高質(zhì)量SiC襯底的獲得存在單晶制備和加工兩方面的難度：一方面SiC通常需要在高溫(>2 000℃)的環(huán)境中生長(zhǎng)，而且SiC存在250多種晶型，因此制備高質(zhì)量單一晶型的成本和難度非常大；另一方面，SiC硬度與金剛石接近，單晶的加工難度和成本都很高。

碳化硅襯底產(chǎn)品的核心技術(shù)參數(shù)包括直徑、微管密度、多型面積、電阻率范圍、總厚度變化、彎曲度、翹曲度、表面粗糙度。在密閉高溫腔體內(nèi)進(jìn)行原子有序排列并完成晶體生長(zhǎng)、同時(shí)控制參數(shù)指標(biāo)是復(fù)雜的系統(tǒng)工程，將生長(zhǎng)好的晶體加工成可以滿足半導(dǎo)體器件制造所需晶片又涉及一系列高難度工藝調(diào)控。

隨著碳化硅晶體尺寸的增大及產(chǎn)品參數(shù)要求的提高，生產(chǎn)參數(shù)的定制化設(shè)定和動(dòng)態(tài)控制難度會(huì)進(jìn)一步提升。因此，穩(wěn)定量產(chǎn)各項(xiàng)性能參數(shù)指標(biāo)波動(dòng)幅度較低的高品質(zhì)碳化硅晶片的技術(shù)難度很大，主要體現(xiàn)在以下：

1、碳化硅粉料合成過(guò)程中的環(huán)境雜質(zhì)多，難以獲得高純度的粉料；作為反應(yīng)源的硅粉和碳粉反應(yīng)不完全易造成Si/C比失衡；碳化硅粉料合成后的晶型和顆粒粒度難控制。

2、碳化硅單晶生長(zhǎng)設(shè)備設(shè)計(jì)與制造技術(shù)。碳化硅長(zhǎng)晶爐是晶體制備的載體，也是晶體生長(zhǎng)核心技術(shù)中的熱場(chǎng)和工藝的重要組成部分。針對(duì)不同尺寸、不同導(dǎo)電性能的碳化硅單晶襯底，碳化硅長(zhǎng)晶爐需要實(shí)現(xiàn)高真空度、低真空漏率等各項(xiàng)性能指標(biāo)，為高質(zhì)量晶體生長(zhǎng)提供適合的熱場(chǎng)實(shí)現(xiàn)條件。

3、碳化硅單晶在2300℃以上高溫的密閉石墨腔室內(nèi)完成“固-氣-固”的轉(zhuǎn)化重結(jié)晶過(guò)程，生長(zhǎng)周期長(zhǎng)、控制難度大，易產(chǎn)生微管、包裹物等缺陷。

4、碳化硅存在200多種晶體結(jié)構(gòu)類型，其中六方結(jié)構(gòu)的4H型（4H-SiC）等少數(shù)幾種晶體結(jié)構(gòu)的單晶型碳化硅才是所需的半導(dǎo)體材料，在晶體生長(zhǎng)過(guò)程中需要精確控制硅碳比、生長(zhǎng)溫度梯度、晶體生長(zhǎng)速率以及氣流氣壓等參數(shù)，否則容易產(chǎn)生多晶型夾雜，導(dǎo)致產(chǎn)出的晶體不合格。

5、碳化硅單晶生長(zhǎng)熱場(chǎng)存在溫度梯度，導(dǎo)致晶體生長(zhǎng)過(guò)程中存在原生內(nèi)應(yīng)力及由此誘生的位錯(cuò)、層錯(cuò)等缺陷。

6、碳化硅單晶生長(zhǎng)過(guò)程中需要嚴(yán)格控制外部雜質(zhì)的引入，從而獲得極高純度的半絕緣晶體或定向摻雜的導(dǎo)電型晶體。對(duì)于射頻器件使用的半絕緣碳化硅襯底，電學(xué)性能需要通過(guò)控制晶體中極低的雜質(zhì)濃度及特定種類的點(diǎn)缺陷來(lái)實(shí)現(xiàn)。

7、氣相傳輸法下，碳化硅晶體生長(zhǎng)的擴(kuò)徑技術(shù)難度極大，隨著晶體尺寸的擴(kuò)大，其生長(zhǎng)難度工藝呈幾何級(jí)增長(zhǎng)。因此，SiC襯底要進(jìn)入8英寸時(shí)代，還需要長(zhǎng)晶工藝和設(shè)備的創(chuàng)新。

