我國碳化矽產業鏈！

2022-03-17 1079

碳化矽（SiC）是功率半導體產業的主要發展方向，用於製造功率元件可顯著提高電能的利用率。在可預見的未來，新能源汽車將是碳化矽功率元件的主要應用情境。身為科技先驅，特斯拉已率先在Model 3中整合了全部碳化矽模組，其他第一線車企也計劃擴大碳化矽的應用。隨著碳化矽元件製造成本的下降和技術的逐漸成熟，碳化矽功率元件產業的未來可期。【什麼是碳化矽？碳化矽（SiC）是第三代化合物半導體材料。半導體產業的基石是晶片，製造晶片的核心材料分為第一代半導體材料（多為目前廣泛使用的高純度矽）、第二代化合物半導體材料（砷化鎵、磷化銦）以及依照歷史進程的第三代化合物半導體材料（碳化矽、氮化鎵）。由於其優越的物理特性：高帶隙（對應高擊穿電場和高功率密度）、高導電率和高導熱率，碳化矽將成為未來應用最廣泛的半導體晶片基礎材料。【碳化矽的物理化學性質】碳化矽在半導體晶片中的主要形式是基板。半導體晶片可分為積體電路和分離式元件，但積體電路和分離式元件的基本結構可分為「基板-外延-元件」結構。碳化矽在半導體中的主要形式是作為基板材料。碳化矽晶片是透過對碳化矽晶體進行切割、研磨、拋光、清洗而形成的單晶片。碳化矽晶圓作為半導體基板材料，透過外延生長和裝置製造，可製成碳化矽基功率元件和微波射頻元件，是第三代半導體產業發展的重要基礎材料。依電阻率的不同，碳化矽晶片可分為導電型和半絕緣型。其中，導電碳化矽晶圓主要用於製造高溫高壓功率元件，市場規模較大；半絕緣碳化矽基板主要應用於微波射頻元件等領域。隨著5G通訊網路的加速建設，市場需求明顯增加。【碳化矽加工技術研究】SiC的硬度僅次於鑽石，可作為砂輪等研磨工具的磨料。因此鑽石砂輪主要用於研磨、研磨和拋光，其中鑽石砂輪的效率最高，是加工SiC的重要手段。然而SiC材料不僅具有高硬度的特點，而且其高脆性和低斷裂韌性使得材料在磨削過程中容易引起脆性斷裂，從而在材料表面留下表面破碎層，造成嚴重的表面和亞表面損傷，影響加工精度。因此，深入研究SiC研磨機制和亞表面損傷，對於提高SiC研磨效率和表面品質具有重要意義。 1.硬脆材料的磨削機理磨削硬脆材料，磨料對其產生滾動或微切削作用。當磨粒作用於有凹凸、裂紋的表面時，隨著磨削的進行，部分磨粒在磨削負荷的作用下被壓入工件中，用裸露的尖端刮擦工件表面，進行微切削。另一部分磨粒在工件與磨盤之間滾動，產生滾動作用，使工件表面形成微裂紋，裂紋擴展在工件表面形成脆性切屑，從而達到表面平整的目的。由於硬脆材料的拉伸強度低於壓縮強度，當加載磨粒時，硬脆材料表面會在最大拉應力下產生微裂紋。當縱橫交錯的裂縫延伸並相互交叉時，被裂縫包圍的部分就會斷裂，塌陷成小塊。這是磨削硬脆材料時切屑生成和表面形成的基本過程。由於碳化矽是一種高硬度脆性材料，需要專用研磨液。磨削碳化矽的主要技術困難在於高硬度材料減薄厚度的精確測量與控制。研磨後，矽片表面會受到損傷、微裂紋和殘餘應力，而碳化矽矽片減薄會比碳化矽矽片產生更多的翹曲。 2.碳化矽拋光加工研究。目前碳化矽的拋光方法主要有機械拋光、磁流變拋光、化學機械拋光（CMP）、電化學拋光（ECMP）、催化劑輔助拋光或催化劑輔助蝕刻（CACP/CARE）、摩擦化學拋光（TCP）和等離子輔助拋光（PAP）。化學拋光（CMP）技術是目前半導體加工的重要手段，也是將單晶矽表面加工至原子級最有效的技術。它是唯一能夠在加工過程中實現局部和全局平坦化的實用技術。 CMP的加工效率主要由工件表面的化學反應速率決定。透過研究製程參數對SiC材料拋光速率的影響，結果顯示：轉速和拋光壓力影響較大；而拋光液的溫度和pH值影響不大。為了提高材料的拋光率，應盡可能提高轉速。