單晶碳化硅的案例
碳化硅單晶襯底加工技術現狀及發展趨勢
摘 要:
碳化硅單晶具有極高的硬度和脆性，傳統加工方式已經不能有效地獲得具有超高光滑表面的碳化硅晶片。針對碳化硅單晶襯底加工技術，本文綜述了碳化硅單晶切片、薄化與拋光工藝段的研究現狀，分析對比了切片、薄化、拋光加工工藝機理，指出了加工過程中的關鍵影響因素和未來發展趨勢。
1、背景與意義
作為半導體產業中的襯底材料，碳化硅單晶具有優異的熱、電性能，在高溫、高頻、大功率、抗輻射集成電子器件領域有著廣泛的應用前景。碳化硅襯底加工精度直接影響器件性能，因此外延應用對碳化硅晶片表面質量的要求極為嚴苛。碳化硅硬度高、脆性大、化學性質穩定，傳統加工方法不完全適用。受加工技術的制約，目前高表面質量碳化硅晶片的加工效率極低。
碳化硅單晶的加工過程主要分為切片、薄化和拋光。全球碳化硅制造加工技術和產業尚未成熟，在一定程度上限制了碳化硅器件市場的發展，要充分實現碳化硅襯底的優異性能，開發高表面質量碳化硅晶片加工技術是關鍵所在。本文主要針對碳化硅晶片的加工工藝做相關論述。
2 碳化硅單晶的切片
作為碳化硅單晶加工過程的第一道工序，切片的性能決定了后續薄化、拋光的加工水平。切片加工易在晶片表面和亞表面產生裂紋，增加晶片的破片率和制造成本，因此控制晶片表層裂紋損傷，對推動碳化硅器件制造技術的發展具有重要意義。
2. 1 切片技術發展現狀及趨勢
傳統的鋸切工具如內圓鋸片、金剛石帶鋸，轉彎半徑受限，切縫較寬，出片率較低，不適用于碳化硅晶體切割。
展開 基于FEM-SPH耦合算法的磨粒仿真研究
基于FEM-SPH耦合算法的磨粒仿真研究
1.工程背景
隨著半導體行業的蓬勃發展，單晶碳化硅作為典型的第三代半導體材料被廣泛應用于集成電路生產、光學襯底材料制備等加工過程中，晶片表面質量的好壞直接決定了半導體器件的使用性能及工作壽命[1-2]，這也就對以單晶碳化硅為代表的光學材料的加工質量提出了更高的要求，其中在研磨拋光過程中產生的表面/亞表面損傷缺陷（見圖1-1亞表面損傷示意圖）是影響晶片性能的重要因素，而對損傷層（SSD）中的裂紋產生、擴展表征與控制更是不容忽視。通常，通過研磨拋光單晶碳化硅晶片實驗來觀測裂紋是行之有效的手段，但裂紋產生、擴展是一個復雜的動態過程，通過實驗后觀測的手段顯然與晶片表面裂紋擴展的真實情況相差甚遠，其次單晶碳化硅屬于典型的硬脆材料，其在加工過程中的裂紋產生、擴展往往在微秒間完成，這也是難以用實驗的手段對裂紋擴展進行觀測的另一原因。因此本文采用ANSYS/LSDYNA軟件建立了單顆磨粒劃擦單晶碳化硅模型，通過仿*真手段來分析單晶碳化硅在研磨加工過程中的裂紋產生及擴展情況。
2.研磨加工模型分析及模型簡化
2.1研磨原理
固結磨磨料研磨加工系統主要由研磨盤、載物盤、研磨液供給系統組成。研磨時，向下壓力P使緊貼上盤面作自轉運動的工件與下盤面接觸作公轉，依靠相對運動實現磨粒對工件的研磨加工[3]。研磨加工系統及示意圖如圖2.1所示。本文所采用的圖案磨盤為課題組自行設計的雙圖案排布磨盤，在實驗中表現出比傳統圖案磨盤更高的效率和加工精度，其微粉金剛石磨粒通過釬焊技術排布在磨盤上，釬焊效果圖如圖2.2所示。此外因研磨相對磨削具備更低的轉速，在加工過程中的散熱及振動很小，故忽略加工系統的振動及研磨液對磨粒加工的熱作用。
