碳化硅廠家 國(guó)內(nèi)碳化硅產(chǎn)業(yè)鏈（1）碳化硅拋光

碳化硅（SiC）材料是功率半導(dǎo)體行業(yè)主要進(jìn)步發(fā)展方向，用于制作功率器件，可顯著提高電能利用率?？深A(yù)見(jiàn)的未來(lái)內(nèi)，新能源汽車(chē)是碳化硅功率器件的主要應(yīng)用場(chǎng)景。特斯拉作為技術(shù)先驅(qū)，已率先在Model 3中集成全碳化硅模塊，其他一線車(chē)企亦皆計(jì)劃擴(kuò)大碳化硅的應(yīng)用。隨著碳化硅器件制造成本的日漸降低、工藝技術(shù)的逐步成熟，碳化硅功率器件行業(yè)未來(lái)可期。

【什么是碳化硅?】

碳化硅（SiC）是第三代化合物半導(dǎo)體材料。半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的基石是芯片，制作芯片的核心材料按照歷史進(jìn)程分為：

第一代半導(dǎo)體材料（大部分為目前廣泛使用的高純度硅）

第二代化合物半導(dǎo)體材料（砷化鎵、磷化銦）

第三代化合物半導(dǎo)體材料（碳化硅、氮化鎵）

碳化硅因其優(yōu)越的物理性能：高禁帶寬度（對(duì)應(yīng)高擊穿電場(chǎng)和高功率密度）、高電導(dǎo)率、高熱導(dǎo)率，將是未來(lái)最被廣泛使用的制作半導(dǎo)體芯片的基礎(chǔ)材料。

【碳化硅的物理化學(xué)性能】

碳化硅在半導(dǎo)體芯片中的主要形式為襯底。半導(dǎo)體芯片分為集成電路和分立器件，但不論是集成電路還是分立器件，其基本結(jié)構(gòu)都可劃分為“襯底-外延-器件” 結(jié)構(gòu)。碳化硅在半導(dǎo)體中存在的主要形式是作為襯底材料。

碳化硅晶片是碳化硅晶體經(jīng)過(guò)切割、研磨、拋光、清洗等工序加工形成的單晶薄片。

碳化硅晶片作為半導(dǎo)體襯底材料，經(jīng)過(guò)外延生長(zhǎng)、器件制造等環(huán)節(jié)，可制成碳化硅基功率器件和微波射頻器件，是第三代半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要基礎(chǔ)材料。

根據(jù)電阻率不同，碳化硅晶片可分為導(dǎo)電型和半絕緣型。

其中，導(dǎo)電型碳化硅晶片主要應(yīng)用于制造耐高溫、耐高壓的功率器件，市場(chǎng)規(guī)模較大；半絕緣型碳化硅襯底主要應(yīng)用于微波射頻器件等領(lǐng)域，隨著 5G 通訊網(wǎng)絡(luò)的加速建設(shè)，市場(chǎng)需求提升較為明顯。

【碳化硅加工工藝研究】

SiC的硬度僅次于金剛石，可以作為砂輪等磨具的磨料，因此對(duì)其進(jìn)行機(jī)械加工主要是利用金剛石砂輪磨削、研磨和拋光，其中金剛石砂輪磨削加工的效率最高，是加工SiC的重要手段。但是SiC材料不僅具有高硬度的特點(diǎn)碳化硅廠家，高脆性、低斷裂韌性也使得其磨削加工過(guò)程中易引起材料的脆性斷裂從而在材料表面留下表面破碎層，且產(chǎn)生較為嚴(yán)重的表面與亞表層損傷，影響加工精度。因此，深入研究SiC磨削機(jī)理與亞表面損傷對(duì)于提高SiC磨削加工效率和表面質(zhì)量具有重要意義。

1、硬脆材料的研磨機(jī)理

對(duì)硬脆材料進(jìn)行研磨，磨料對(duì)其具有滾軋作用或微切削作用。磨粒作用于有凹凸和裂紋的表面上時(shí)，隨著研磨加工的進(jìn)行，在研磨載荷的作用下，部分磨粒被壓入工件，并用露出的尖端劃刻工件的表面進(jìn)行微切削加工。另一部分磨粒在工件和研磨盤(pán)之間進(jìn)行滾動(dòng)而產(chǎn)生滾軋作用，使工件的表面形成微裂紋，裂紋延伸使工件表面形成脆性碎裂的切屑，從而達(dá)到表面去除的目的。

因?yàn)橛泊嗖牧系目估瓘?qiáng)度比抗壓強(qiáng)度要小，對(duì)磨粒施加載荷時(shí)，會(huì)在硬脆材料表面的拉伸應(yīng)力的最大處產(chǎn)生微裂紋。當(dāng)縱橫交錯(cuò)的裂紋延伸且相互交叉時(shí)，受裂紋包圍的部分就會(huì)破碎并崩離出小碎塊。此為硬脆材料研磨時(shí)的切屑生成和表面形成的基本過(guò)程。