雖然提高拋光壓力也可以提高去除率，但容易損壞拋光墊。目前碳化矽的拋光方法有材料去除率低、成本高的問題，且尚無磨料研磨拋光、催化輔助加工等加工方法。由於裝置條件苛刻、操作複雜，目前仍處於實驗室階段，實現量產的可能性不大。碳化矽於1905年首次在隕石中發現，現在主要來自人工合成。碳化矽用途廣泛，產業跨度廣。可作為單晶矽、多晶矽、砷化鉀、石英晶體等、太陽能光電產業、半導體產業、壓電晶體產業的工程加工材料。【碳化矽加工製程】碳化矽晶片是以高純矽粉和高純碳粉為原料，透過物理氣相傳輸（PVT）生長碳化矽晶體，然後加工成碳化矽晶片。 ①原料合成。將高純矽粉和高純度碳粉以一定比例混合，在2,000℃以上的高溫下反應合成碳化矽顆粒。經過破碎、清洗等工序，製備出符合晶體生長需求的高純度碳化矽微粉原料。 ②晶體生長。以高純度碳化矽微粉為原料，在自主研發的晶體生長爐中以物理氣相傳輸（PVT）技術生長碳化矽晶體。其成長原理如下圖所示：將高純度碳化矽微粉和晶種分別放置在單晶生長爐內圓柱形密封石墨坩堝的底部和頂部。透過電磁感應將坩堝加熱到2,000℃以上，籽晶的溫度略低於下部微粉的溫度，進而在坩堝內形成軸向溫度梯度。碳化矽微粉在高溫下昇華，形成Si2C、SiC2、Si等氣態物質，在溫度梯度的驅動下，到達溫度較低的籽晶，並在其上結晶，形成圓柱形碳化矽錠。 ③鋼錠加工。將所得的碳化矽錠採用X射線單晶取向機進行取向，然後磨平、軋製，加工成標準直徑的碳化矽晶體。 ④水晶切割。使用多線切割設備將碳化矽晶體切割成厚度不超過1mm的薄片。 ⑤晶圓研磨。用不同粒度的鑽石研磨液將晶圓研磨至所需的平整度和粗糙度。 ⑥晶片拋光。透過機械拋光和化學機械拋光得到表面無損傷的碳化矽拋光片。 ⑦晶圓檢查。採用光學顯微鏡、X射線衍射儀、原子力顯微鏡、非接觸電阻率測試儀、表面平整度測試儀、表面缺陷綜合測試儀等儀器設備，對微管密度、晶體品質、表面粗糙度、電阻率、翹曲度等各項參數進行測試，檢測碳化矽晶圓的曲率、厚度變化、表面刮痕，據此判斷晶圓的質量等級。 ⑧ 晶圓清洗。用清潔劑和純水清洗碳化矽拋光片，去除拋光片上殘留的拋光液等表面污染物，然後用超高純氮氣和旋轉乾燥機對矽片進行吹旋；將晶圓封裝在超淨室的無塵晶圓盒中，形成碳化矽晶圓，可在下游立即打開使用。晶圓尺寸越大，對應晶體的生長和加工難度越大，而下游元件的製造效率越高，單位成本越低。目前，國際碳化矽晶圓廠商主要提供4吋至6吋碳化矽晶圓，CREE、II-VI等國際龍頭企業已開始投資興建8吋碳化矽晶圓生產線。【碳化矽產業現況】01.碳化矽（SiC）是高功率裝置的理想材料。矽是半導體工業的第一代基礎材料。目前，全球95%以上的積體電路元件都是由矽製成的。目前，隨著電動車、5G等應用的發展，對高功率、高壓、高頻裝置的需求快速成長。當電壓大於900V時，矽基功率MOSFET和IGBT的短板就會暴露出來，在轉換效率、開關頻率、工作溫度等多方面都會受到限制。碳化矽（SiC）具有寬頻隙（Si的3倍）、高熱導率（Si的3.3倍或GaAs的10倍）、高電子飽和遷移率（Si的2.5倍）和高擊穿電場（Si或GaAs的5倍）等優點，廣泛應用於高溫、高壓、高頻、大功率電子元件、航太環境等極端環境。碳化矽是由石英砂、石油焦（或煤焦）、鋸末（生產綠碳化矽時需加鹽）等原料在電阻爐中高溫冶煉而成。 02.SiC功率半導體裝置的優點第三代半導體因其物理結構又稱為寬帶隙半導體，主要以氮化鎵和碳化矽為代表。其半導體性能特徵不同於第一代矽和第二代砷化鎵，這使得它具有高帶隙、高熱導率、高擊穿場強和高電子飽和漂移率等優點。從而能夠開發出更適合高溫、高功率、高壓、高頻、耐輻射等惡劣條件的小型化功率半導體裝置，有效突破傳統矽基功率半導體裝置及其物理極限。