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        半導體行業方興未艾,關于碳化硅單晶你了解多少?

        半導體行業方興未艾,關于碳化硅單晶你了解多少?

        編輯: 發布時間:2022-04-15

        我國半導體產業起步較晚,整體上落后于以美國、日本為代表的國際半導體強國,但憑借政府持續出臺的多項半導體行業政策的支持,半導體產業發展迅速。


         

        圖片來源:pexels


        作為半導體產業中的襯底材料,碳化硅單晶具有優異的熱、電性能,在高溫、高頻、大功率、抗輻射集成電子器件領域有著廣泛的應用前景。


        1 半導體行業發展歷程


        眾所周知,半導體產業發展至今經歷了三個階段。


        階段一:20世紀50~60年代,硅和鍺構成了第一代半導體材料,主要應用于低壓、低頻、中功率晶體管以及光電探測器中。相比于鍺半導體器件,硅材料制造的半導體器件耐高溫和抗輻射性能較好。直到現在,我們使用的半導體產品大多是基于硅材料的。


        階段二:進入20世紀90年代后,砷化鎵、磷化銦代表了第二代半導體材料,可用于制作高速、高頻、大功率以及發光電子器件。因信息高速公路和互聯網的興起,第二代半導體材料被廣泛應用于衛星通訊、移動通訊、光通信和GPS導航等領域。


        階段三:與前兩代半導體材料相比,第三代半導體材料通常又被稱為寬禁帶半導體材料或高溫半導體材料。其中,碳化硅和氮化鎵在第三代半導體材料中是發展成熟的代表。


        2 碳化硅單晶特點


        碳化硅單晶作為第三代半導體中的典型材料,具有禁帶寬度大(2.3~3.3eV)、擊穿電場高(0.8~3.0MV/cm)、飽和電子漂移速率高(2.0×107cm/s)和熱導率高(3~4.9W/(cm·K))等特點,這些特點十分符合高頻高功率電子器件的需求,是傳統半導體無法代替的。隨著單晶材料的技術突破,這些性質使得SiC成為研究和產業的熱點,有力推動了SiC單晶材料的進展。


        3 碳化硅單晶的生長方式


        目前碳化硅單晶的生長方法主要包括以下三種:液相法、高溫化學氣相沉積法、物理氣相傳輸法。


        (1)液相法


        液相法生長碳化硅單晶最早是由德國人于1999年提出的。近年以來,日本的一些單位又對于液相法生長碳化硅進行了大量的研究改進。下圖是碳化硅液相生長裝置及溫度梯度示意圖。采用射頻感應線圈對反應容器進行加熱,選用石墨材料作為坩堝,同時將其作為碳源,在石墨坩堝中填充硅熔體。將碳化硅晶種放置在石墨坩堝頂部,剛好與熔體接觸,控制晶種溫度略低于熔體溫度。利用溫度梯度作為生長驅動力來實現晶體的生長。生長一般在惰性氣體氣氛(如Ar)中進行,生長溫度在1750~2100℃之間。為了提高晶體的生長速率,在生長過程中可以調節石墨坩堝和種子晶體的旋轉方向和旋轉速度。

         

        碳化硅單晶液相生長裝置及溫度分布示意圖


        (2)高溫化學氣相沉積法


        高溫化學氣相沉積法(HTCVD)由瑞典Okmetric公司于20世紀90年代提出,并用于生長碳化硅單晶。下圖為碳化硅單晶高溫化學氣相沉積生長裝置原理圖。在此方法中,碳化硅單晶在一個垂直形態的石墨坩堝中進行生長,H2或He作為載氣,SiH4、C2H4或C3H8分別作為Si源和C源。在反應腔室高溫區,源氣體發生分解并相互作用生成SiC。該方法設備費用昂貴,生長成本較高,限制了其推廣應用。


         

