对于熔体内部温度较 低，从而使籽晶附近的熔体处于过饱和状态，SiC 沿衬底的晶体结构沉析出来成 长为晶体，每小时 0.5-2mm/h 左右。 因设备价格低、温度场调节灵活等优势，PVT 法是目前技术成熟度最高、应用最 广泛的方法。而气态的高纯碳源和硅源比高纯 SiC 粉末更容易获得，并且由于气 态源几乎没有杂质，HT-CVD 法更容易生长出高纯半绝缘（HPSI）半导体，通 过控制通入的氮或者硼的流量，就可以控制 SiC 晶体的掺杂和导电强弱。液相法 由于生长过程处于稳定的液相中，没有螺旋位错、边缘位错、堆垛层错等缺陷， 生长晶体因尺寸较小目前仅用于实验室生长，但却是另一种重要的方向和未来发 展的储备。

SiC 衬底制备难度大导致其价格居高不下。对比传统硅材，SiC 衬底制备具有晶 体温度要求严格、良率低、时间长等特点，导致成本价格居高不下，是硅基衬底 的 4-5 倍。 1）温场控制困难：Si 晶棒生长只需 1500℃，而 SiC 晶棒需要在 2000℃以上 高温下进行生长，并且 SiC 同质异构体有 250 多种，但用于制作功率器件的主 要是 4H-SiC 单晶结构，如果不做精确控制，将会得到其他晶体结构。此外，坩 埚内的温度梯度决定了 SiC 升华传输的速率、以及气态原子在晶体界面上排列 生长方式，进而影响晶体生长速度和结晶质量，因此需要形成系统性的温场控制 技术。与 Si 材料相比，SiC 生产的差别还在如高温离子注入、高温氧化、高温 激活等高温工艺上，以及这些高温工艺所需求的硬掩模工艺等。

2）晶体生长缓慢：Si 晶棒生长速度可达 30～150mm/h，生产 1-3m 的硅晶棒 仅需约 1 天的时间；而 SiC 晶棒以 PVT 法为例，生长速度约为 0.2-0.4mm/h， 7 天才能生长不到 3-6cm，长晶速度不到硅材料的百分之一，产能极为受限。 3）良品参数要求高、良率低：SiC 衬底的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，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，是复杂的系统工程。 4）材料硬度大、脆性高，切割耗时长、磨损高：SiC 莫氏硬度达 9.25 仅次于金 刚石，这导致其切割、研磨、抛光的加工难度显著增加，将一个 3cm 厚的晶锭 切割 35-40 片大致需要花费 120 小时。另外，由于 SiC 脆性高，晶片加工磨损 也会更多，产出比只有 60%左右。

SiC 衬底成本可以通过做大尺寸、降低切割损耗和提高良率等方式下降。 1）大尺寸 SiC 衬底是重要发展方向。 SiC 衬底主要有 2 英寸（50mm）、3 英寸（75mm）、4 英寸（100mm）、6 英 寸（150mm）、8 英寸（200mm）英寸等规格。据 wolfspeed，从 6 英寸到 8 英寸，单片衬底可切割芯片数量由 488 增至 845 个，边缘浪费由 14%减至 7%。 因此随着衬底的尺寸越大，边缘的浪费就越小、制备的芯片数量增多，促进单位 芯片成本的降低。因此，大尺寸是 SiC 衬底制备技术的重要发展方向。

国际 SiC 商业化衬底以 6 英寸为主，逐步向 8 英寸过渡。在半绝缘型 SiC 衬底 市场主流产品规格为 4 英寸；在导电型 SiC 衬底市场主流产品规格为 6 英寸。 行业领先者 Wolfspeed、II-VI、ST、Onsemi、Soitec、ROHM 等已成功研发 8 英寸产品，国际龙头企业已陆续开始投资建设 8 英寸 SiC 晶片生产线，预计 5 年内 8 英寸全面商用。 国内 SiC 商业化衬底以 4 英寸为主，逐步向 6 英寸过渡。国内企业起步较晚， 研发进度稍慢，但也完成了 6 英寸衬底的布局，与国外差距不断缩小。2020 年 山西烁科晶体 SiC 衬底项目投产，同时天科合达、河北同光晶体、南砂晶圆等几 大衬底生产商均在扩张 6 英寸衬底产能。

2）提高材料使用效率： 提高衬底切割良率。由于 SiC 的莫氏硬度为 9.5，硬度与金刚石接近，只能用金 刚石材料进行切割，切割难度大，切割过程中易碎，保证切割过程稳定获得低翘 曲度的晶片是技术难点之一，可以通过激光切割或其他技术手段减少当前线切割 工艺的损耗。例如英飞凌收购的 Siltectra 使用的一种冷切割技术基于激光的技 术采用化学物理过程，利用热应力产生一种力，该力沿着所需的平面以极高的精 度分裂材料，并且几乎不产生割缝损失。可使得原材料损耗从传统 75%减至 50%， 减少耗材成本，同时能够使单片晶圆产出的芯片数量翻倍。

国内大族激光已生产出 SiC 晶锭激光切片机、SiC 超薄晶圆激光切片机设备，运 用的 QCB 技术可在原来传统线切割的基础上大幅提升产能，以切割 2cm 厚度 的晶锭，分别产出最终厚度 350um、175um 和 100um 的晶圆为例，产能提升 幅度分别为 40%、120%和 270%，目前设备正处于量产验证阶段。

3）减少损耗、良率提升促 SiC 成本下降。目前主流商用的 PVT 法晶体缺陷控 制难度大导致衬底良率低，各厂商通过技术投入研发逐年提升 SiC 衬底良率。例 如天岳先进设计不同尺寸 SiC 单晶生长炉，对坩埚、保温进行了设计，实现了均 匀热场结构，提升晶体质量和良率，其 SiC 衬底良率近年来保持在 70%以上。 Wolfspeed 的 8 英寸 SiC 衬底良率在经过化学机械抛光(CMP)后预期良率在 95%之上，因此拥有产品定价权。随着衬底厂商完成低缺陷密度单晶生长工艺及 厚单晶生长工艺研发后，衬底单位面积价格将会快速的下降。