由于碳化硅材料屬于高硬脆性材料，需要采用專(zhuān)用的研磨液，碳化硅研磨的主要技術(shù)難點(diǎn)在于高硬度材料減薄厚度的精確測(cè)量及控制，磨削后晶圓表面出現(xiàn)損傷、微裂紋和殘余應(yīng)力，碳化硅晶圓減薄后會(huì)產(chǎn)生比碳化硅晶圓更大的翹曲現(xiàn)象。

2、碳化硅的拋光加工研究

目前碳化硅的拋光方法主要有：

機(jī)械拋光、磁流變拋光、化學(xué)機(jī)械拋光（CMP）、

電化學(xué)拋光（ECMP）、

催化劑輔助拋光或催化輔助刻蝕（CACP/CARE）、

摩擦化學(xué)拋光（TCP碳化硅廠家，又稱(chēng)無(wú)磨料拋光）

等離子輔助拋光（PAP）等。

化學(xué)機(jī)械拋光（CMP）技術(shù)是目前半導(dǎo)體加工的重要手段，也是目前能將單晶硅表面加工到原子級(jí)光滑最有效的工藝方法，是能在加工過(guò)程中同時(shí)實(shí)現(xiàn)局部和全局平坦化的唯一實(shí)用技術(shù)。

CMP的加工效率主要由工件表面的化學(xué)反應(yīng)速率決定。通過(guò)研究工藝參數(shù)對(duì)SiC材料拋光速率的影響，結(jié)果表明：旋轉(zhuǎn)速率和拋光壓力的影響較大；溫度和拋光液pH值的影響不大。為提高材料的拋光速率應(yīng)盡量提高轉(zhuǎn)速，雖然增加拋光壓力也可提高去除速率，但容易損壞拋光墊。

目前的碳化硅拋光方法存在著材料去除率低、成本高的問(wèn)題，且無(wú)磨粒研拋、催化輔助加工等加工方法，由于要求的條件苛刻、裝置操作復(fù)雜，目前仍處在實(shí)驗(yàn)室范圍內(nèi)，批量生產(chǎn)的實(shí)現(xiàn)可能性不大。

人類(lèi)1905年 第一次在隕石中發(fā)現(xiàn)碳化硅，現(xiàn)在主要來(lái)源于人工合成，碳化硅有許多用途，行業(yè)跨度大，可用于單晶硅、多晶硅、砷化鉀、石英晶體等、太陽(yáng)能光伏產(chǎn)業(yè)、半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)、壓電晶體產(chǎn)業(yè)工程性加工材料。

【碳化硅加工工藝流程】

碳化硅晶片是以高純硅粉和高純碳粉作為原材料，采用物理氣相傳輸法（PVT） 生長(zhǎng)碳化硅晶體，加工制成碳化硅晶片。

①原料合成。將高純硅粉和高純碳粉按一定配比混合，在 2,000℃以上的高溫下反應(yīng)合成碳化硅顆粒。再經(jīng)過(guò)破碎、清洗等工序，制得滿足晶體生長(zhǎng)要求的高純度碳化硅微粉原料。

②晶體生長(zhǎng)。以高純度碳化硅微粉為原料，使用自主研制的晶體生長(zhǎng)爐，采用物理氣相傳輸法（PVT 法）生長(zhǎng)碳化硅晶體。其生長(zhǎng)原理如下圖所示：

將高純碳化硅微粉和籽晶分別置于單晶生長(zhǎng)爐內(nèi)圓柱狀密閉的石墨坩堝下部和頂部，通過(guò)電磁感應(yīng)將坩堝加熱至 2,000℃以上，控制籽晶處溫度略低于下部微粉處，在坩堝內(nèi)形成軸向溫度梯度。碳化硅微粉在高溫下升華形成氣相的 Si2C、 SiC2、 Si 等物質(zhì)，在溫度梯度驅(qū)動(dòng)下到達(dá)溫度較低的籽晶處，并在其上結(jié)晶形成圓柱狀碳化硅晶錠。

③晶錠加工。將制得的碳化硅晶錠使用 X 射線單晶定向儀進(jìn)行定向，之后磨平、滾磨，加工成標(biāo)準(zhǔn)直徑尺寸的碳化硅晶體。

④晶體切割。使用多線切割設(shè)備，將碳化硅晶體切割成厚度不超過(guò) 1mm 的薄片。

⑤晶片研磨。通過(guò)不同顆粒粒徑的金剛石研磨液將晶片研磨到所需的平整度和粗糙度。

⑥晶片拋光。通過(guò)機(jī)械拋光和化學(xué)機(jī)械拋光方法得到表面無(wú)損傷的碳化硅拋光片。

⑦晶片檢測(cè)。使用光學(xué)顯微鏡、 X 射線衍射儀、原子力顯微鏡、非接觸電阻率測(cè)試儀、表面平整度測(cè)試儀、表面缺陷綜合測(cè)試儀等儀器設(shè)備，檢測(cè)碳化硅晶片的微管密度、結(jié)晶質(zhì)量、表面粗糙度、電阻率、翹曲度、彎曲度、厚度變化、表面劃痕等各項(xiàng)參數(shù)指標(biāo)，據(jù)此判定晶片的質(zhì)量等級(jí)。

