在碳化硅生產(chǎn)流程中，碳化硅襯底制備是最核心環(huán)節(jié)，技術(shù)壁壘高，難點(diǎn)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(shí)久，易裂片。實(shí)現(xiàn)切割損耗小、并且切割出厚度均勻、翹曲度小的高質(zhì)量SiC晶片是目前面臨的重要技術(shù)難點(diǎn)。

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(duì)于硅、鍺及砷化鎵、磷化銦等半導(dǎo)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(xì)頸放肩將晶體的直徑擴(kuò)大到所需水平。擴(kuò)徑完成后，晶體就會(huì)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(dá)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(huì)不經(jīng)過液相而分解成氣態(tài)物質(zhì)。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(shù)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(jīng)是最大尺寸了。

為了將碳化硅的質(zhì)量提升到新的高度，同時(shí)更精確地控制材料生長，研究人員已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了PVT工藝的諸多改進(jìn)，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(yīng)碳和硅源的高溫化學(xué)氣相沉積（HT-CVD）；摻雜氮?dú)饣蚱渌麣怏w的改良PVT（M-PVT）；以及采用氣態(tài)或易揮發(fā)物質(zhì)的鹵化物CVD和HT-CVD和PVT的組合等。

近年來，人們對(duì)在溶液中生長碳化硅晶體產(chǎn)生了濃厚的興趣，因?yàn)樗哂猩a(chǎn)大尺寸、高質(zhì)量碳化硅襯底的潛力。但這項(xiàng)技術(shù)仍在研究中，尚不能實(shí)現(xiàn)商業(yè)化。其缺點(diǎn)之一是在大氣壓下缺乏化學(xué)計(jì)量的碳化硅液相，因此不可能實(shí)現(xiàn)一致熔融的熔體生長。

對(duì)碳化硅來說，雖然擴(kuò)大直徑相對(duì)容易一些，但是限于長晶設(shè)備不可能無限制擴(kuò)大口徑（也有技術(shù)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(kuò)大到8英寸已非易事。由此看來，碳化硅的厚度是技術(shù)競(jìng)爭(zhēng)的關(guān)鍵。


碳化硅晶體切割技術(shù)種類

20 世紀(jì) 80 年代以前，高硬脆材料一般采用涂有金剛石微粉的內(nèi)圓鋸進(jìn)行切割。由于內(nèi)圓鋸切割的切縫大、材料損耗多，且對(duì)高硬脆材料的切割尺寸有限制，從 20 世紀(jì) 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(fā)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(jié)磨料切割（金剛石線鋸切割技術(shù)）兩類。

1、砂漿線切割

砂漿切割技術(shù)指一種切割高硬脆材料的切割工藝技術(shù)。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(yùn)動(dòng)過程中帶動(dòng)切割液和碳化硅混合的砂漿進(jìn)行摩擦，利用碳化硅的研磨作用達(dá)到切割效果。砂漿線切割技術(shù)中，砂漿是磨粒的載體，對(duì)懸浮于其中的磨粒起到穩(wěn)定分散的作用，因此需要一定的黏度，同時(shí)砂漿還需要帶動(dòng)磨粒隨線鋸一起運(yùn)動(dòng)，因此需要具有較好的流動(dòng)性，還應(yīng)具有較好的導(dǎo)熱性防止切片溫度過高，在實(shí)際應(yīng)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(shù)具有切縫窄、切割厚度均勻等優(yōu)點(diǎn)，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(duì)環(huán)境不友好等缺點(diǎn)。


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(nèi)包裹有金剛石微粉顆粒，從而使金剛石顆粒固結(jié)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(shù)指以金剛線為切割工具，配合專用的切割設(shè)備和適合的切割工藝，實(shí)現(xiàn)硬脆材料切割加工的技術(shù)。

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(yōu)勢(shì)，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(shù)不同，通常使用水基冷卻劑，較為環(huán)保，摒棄游離磨料砂漿切割所使用的昂貴且不環(huán)保的碳化硅等砂漿材料等特點(diǎn)，因此用金剛石線切割有效降低了切割環(huán)節(jié)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(shù)是將激光聚焦到晶圓表面以下，在碳化硅晶錠內(nèi)部不同深度處進(jìn)行逐層掃描生成單道或者多道改質(zhì)層，之后，在外張力作用下，改質(zhì)層裂紋沿垂直于晶圓表面方向擴(kuò)展，使晶圓由內(nèi)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(nèi)部形成改質(zhì)區(qū)。這種技術(shù)具有材料損耗低、加工效率高、出片數(shù)量多等優(yōu)勢(shì)，有望成為金剛線切割技術(shù)的理想替代方案。

據(jù)DISCO官網(wǎng)介紹，其 KABRA 激光剝離技術(shù)6英寸SiC晶錠上切割一個(gè)晶片需要10min（一個(gè)晶錠需要31h），而傳統(tǒng)技術(shù)則需要3.1h（一個(gè)晶錠需要100h），單個(gè)晶錠可生產(chǎn)的晶片數(shù)量是現(xiàn)有工藝的 1.4 倍。

激光微水射流加工技術(shù)利用了激光在水和空氣的界面上發(fā)生全反射的現(xiàn)象，使激光耦合在穩(wěn)定的水射流內(nèi)部，利用水射流內(nèi)部很高的能量密度來實(shí)現(xiàn)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(guān)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?yàn)楣杈уV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(gè)晶錠切割出來的晶圓片就會(huì)相應(yīng)增加。對(duì)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(dǎo)體行業(yè)的主攻方向還是想把當(dāng)前主流6英寸晶圓擴(kuò)大到8英寸，而在晶體生長厚度方面雖然也有進(jìn)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(fā)展路線演進(jìn)。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(shù)難度非常大，不能用傳統(tǒng)的硅晶錠生長工藝來實(shí)現(xiàn)滿足使用要求的晶錠厚度。