        碳化硅單晶高溫化學氣相沉積生長裝置及溫度分布示意圖


        (3)物理氣相傳輸法


        物理氣相傳輸法(PVT法),又稱為籽晶升華法、改進Lely法。SiC在常壓高溫下不熔化,但在1800℃以上的高溫時,會發生分解升華成多種氣相組分,這些氣相組分在運輸至較低溫度時又會發生反應,重新結晶生成固相SiC,PVT法正是利用了該特性。該方法于1978年首次提出,是在Lely法的基礎上進一步改進得來的,其生長裝置如下圖所示。PVT法是目前SiC單晶生長研究最多、最成熟的技術。

         

        物理氣相傳輸法生長裝置示意圖


        4 碳化硅單晶加工工藝過程


        碳化硅單晶的加工過程主要分為切片、薄化和拋光。


        (1)碳化硅單晶的切片


        作為碳化硅單晶加工過程的第一道工序,切片的性能決定了后續薄化、拋光的加工水平。切片加工易在晶片表面和亞表面產生裂紋,增加晶片的破片率和制造成本,因此控制晶片表層裂紋損傷,對推動碳化硅器件制造技術的發展具有重要意義。


        目前碳化硅切片加工技術主要包括固結、游離磨料切片、激光切割、冷分離和電火花切片,不同技術對應的性能指標如下表所示,其中往復式金剛石固結磨料多線切割是最常應用于加工碳化硅單晶的方法。


        不同切割工藝性能對比表

         


        (2)碳化硅晶片的薄化


        碳化硅斷裂韌性較低,在薄化過程中易開裂,導致碳化硅晶片的減薄非常困難。碳化硅切片的薄化主要通過磨削與研磨實現。


        晶片磨削最具代表性的形式是自旋轉磨削,晶片自旋轉的同時,主軸機構帶動砂輪旋轉,同時砂輪向下進給,進而實現減薄過程。但砂輪易隨加工時間增加而鈍化,使用壽命短且晶片易產生損傷,嚴重制約加工精度和效率,為了解決這些問題,研究人員開發出了不同的輔助技術,如砂輪在線修整,或研制新型軟磨料砂輪,目前主要的技術包括超聲振動輔助磨削和在線電解修整輔助磨削。為防止碎片,優化單面研磨技術是未來薄化加工大尺寸碳化硅晶片的主要技術發展趨勢。


        (3)碳化硅晶片的拋光


        拋光工藝的實質是離散原子的去除。碳化硅單晶襯底要求被加工表面有極低的表面粗糙度,Si面在0.3nm之內,C面在0.5nm之內。


        碳化硅晶片的拋光工藝可分為粗拋和精拋。粗拋為機械拋光,目的在于提高拋光的加工效率,其關鍵研究方向在于優化工藝參數,改善晶片表面粗糙度,提高材料去除率。精拋為單面拋光,作為單晶襯底加工的最后一道工藝,化學機械拋光是實現碳化硅襯底全局平坦化的常用方法,也是保證被加工表面實現超光滑、無缺陷損傷的關鍵工藝。


        SiC精拋工藝對比

         


        5 挑戰與產業現狀


        器件的飛速發展和應用的擴展給SiC單晶帶來諸多挑戰。


        一是成本問題,SiC襯底的價格仍遠遠高于Si、藍寶石等襯底。降低成本需要更加成熟的生長和加工技術,需要提高襯底材料的成品率,另外,通過擴徑研究增大面積,降低單個器件成本。


        二是單晶質量方面的問題。SiC單晶襯底的位錯密度仍高達103/cm2以上,其面型參數如Warp等也難以控制。因此如何控制相關參數,減低缺陷密度、控制面型是6英寸和8英寸襯底質量優化的主要工作。


        最后一個技術挑戰是包括新的生長方法、溫場設計、摻雜和加工等技術探索?,F階段如高溫化學氣相沉積法、液相生長技術仍在研發階段,需要進一步的關注。