SiC是怎么制造出來(lái)的？

一般人常有的第三代半導(dǎo)體迷思

SiC 是由硅（Si）與碳（C）組成，結(jié)合力強(qiáng)，在熱量上、化學(xué)上、機(jī)械上都穩(wěn)定，由于低耗損、高功率的特性，SiC 適合高壓、大電流的應(yīng)用場(chǎng)景，例如電動(dòng)車、電動(dòng)車充電基礎(chǔ)設(shè)施、太陽(yáng)能及離岸風(fēng)電等綠色能源發(fā)電設(shè)備。

現(xiàn)今電動(dòng)車的電池動(dòng)力系統(tǒng)主要是200V-450V，更高端的車款將朝向800V發(fā)展，這將是SiC的主力市場(chǎng)。不過(guò)，SiC晶圓制造難度高，對(duì)于長(zhǎng)晶的源頭晶種要求高，不易取得，加上長(zhǎng)晶技術(shù)困難，因此目前仍無(wú)法順利量產(chǎn)。

另外SiC本身是同質(zhì)磊晶技術(shù)，所以品質(zhì)好、組件可靠度佳，這也是電動(dòng)車選擇使用它的主因，加上又是垂直元件，因此功率密度高。

SiC和GaN各具優(yōu)勢(shì)發(fā)展領(lǐng)域不同

GaN為橫向組件，生長(zhǎng)在不同基板上，例如SiC或Si基板，為異質(zhì)磊晶技術(shù)，生產(chǎn)出來(lái)的GaN薄膜品質(zhì)較差，雖然目前能應(yīng)用在快充等民生消費(fèi)領(lǐng)域，但用于電動(dòng)車或工業(yè)上則有些疑慮，同時(shí)也是廠商極欲突破的方向。

GaN應(yīng)用領(lǐng)域則包括高壓功率器件Power、高射頻組件RF，Power常做為電源轉(zhuǎn)換器、整流器，而平常使用的藍(lán)牙、Wi-Fi、GPS定位則為RF射頻元件的應(yīng)用范圍之一。

若以基板技術(shù)來(lái)看，GaN基板生產(chǎn)成本較高，因此GaN組件皆以硅為基板，目前市場(chǎng)上的GaN功率元件以GaN-on-Si硅基氮化鎵以及GaN-on-SiC碳化硅基氮化鎵兩種晶圓進(jìn)行制造。

一般常聽(tīng)到的GaN制程技術(shù)應(yīng)用，例如上述的GaN RF射頻器件及PowerGaN，都來(lái)自GaN-on-Si的基板技術(shù)，至于GaN-on-SiC基板技術(shù)，由于碳化硅基板SiC制造困難，技術(shù)主要掌握在國(guó)際少數(shù)廠商手上，例如美國(guó)科銳、羅姆半導(dǎo)體ROHM。

射頻組件、Power GaN 都來(lái)自 GaN-on-Si 技術(shù)，磊晶技術(shù)困難、關(guān)鍵SiC基板由國(guó)際大廠主導(dǎo)。第三代半導(dǎo)體（包括SiC基板）產(chǎn)業(yè)鏈依序?yàn)榛?、磊晶、設(shè)計(jì)、制造、封裝，不論在材料、IC設(shè)計(jì)及制造技術(shù)上，仍由國(guó)際IDM廠主導(dǎo)，代工生存空間小，目前臺(tái)灣地區(qū)的供貨商主要集中在上游材料（基板、磊晶）與晶圓代工。

首先，想要讓SiC生長(zhǎng)，先得高溫伺候，硅在1600度就可以生長(zhǎng)，SiC則直接沖上了2300度，壓力要到3500MPa，而一個(gè)大氣壓才100kPa，要面對(duì)如此高溫，還要精確操作，對(duì)儀器的要求就十分苛刻，一個(gè)失誤，通通白費(fèi)，這樣的高溫高壓下，通常采用名為物理氣相傳輸?shù)姆椒ㄉL(zhǎng)Sic晶體，簡(jiǎn)稱PVT法。

PVT法加熱讓原材料升華，產(chǎn)生SiC混合氣體SixCy，比如SiC2等，這些氣體沿著溫度梯度緩慢流動(dòng)，到達(dá)低溫區(qū)的籽晶，借助籽晶形成晶核，慢慢開(kāi)始生長(zhǎng)，成為單晶SiC，與兩天能長(zhǎng)出兩米、直徑8英寸的圓柱的硅相比，SiC一周才能長(zhǎng)出2cm，可謂是天差地別。

由于氣體順著溫度梯度順流而下，溫度梯度大，氣體跑得快，但跑得太快又會(huì)產(chǎn)生很多錯(cuò)誤的結(jié)構(gòu)型，在SiC具有的200多種晶體結(jié)構(gòu)中，4H型等少數(shù)幾種才能用來(lái)做芯片，過(guò)多的其它結(jié)構(gòu)型會(huì)讓成品報(bào)廢，溫度控制、原料配比、氣壓氣流都不可忽視。

生長(zhǎng)完成后，還會(huì)面臨圓柱高度低、晶錠加工難度大，表面質(zhì)量難保證等問(wèn)題，這也都成為了擺在我們面前的難題。對(duì)生長(zhǎng)后的晶錠進(jìn)行切割、打磨，同樣困難重重。利用激光對(duì)SiC進(jìn)行劃切，是當(dāng)前最主流的方法，對(duì)于激光的精準(zhǔn)控制，當(dāng)然必不可少。

隨著晶圓尺寸的增大，生產(chǎn)難度也迅速增大，但更大的晶圓對(duì)于芯片制造更為有利，因此盡管困難重重，各個(gè)廠家依然在追求更大尺寸的晶圓生產(chǎn)，然后好不容易費(fèi)盡了千辛萬(wàn)苦，終于做出了SiC晶片，這個(gè)晶片成為襯底。

為了追求更佳的性能，往往會(huì)在這層襯底上在生長(zhǎng)一層薄膜的晶體，叫做外延，外延完成后就能得到成品SiC外延片晶圓了，和硅類似SiC晶圓尺寸也是468英寸，目前12英寸還沒(méi)搞定，上次的硅晶圓廠家中，美國(guó)意外缺席，這次的SiC，美帝可謂重度參與。

審核編輯 ：李倩