碳化硅材料及器件的制造装备发展现状

刘涛 杨敏，孙琪，郑彬彬

摘要：在科技飞速发展的当今，碳化硅产业在全世界都稳健发展着。我国在吸取国际上的经验后，宽禁带半导体产业也形成了一定规模。从业者应将国外的先进技术作为借鉴，根据其经验，全面提高国产碳化硅的制造与研发能力。本文将对碳化硅行业现状以及技术难点进行论述，并分析未来发展趋势。

关键词：碳化硅;宽禁带半导体产业;制造

1碳化硅材料的发展历史

碳化硅材料最早被发现于1824年，瑞典科学家Berzelius在实验中意外发现了此物质。由于碳化硅自然界产量极少，未能得到广泛关注。1885年，化学家Acheson在进行一次混合加热实验的时候，第一次制造出了纯净碳化硅。再到1959年，一位荷兰科学家创造出了促使单晶体生长的有效方法，即通过升华来实现。1978年，俄罗斯科学家对这一方法进行了优化。隔年，蓝色发光二极管诞生，其核心材料就是碳化硅。时至今日，在经过不断的研究和实验后，碳化硅已经成为了一种优秀的半导体材料，更因其稳定的特质，在各个行业都发挥着它的重要作用，包括但不限于通讯传输、电子电器、信息存储等行业。

2 碳化硅材料制造现况

碳化硅材料广泛用于电子电力、光电子器件以及微波射频几大领域，通常是以衬底材料的形式存在。碳化硅的生产线由以下几部分组成：晶体生长及加工、芯片的制作、芯片的封装。其中，碳化硅MOSFET的整体工艺共计22种。

现如今，国际宽禁带半导体已经形成了成熟完整的产业链体系。研发技术的同时，行业内也对其他相关的研发投入非常重视。经过多年的努力，150mm设备达到了先进稳定的程度，工艺上也精良优越，且自动化密度能力极强，已经在逐步开展200mm设备的研发工作。 而国内在国家相关科技扶持项目的大力支持下，正在缩小与国际上的差距，100-150mm的设备已经极大程度的实现了国产制造的目标。

3 碳化硅的特征及结构优势

首先应明确的是，自然界中很少能找到纯净的碳化硅化合物。结构上，碳化硅具有非常多样性的形态，目前已知至少有100多种多形体。对100多种多形体研究后，目前普遍认为6h多形体是最适合于应用在工业中的。碳化硅的形态并非固定的，它会因为温度的变化而出现不同表现。在1600摄氏度以下时，将以β-SIC形式存在；而当温度达到2000摄氏度左右后，会生成4H-SIC;当温度达到2100摄氏度以上，又会出现15R和6H的多形体。

碳化硅之所以会具有稳定性及耐热性，是因为其原子结构和形态，因此在高温工作中可以有良好的表现。碳化硅属于宽带隙半导体，这种材料的特点是具有各种各样的带隙，在实际应用中，具体显示是颜色各异可以发光的材料。碳化硅材料的这种特性使得它十分适合制作发光二极管，可以有不同颜色的发光表现。

也由于碳化硅的这些特质，因此在实际使用上，也可以根据需求来选择对应的碳化硅多形体，以达到电子器件的最佳效果和性能。如6H-SIC，这是碳化硅结构中稳定性最佳的，光电子器件制造领域非常需要这种材料。而P-sic则更加活泼，电子迁移速率高，兼容性极强。电子在传输运动过程中的速度可以达到击穿电场的需求，许多高温、大攻略的电子元器件的制造会热衷于使用这种材料。

4 碳化硅晶体加工所需设备

4．1碳化硅粉料合成设备

碳化硅粉料合成设备是一种合成装置，如果制造高质量材料，会需要用到这个机器。由于碳化硅粉料在合成过程中，会使用高纯度碳粉与硅粉进行直接反应，并通过高温合成的方式使其生成。而此类设备具有一定的技术难点，主要体现在高温环境的把控、真空环境的控制、真空室内水冷、真空测量系统、电子控制设备等。国际上的制造厂商，如CREE、AYMONT等，都具有非常丰富的合成经验，他们所生产的合成粉料纯度可达到99.995%以上。国内的主要生产单位包括中国电科二所等，如今在合成生产上有相当一部分单位已经达到99.999%的纯度，只有少部分单位仅能达到99.995%。

4.2 单晶生长炉

碳化硅单晶生长炉使用的物理气相传输发（PVT）技术。高温环境下，碳化硅粉料升华，并以气态反应物的形态达到低温籽晶的表面，结晶后形成谈晶体。

主要技术难点在于高真空密封控制、高温设备尺寸、分子极线圈的设计等。国外主要厂商在多年的研发后，均已实现150mm晶体的产业化。而国内有46所单位都已可以进行100mm晶体的产业化操作，150mm晶体处于研发状态。

4.3 金刚石多线切割机

由于碳化硅质地非常坚硬，切割难度极大，因此切割碳化硅通常会用金刚线切割。其技术难点主要在于移动布线系统技术、张力调节系统、主轴系统设计制造等。国际上厂家所生产的产品最高速可达到每分钟一千五百米，国内公司目前生产的机器大多处在样机测试阶段，最高速仅能达到每分钟一千二百米。在这一领域还远远低于国际水平，但也在稳健发展的道路上。

5 碳化硅发展前景

由于碳化硅出色的表现和性能，该材料得到了越来越广泛的认可。

碳化硅的功率转换速度极高，但所需能源消耗量却极低。如果与清洁能源共同使用将极大程度促进从传统能源模式到环保能源模式的转变。而在风能逆变器、太阳能发力器、混合电力汽车等领域的应用上，都能很好地实现节能优化设计理念。

随着国际上对新型半导体材料需求量的增长，更多高效率、低热量的半导体材料成为了最受欢迎的材料。它们可以为行业带来全新的推动作用。而我国目前对碳化硅的需求量也是巨大的，全国的总产量达到全球一半以上。但仍有许多技术亟待提高，这也将是未来重点需要发展的环节。

结语

碳化硅如今已经占据半导体材料市场的半壁江山，在发展过程中，其成本稳步下降，更是为其发展提供了良好的土壤。为了跟上国际的脚步，我国需要在科学的探索中，提升研发能力，完善碳化硅整体生产体系。

参考文献

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