作为第三代半导体芯片的典型代表，碳化硅（SiC）拥有比硅更优秀的半导体性能，包括耐高压能力、耐高温能力、耐辐射能力以及更强的高频能力、更低的电子转换损耗等，被广泛应用于新能源汽车、光伏储能、轨道交通、航空航天、5G通讯等前沿科技领域，不仅开启了新的技术疆界，更是在多行业掀起了一场产业变革的浪潮。
从碳化硅产业链流程上看，首先由碳化硅粉末通过长晶形成晶锭，然后经过切片、打磨、抛光得到碳化硅衬底，再在衬底上经过外延生长得到外延片，外延片则经过光刻、沉积、离子注入等工艺制成碳化硅晶圆，最后经过划片、减薄等工艺制成芯片，并封装得到碳化硅器件。
由于碳化硅独特的性质，导致各环节的工艺难度都很高，比如长晶，就需要严格控制温度、压力、气流等各种参数，才能保证晶体的质量和纯度；还有切割环节，碳化硅的高硬度和脆性，让切割难度大大增加；外延的生长，厚度、位错、宏观缺陷以及掺杂浓度均匀性等方面也都是大难题，这一系列问题让碳化硅品质和良率难以提高，价格也是居高不下，这些问题已成为制约碳化硅产业发展的关键瓶颈。
针对这些问题，目前国内外厂商也在积极改进工艺和设备，比如采用液相法来制备碳化硅晶体、用激光来切割碳化硅晶锭、采用不同技术路线的碳化硅外延生长炉等等，下面就来介绍一下这些已经开始使用，或正在验证有望商业应用的新技术和设备吧。
液相法制备碳化硅晶体
目前，碳化硅晶体生长的主流方法是物理气相传输（PVT），其流程为1）将高纯碳化硅粉料置于单晶炉内的石墨坩埚底部，并将碳化硅籽晶粘结在坩埚盖内部；2）通过电磁感应加热或电阻加热的方式令坩埚内的温度升高至2000℃以上，并在坩埚内形成轴向温度梯度，使籽晶处的温度略低于粉料处；3）碳化硅粉料分解成硅原子、SiC2分子以及Si2C分子等气相物质，在温度梯度的驱动下从高温区（粉料）向低温区（籽晶）输送，在籽晶的碳面上按照籽晶的晶型进行有规律的原子排列，使晶体逐渐增厚，进而生长成碳化硅晶锭。
然而PVT法生长碳化硅晶体依然存在许多难以克服的缺点，比如PVT法生长晶体只能在纵向进行长厚，很难实现晶体的扩径；需要在2300°C以上高温的密闭石墨腔室内完成“固-气-固”的转化重结晶过程，生长周期长、控制难度大，易产生微管、包裹物等缺陷；难以制备p型衬底，目前商业化的碳化硅器件产品依然主要是单极型器件，未来高压双极型器件（如IGBT、PIN等）将需要p型衬底。
由于PVT法的这些缺点，近年来采用液相法来生长碳化硅晶体的技术备受关注，相比PVT法，液相法需要的温度更低（＜2 000 ℃），更接近热力学平衡条件，理论上可以长出质量更高的碳化硅晶体，拥有者诸多优势：
1）位错密度低。碳化硅晶片中的位错问题一直是制约碳化硅器件性能的关键，采用液相法生长一方面可以大幅度的降低生长温度，减少从高温状态降温冷却过程中由于热应力导致的位错；另一方面在液相法生长碳化硅晶体过程中还能实现不同位错之间的转换，实现生长晶体中位错密度的下降，从而获得无微管、低位错密度的高质量碳化硅晶体，提高碳化硅基器件的性能。
2）易于实现扩径。传统 PVT 法生长碳化硅晶体时，晶体直径的扩大需要多代生长不断继承才能实现缓慢的扩径，其过程对成本以及时间的消耗巨大，而液相法生长碳化硅可以通过放肩技术相对简单的进行扩径生长，有助于快速地获得更大尺寸的碳化硅晶体。
3）可以获得p型晶体。液相法由于生长气压高，温度相对较低，在该条件下A1不容易挥发而流失，液相法采用的助熔液中增加A1可以较容易的获得高载流子浓度的p型碳化硅晶体。
随着技术的改进，液相法生长碳化硅晶体过程中存在的一些问题，如助溶液包裹、生长面不稳定等，也逐步得到了改善，未来其对整个碳化硅行业的推进将表现出巨大潜力，比如8英寸碳化硅衬底的制备等，很可能是碳化硅晶体生长的新突破点。
