關于碳化硅襯底最難的兩個環節，一次性給你講清楚

在碳化硅生產流程中，碳化硅襯底制備是最核心環節，技術壁壘高，難點主要在于晶體生長和切割。單晶生長后，將生長出的晶體切成片狀，由于碳化硅的莫氏硬度為9.2，僅次于金剛石，屬于高硬脆性材料，因此切割過程耗時久，易裂片。實現切割損耗小、并且切割出厚度均勻、翹曲度小的高質量SiC晶片是目前面臨的重要技術難點。

碳化硅晶體生長到底難在哪兒？

硅晶錠可以長得很長，而碳化硅則不然。對于硅、鍺及砷化鎵、磷化銦等半導體材料，晶體材料都是在熔體中生長出來的。首先用橫截面通常為10mm×10mm的籽晶生長晶體，并使用籽晶和熔體界面之間形成的細頸放肩將晶體的直徑擴大到所需水平。擴徑完成后，晶體就會以既定的速率從熔體中拉出。其生長速率為1mm/h到150mm/h。目前，單晶硅棒長度已超過2米，直徑達12英寸。

由于碳化硅材料不存在于常壓液相，因此無法從熔體中生長晶體。如果將碳化硅保持在高溫和低壓下，它會不經過液相而分解成氣態物質。由于這種特性，碳化硅晶體要使用升華或物理氣相傳輸（PVT）技術生長。這種方法的首要條件是需要有同等直徑的籽晶。PVT生長速率通常在0.1mm～0.5mm/h。目前碳化硅晶錠的長度僅為50mm左右，直徑8英寸已經是最大尺寸了。

為了將碳化硅的質量提升到新的高度，同時更精確地控制材料生長，研究人員已經實現了PVT工藝的諸多改進，并探索了其他可行的方法，比如不用固體碳化硅粉末，而用氣體裂解供應碳和硅源的高溫化學氣相沉積（HT-CVD）；摻雜氮氣或其他氣體的改良PVT（M-PVT）；以及采用氣態或易揮發物質的鹵化物CVD和HT-CVD和PVT的組合等。

近年來，人們對在溶液中生長碳化硅晶體產生了濃厚的興趣，因為它具有生產大尺寸、高質量碳化硅襯底的潛力。但這項技術仍在研究中，尚不能實現商業化。其缺點之一是在大氣壓下缺乏化學計量的碳化硅液相，因此不可能實現一致熔融的熔體生長。

對碳化硅來說，雖然擴大直徑相對容易一些，但是限于長晶設備不可能無限制擴大口徑（也有技術難度，且成本不菲），另外還有籽晶本身直徑難以做大的問題。所以，能擴大到8英寸已非易事。由此看來，碳化硅的厚度是技術競爭的關鍵。


碳化硅晶體切割技術種類

20 世紀 80 年代以前，高硬脆材料一般采用涂有金剛石微粉的內圓鋸進行切割。由于內圓鋸切割的切縫大、材料損耗多，且對高硬脆材料的切割尺寸有限制，從 20 世紀 90 年代中期開始，切縫窄、切割厚度均勻且翹曲度較低的線鋸切割方式逐步發展起來。線鋸切割以鋼線做刃具，主要分為游離磨料（砂漿線切割）和固結磨料切割（金剛石線鋸切割技術）兩類。

1、砂漿線切割

砂漿切割技術指一種切割高硬脆材料的切割工藝技術。該工藝以鋼線為基體，莫氏硬度為 9.5 的碳化硅（SiC）作為切割刃料，鋼線在高速運動過程中帶動切割液和碳化硅混合的砂漿進行摩擦，利用碳化硅的研磨作用達到切割效果。砂漿線切割技術中，砂漿是磨粒的載體，對懸浮于其中的磨粒起到穩定分散的作用，因此需要一定的黏度，同時砂漿還需要帶動磨粒隨線鋸一起運動，因此需要具有較好的流動性，還應具有較好的導熱性防止切片溫度過高，在實際應用中一般選擇聚乙二醇（PEG）作為磨粒的分散劑。

砂漿切割技術具有切縫窄、切割厚度均勻等優點，適用于硅材料和SiC切片，但存在加工效率低、磨粒利用率低、對環境不友好等缺點。


2、金剛石線切割

金剛線，或稱金剛石線、電鍍金剛線，是用電鍍的方法在鋼線基體上沉積一層金屬鎳，金屬鎳層內包裹有金剛石微粉顆粒，從而使金剛石顆粒固結在鋼線基體上而制得的一種線性超硬材料切割工具。金剛線切割技術指以金剛線為切割工具，配合專用的切割設備和適合的切割工藝，實現硬脆材料切割加工的技術。

金剛石線切割工藝相較上一代游離磨料砂漿切割工藝具有巨大優勢，具備大幅降低線耗成本、提高材料利用率，大幅降低切割磨損、提高切割速度，大幅提升切片效率、與砂漿線切割技術不同，通常使用水基冷卻劑，較為環保，摒棄游離磨料砂漿切割所使用的昂貴且不環保的碳化硅等砂漿材料等特點，因此用金剛石線切割有效降低了切割環節成本。在金剛石線使用中，線徑大小、切割速度、金剛石線消耗量、TTV情況是切片成本的主要影響要素。


3、激光切割

激光剝離技術是將激光聚焦到晶圓表面以下，在碳化硅晶錠內部不同深度處進行逐層掃描生成單道或者多道改質層，之后，在外張力作用下，改質層裂紋沿垂直于晶圓表面方向擴展，使晶圓由內向外劈裂，從而在碳化硅晶錠上剝離出晶圓。碳化硅的激光切割一般使用皮秒紅外激光器作為光源，近紅外波長能夠更好的透過碳化硅并聚焦在材料內部形成改質區。這種技術具有材料損耗低、加工效率高、出片數量多等優勢，有望成為金剛線切割技術的理想替代方案。

據DISCO官網介紹，其 KABRA 激光剝離技術6英寸SiC晶錠上切割一個晶片需要10min（一個晶錠需要31h），而傳統技術則需要3.1h（一個晶錠需要100h），單個晶錠可生產的晶片數量是現有工藝的 1.4 倍。

激光微水射流加工技術利用了激光在水和空氣的界面上發生全反射的現象，使激光耦合在穩定的水射流內部，利用水射流內部很高的能量密度來實現材料的去除。6英寸單片晶圓片降低襯底總成本35%，效率提升8倍。

碳化硅單晶材料尺寸是關鍵

雖然都是晶錠，但通常人們都把硅晶錠叫做硅棒，而把碳化硅叫做塊晶。這是因為硅晶錠的厚度（高度）要比其直徑長很多，像一根棒，而碳化硅晶錠就像一張餅，其厚度比直徑小很多。

不管是硅還是碳化硅，人們一直在謀求將晶錠的直徑做大，目的是為了切割出直徑比較大的晶圓，在上面做出更多芯片。同理，如果能把晶錠的厚度（或高度）做大，那么每個晶錠切割出來的晶圓片就會相應增加。對硅來說，這不算什么問題，但要把碳化硅晶錠厚度做到和硅一樣是不可能的。所以，半導體行業的主攻方向還是想把當前主流6英寸晶圓擴大到8英寸，而在晶體生長厚度方面雖然也有進展，但還是有很長的路要走。

碳化硅從2英寸到4英寸、6英寸再到8英寸，基本上是在遵循硅的發展路線演進。在直徑方面，碳化硅和硅相差不大。但在晶體厚度方面，由于碳化硅生長工藝技術難度非常大，不能用傳統的硅晶錠生長工藝來實現滿足使用要求的晶錠厚度。