⑧晶片清洗。以清洗藥劑和純水對(duì)碳化硅拋光片進(jìn)行清洗處理，去除拋光片上殘留的拋光液等表面沾污物，再通過(guò)超高純氮?dú)夂退Ω蓹C(jī)將晶片吹干、甩干；將晶片在超凈室封裝在潔凈片盒內(nèi)，形成可供下游即開(kāi)即用的碳化硅晶片。

晶片尺寸越大，對(duì)應(yīng)晶體的生長(zhǎng)與加工技術(shù)難度越大，而下游器件的制造效率越高、單位成本越低。目前國(guó)際碳化硅晶片廠商主要提供 4 英寸至 6英寸碳化硅晶片， CREE、 II-VI 等國(guó)際龍頭企業(yè)已開(kāi)始投資建設(shè) 8 英寸碳化硅晶片生產(chǎn)線。

【碳化硅行業(yè)情況】

01、碳化硅（SiC）是高功率器件理想材料

硅是半導(dǎo)體行業(yè)第一代基礎(chǔ)材料，目前全球95%以上的集成電路元器件是以硅為襯底制造的。目前，隨著電動(dòng)汽車(chē)、5G等應(yīng)用的發(fā)展，高功率、耐高壓、高頻率器件需求快速增長(zhǎng)。

當(dāng)電壓大于900V，要實(shí)現(xiàn)更大功率時(shí)，硅基功率MOSFET和IGBT就暴露出短板，其在轉(zhuǎn)換效率，開(kāi)關(guān)頻率，工作溫度等多方面都將受限。

而碳化硅(SiC)材料由于具有禁帶寬度大(Si的3倍)、

熱導(dǎo)率高(Si的3.3倍或GaAs的10倍)、

電子飽和遷移速率高(Si的2.5倍)

擊穿電場(chǎng)高(Si的10倍或GaAs的5倍)等性質(zhì)，SiC器件在高溫、高壓、高頻、大功率電子器件領(lǐng)域和航天、軍工、核能等極端環(huán)境應(yīng)用領(lǐng)域有著不可替代的優(yōu)勢(shì)，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)半導(dǎo)體材料器件在實(shí)際應(yīng)用中的缺陷，正逐漸成為功率半導(dǎo)體的主流。

碳化硅是用石英砂、石油焦（或煤焦）、木屑（生產(chǎn)綠色碳化硅時(shí)需要加食鹽）等原料通過(guò)電阻爐高溫冶煉而成。

02、SiC功率半導(dǎo)體器件優(yōu)勢(shì)

第三代半導(dǎo)體，由于在物理結(jié)構(gòu)上具有能級(jí)禁帶寬的特點(diǎn)，又稱(chēng)為寬禁帶半導(dǎo)體，主要是以氮化鎵和碳化硅為代表，其在半導(dǎo)體性能特征上與第一代的硅、第二代的砷化鎵有所區(qū)別，使得其能夠具備高禁帶寬度、高熱導(dǎo)率、高擊穿場(chǎng)強(qiáng)、高電子飽和漂移速率等優(yōu)勢(shì)，從而能夠開(kāi)發(fā)出更適應(yīng)高溫、高功率、高壓、高頻以及抗輻射等惡劣條件的小型化功率半導(dǎo)體器件，可有效突破傳統(tǒng)硅基功率半導(dǎo)體器件及其材料的物理極限。

資料來(lái)源：Semikron – Application Manual Power Semicondu

整體來(lái)看，碳化硅的耐高壓能力是硅的10倍、耐高溫能力是硅的2倍、高頻能力是硅的2倍，與硅基模塊相比，碳化硅二極管及開(kāi)關(guān)管組成的模塊（全碳模塊），不僅具有碳化硅材料本征特性優(yōu)勢(shì)，還可以縮小模塊體積50%以上、消減電子轉(zhuǎn)換損耗80%以上，從而降低綜合成本。

棕剛玉,鉻剛玉-泰州市明生磨料磨具廠是生產(chǎn)金剛砂，棕剛玉，鉻剛玉，白剛玉，綠碳化硅，黑碳化硅，拋光砂，精密鑄造專(zhuān)用砂的廠家，歡迎廣大客戶來(lái)電洽淡13801473268黃廠長(zhǎng)，誠(chéng)信老廠質(zhì)量保證。