目前也有企业已经在试用液相法制备碳化硅衬底，比如今年6月，天岳先进就宣布，采用液相法制备出了低缺陷的8英寸晶体，通过热场、溶液设计和工艺创新突破了碳化硅单晶高质量生长界面控制和缺陷控制难题。
设备上，此前晶升股份在接受调研时表示，公司提前开展了关于液相法碳化硅晶体生长设备的布局，并已经提供样机给多家客户，目前公司正积极协同客户不断进行优化和改进，进一步提升晶体的品质与良率。
激光切割提高碳化硅切片效率
切片是碳化硅单晶加工过程的第一道工序，切片的性能决定了后续薄化、抛光的加工水平，是整个环节的最大产能瓶颈所在，切片加工易在晶片表面和亚表面产生裂纹，增加晶片的破片率和制造成本，因此控制晶片表层裂纹损伤，对推动碳化硅器件制造技术的发展具有重要意义。
碳化硅切片加工技术主要包括固结、游离磨料切片、激光切割、冷分离和电火花切片等，其中往复式金刚石固结磨料多线切割是应用最广泛的切割碳化硅的方法。
采用金刚石线锯，随着切割进行，碳化硅晶片的翘曲度会变得越来越大，切割后期，由于锯丝速度经过多次变换，同时基体碎屑难以随冷却液流走，会让晶片表面质量变差，长达数小时的切片过程，也会让很多晶锭以碳化硅粉尘的形式成为废料，根据英飞凌的数据，在切割环节对整体材料利用率仅有50%，这也是碳化硅成本居高不下的一大原因。
由于金刚石线锯的种种缺点，激光切割技术被寄予厚望，激光切割技术可以通过激光处理在碳化硅晶锭内部形成改质层，并从碳化硅晶体上剥离出晶片，具有材料耗损少、晶片产出高、良率可控、切割效率高等优势。
从原理上看，在激光扫描碳化硅形成改质层的过程中，激光会在指定位置精确地诱导材料内部的微裂纹，均匀分布的微裂纹在材料中存在时，会使应力场（热应力、机械应力等）在微裂纹周围产生集中效应，当机械劈裂施加折弯应力时，应力会因为改质层的存在而诱导到指定位置产生裂纹的扩展，从而完成晶粒的精确分离，相同厚度的晶锭，激光切割出的衬底数量能提高50%以上。
垂直热壁是外延生长炉发展趋势
碳化硅外延生长方法有很多种，其中化学气相沉积法（CVD）具有可以精确控制外延膜厚度和掺杂浓度、缺陷较少、生长速度适中、过程可自动控制等优点，是目前碳化硅外延生长最常用的方法。
基于CVD法，碳化硅外延设备则发展出了不同的技术路线，比如冷壁和热壁、水平进气和垂直进气等，各有自己的特点，不过在研究中发现，对比冷壁和热壁CVD外延碳化硅的厚度均匀性（5%~2%）和浓度均匀性（15%~6%），热壁CVD具有明显的优势，因此目前在实际生产中热壁CVD是应用最广泛的。
水平进气和垂直进气同样有着各自的一些特点，如水平进气设备本身便宜、 工艺容易上手，垂直进气设备输出稳定、PM性能优良，目前在碳化硅外延产业中占据着各自的位置，但是从自动化、兼容性和量产的角度看，垂直进气代表着碳化硅外延行业的未来。
Ishida研究发现，如果气体流向平行或倾斜于衬底，就会有大量气体无法参与外延生长而流失，而如果气体流向 90˚垂直于衬底，气体直接流向衬底表面进行生长，就较少浪费，气流方向垂直于衬底的情况下，在衬底与进气口之间配置与衬底直径相同或相近的导气筒时，可获得最大生长速率。
这类CVD炉的代表是Nuflare的EPIREVOS6设备，据了解它的生长速率可以达到50μm/h以上，且外延片表面缺陷密度可控制在0.1cm-²以下；在均匀性控制方面，10μm厚6英寸外延片的片内均匀性结果，片内厚度和掺杂浓度不均匀性分别达到1%和2.6%。
随着新能源汽车以及光伏储能等行业的发展，对碳化硅功率器件的需求呈现爆发式的增长，而目前碳化硅产业却面临着良率过低和价格太高等难题，衬底及外延作为占据着大部分成本的环节，迭代更新从长晶、切割到外延生长等流程的技术工艺，是解决目前产业困境的必然选择。
4、高速旋转垂直热壁CVD外延生长n型4H-SiC膜的研究
原文始发于微信公众号（艾邦半导体网）：液相法、激光切割……，正在迭代应用的碳化硅新工艺介绍