8、碳化硅襯底作為莫氏硬度9.2的高硬度脆性材料，加工過(guò)程中存在易開(kāi)裂問(wèn)題，加工完成后的襯底易存在翹曲等質(zhì)量問(wèn)題；為了達(dá)到下游外延開(kāi)盒即用的質(zhì)量水平，需要對(duì)碳化硅襯底表面進(jìn)行超精密加工，以降低表面粗糙度、表面平整度并達(dá)到嚴(yán)苛的金屬顆?？刂埔?。

9、切片是碳化硅單晶加工過(guò)程的第一道工序，決定了后續(xù)薄化、拋光的加工水平，是整個(gè)環(huán)節(jié)的最大產(chǎn)能瓶頸所在?，F(xiàn)有的碳化硅晶體切片大多使用金剛石線鋸，但碳化硅硬度高，需要大量的金剛石線鋸和長(zhǎng)達(dá)數(shù)小時(shí)的加工時(shí)間，且切片過(guò)程中多達(dá)40%的晶錠以碳化硅粉塵的形式成為廢料，單個(gè)晶錠生產(chǎn)出的晶片數(shù)量少，造成碳化硅功率器件成本高昂。許多國(guó)外企業(yè)采用更為先進(jìn)的激光切割和冷分離技術(shù)提高切片效率。

10、碳化硅切片的薄化主要通過(guò)磨削與研磨實(shí)現(xiàn)，但碳化硅斷裂韌性較低，在薄化過(guò)程中易開(kāi)裂，導(dǎo)致碳化硅晶片的減薄非常困難。目前多使用自旋轉(zhuǎn)磨削，晶片自旋轉(zhuǎn)的同時(shí)主軸機(jī)構(gòu)帶動(dòng)砂輪旋轉(zhuǎn)，同時(shí)砂輪向下進(jìn)給，實(shí)現(xiàn)減薄。自旋轉(zhuǎn)磨削雖可有效提高加工效率，但砂輪經(jīng)長(zhǎng)時(shí)間使用易鈍化，存在使用壽命短且晶片易產(chǎn)生表面與亞表面損傷的問(wèn)題，未來(lái)需進(jìn)一步優(yōu)化單面研磨技術(shù)以實(shí)現(xiàn)大尺寸碳化硅晶片的加工。 

SiC襯底制備的主要難點(diǎn)

綜合而言，碳化硅單晶生長(zhǎng)周期長(zhǎng)、控制難度大，易產(chǎn)生晶體缺陷。碳化硅常見(jiàn)缺陷包括微管、晶型夾雜、包裹物、位錯(cuò)、層錯(cuò)等，且缺陷之間存在相互影響和演變。因此，控制晶體生長(zhǎng)的環(huán)境參數(shù)從而有效控制晶體缺陷是核心技術(shù)難點(diǎn)。在長(zhǎng)晶條件極為苛刻的情況下，若要生成低缺陷、高質(zhì)量的碳化硅單晶，需要精確的溫場(chǎng)控制、壓力控制等控制技術(shù)，更需長(zhǎng)期的技術(shù)積累和工藝優(yōu)化，形成系統(tǒng)性的晶體缺陷控制技術(shù)。碳化硅襯底環(huán)節(jié)的質(zhì)量水平直接影響下游外延和器件的質(zhì)量，其可靠性至關(guān)重要。

此外，導(dǎo)電型和半絕緣型碳化硅襯底制作工藝也存在差異，導(dǎo)電型材料整體技術(shù)難度和成本稍低。在采用主流的物理氣相傳輸法（PVT）下，導(dǎo)電型SiC通常采用通入雜質(zhì)來(lái)增強(qiáng)導(dǎo)電性，而半絕緣型SiC則主要采用加入深能性摻雜劑（如V）的方式控制電阻率。半絕緣型SiC襯底追求原材料的高純凈度，同時(shí)摻釩工藝較為復(fù)雜，對(duì)生產(chǎn)設(shè)備和技藝等要求更高，總體生產(chǎn)技藝難度和成本都較大。 

（來(lái)源：先進(jìn)半導(dǎo)體晶體材料）