碳化硅衬底的生产过程

一、引言

碳化硅（SiC）作为一种宽禁带半导体材料，因其出色的物理和化学特性，如高硬度、高熔点、高热导率和化学稳定性，在半导体产业中得到了广泛的应用。SiC衬底是制造高性能SiC器件的关键材料，其生产过程复杂且精细，涉及多个环节和技术。本文将详细介绍SiC衬底的生产过程，包括原料合成、晶体生长、切割、研磨、抛光和清洗等关键步骤。

二、原料合成

SiC衬底的生产始于高纯度原料的合成。原料的纯度对最终产品的质量和性能至关重要。

粉料合成：

原料选择：高纯度的硅粉（Si）和碳粉（C）是合成SiC粉末的主要原料。这些原料的纯度通常要求达到99.999%以上。

合成方法：合成SiC粉末的方法有多种，包括碳热还原法、自蔓延高温合成法（SHS）等。碳热还原法是通过在高温下将硅粉和碳粉混合，并通入惰性气体或还原性气体，使硅和碳反应生成SiC粉末。SHS法则是利用反应物自身放出的热量来维持反应进行，从而合成SiC粉末。

粉料处理：

筛分：合成后的SiC粉末需要经过筛分，以去除大颗粒和杂质，得到均匀细小的SiC粉体。

干燥：筛分后的SiC粉末需要进行干燥处理，以去除其中的水分和挥发性杂质，确保后续工艺的顺利进行。

三、晶体生长

SiC晶体的生长是SiC衬底生产过程中的核心环节，直接影响衬底的质量和性能。

生长方法：

物理气相传输法（PVT）：PVT法是目前商用SiC单晶生长的主要方法。它通过在升华系统中形成的晶体，有效降低缺陷水平，提高晶体质量。PVT法需要精确控制温度、压力和气体流量等参数，以确保晶体的质量与均匀性。

高温气相化学沉积法（HT-CVD）：HT-CVD法起步较晚，但能够制备高纯度、高质量的半绝缘SiC晶体。然而，该方法设备昂贵，且高纯气体价格不菲。

液相法（LPE）：LPE法尚未成熟，但可以大幅降低生产温度、提升生产速度，且在此方法下熔体本身更易扩型，晶体质量亦大为提高。因此，LPE法被认为是SiC材料走向低成本的较好路径。

生长设备：

长晶炉：长晶炉是SiC晶体生长的核心设备，主要由炉体、加热/降温温控组件、线圈传动、真空抽取系统和气路系统等部分组成。随着技术的不断进步，未来的长晶设备将朝着更高的自动化、工艺重复性、晶体生长良率提升以及大直径（如8寸）晶体生长方向发展。

四、切割与加工

SiC晶体的切割与加工是制备SiC衬底的重要步骤，涉及多个精细的工艺环节。

切割：

切割方式：SiC晶体的切割主要采用机械切割和激光切割两种方式。机械切割包括砂浆切割和金刚线多线切割。砂浆切割使用游离磨粒，而金刚线切割则通过电镀、树脂粘接、钎焊或机械镶嵌等方法将磨粒固定在切割线上。激光切割则利用激光束的热效应来分离SiC晶锭，具有精确度高、损伤小的优点，但成本相对较高。

切割工艺：切割过程中需要精确控制切割速度、切割深度和切割角度等参数，以确保切割后的SiC晶片具有较小的翘曲度和均匀的厚度。

粗磨与精磨：

粗磨：粗磨的主要目的是去除切割过程中产生的切痕和损伤层，修复晶片的变形。粗磨过程中需要使用高硬度的磨料（如碳化硼或金刚石粉）对SiC晶片进行研磨。

精磨：精磨是在粗磨的基础上进一步去除损伤层，提高晶片表面的粗糙度和平整度。精磨过程中通常采用多晶金刚石精磨+聚氨酯发泡Pad的组合工艺，以达到较低的表面粗糙度（Ra<3nm）。

五、抛光与清洗

抛光与清洗是SiC衬底生产过程中的最后两个关键步骤，直接影响衬底的表面质量和洁净度。

抛光：

机械抛光：机械抛光是利用机械摩擦去除晶片表面的微小凸起和划痕，进一步提高晶片表面的平整度。机械抛光过程中需要使用抛光液和抛光垫等耗材。

化学机械抛光（CMP）：CMP是结合化学腐蚀和机械磨损的一种抛光方法。CMP过程中，抛光液中的化学成分与晶片表面发生化学反应，生成易于去除的产物；同时，抛光垫的机械作用进一步去除这些产物，实现晶片的平坦化。CMP工艺的关键在于抛光液和抛光垫的配方与性能优化。

清洗：

清洗目的：清洗的目的是去除抛光过程中残留的抛光液、颗粒和杂质等污染物，确保衬底表面的洁净度。

清洗方法：清洗方法包括超声波清洗、化学清洗和物理清洗等。超声波清洗利用超声波在液体中的空化作用去除污染物；化学清洗则是利用化学试剂与污染物发生反应，生成可溶性的产物；物理清洗则是利用机械冲刷或气流冲刷等方式去除污染物。

六、质量检测与包装

在SiC衬底生产过程中，质量检测是确保产品质量的重要环节。质量检测包括表面质量、厚度均匀性、缺陷密度等多个方面。检测过程中需要使用高精度的检测设备和仪器，如光学显微镜、扫描电子显微镜（SEM）、原子力显微镜（AFM）等。

经过质量检测合格的SiC衬底需要进行包装和储存。包装过程中需要确保衬底表面不受污染和损伤，同时需要采取防潮、防尘等措施。储存过程中需要控制温度和湿度等环境条件，以确保衬底的长期稳定性和可靠性。

七、结论与展望

SiC衬底的生产过程涉及多个环节和技术，包括原料合成、晶体生长、切割与加工、抛光与清洗以及质量检测与包装等。每个环节都需要严格控制工艺参数和条件，以确保最终产品的质量和性能。随着SiC材料在半导体产业中的广泛应用和不断发展，SiC衬底的生产技术也将不断进步和完善。未来，SiC衬底的生产将朝着更高质量、更低成本、更大尺寸的方向发展，为半导体产业的发展提供更多的支持和保障。