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但碳化硅材料晶體生長的特殊性，使得液相生長得到單晶碳化硅的條件極為苛刻［２］。如圖３為 Ｃ－Ｓｉ系統相圖，可以看出當 Ｔ＞２８３０ ℃，才可以得到熔融態碳化硅，而在１４１２～２８３０ ℃，Ｃ在 Ｓｉ中的溶解度僅為０．０１％～１９％，Ｃ、Ｓｉ化學計量比嚴重失衡，碳硅比不能按照１：１的比例排序，難以得到單晶碳化硅材料。
目前主流制備碳化硅單晶的方法為物理氣相傳輸法（ＰＶＴ法），其基本長晶原理如圖４所示，將粉末狀 ＳｉＣ 料源置于石墨坩堝底部，通過感應線圈利用集膚效應加熱坩堝，達到一定溫度后料源分解為Ｓｉ２Ｃ、Ｓｉ、ＳｉＣ２ 等氣體，自由揮發到坩堝頂部的籽晶區域，經過一系列化學反應后再次生成 ＳｉＣ，并經由一定的軸向及徑向溫度梯度在籽晶表面結晶，得到具有一定結構的單晶碳化硅。
目前制約著碳化硅晶體品質的關鍵指標主要有：碳化硅粉料質量、仔晶的粘結、溫場的設計和保溫材料的選擇，晶體生長工藝。其中每一項指標影響著最終碳化硅晶體的成品率和晶體品質。碳化硅粉料的制備多采用改進高溫自蔓延法，在高溫條件下高純碳和高純硅混合加熱，并清洗除雜后得到高純碳化硅粉，合成工藝的選擇、碳硅粉的顆粒度降決定著最終得到碳化硅粉料的顆粒度、純度。仔晶的粘結要確保和石墨鍋蓋之間沒有貼合緊密，沒有縫隙，微通道等，否者將會在晶體生長的過程中影響仔晶表面的溫場分布，影響晶體品質。溫場的設計要確保溫場分布的均勻性，在加熱的過程中使粉料受熱均勻，揮發氣氛能夠在坩堝中平穩升華，保溫材料的選擇是確保溫場穩定的關鍵因素之一，也是用來調節晶體生長時徑向和縱向溫度梯度的必要手段。
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7、基于FEM-SPH耦合算法的磨粒仿真研究
作者：
cheng
鏈接：https://www.yqgqt.org.cn/content/post/1806913
隨著半導體行業的蓬勃發展，單晶碳化硅作為典型的第三代半導體材料被廣泛應用于集成電路生產、光學襯底材料制備等加工過程中，晶片表面質量的好壞直接決定了半導體器件的使用性能及工作壽命[1-2]，這也就對以單晶碳化硅為代表的光學材料的加工質量提出了更高的要求，其中在研磨拋光過程中產生的表面/亞表面損傷缺陷（見圖1-1亞表面損傷示意圖）是影響晶片性能的重要因素，而對損傷層（SSD）中的裂紋產生、擴展表征與控制更是不容忽視。通常，通過研磨拋光單晶碳化硅晶片實驗來觀測裂紋是行之有效的手段，但裂紋產生、擴展是一個復雜的動態過程，通過實驗后觀測的手段顯然與晶片表面裂紋擴展的真實情況相差甚遠，其次單晶碳化硅屬于典型的硬脆材料，其在加工過程中的裂紋產生、擴展往往在微秒間完成，這也是難以用實驗的手段對裂紋擴展進行觀測的另一原因。因此本文采用ANSYS/LSDYNA軟件建立了單顆磨粒劃擦單晶碳化硅模型，通過仿*真手段來分析單晶碳化硅在研磨加工過程中的裂紋產生及擴展情況。
8、聯合仿真實現芯片熱仿真分析流程迭代優化應用
作者：
安世亞太
鏈接：https://www.yqgqt.org.cn/content/post/1807026
在產品設計過程中，需要對產品進行優化設計，在滿足設計標準的前提下使得產品的性能最為優秀。反復手動調整產品的設計再驗證尋找最優方案的過程，驗證迭代多次，耗時較長，重復工作量也較為龐大。因此我們在設計過程中通過引入智能算法，利用數字化手段完成智能迭代尋優過程，可以避免重復勞動力、縮短產品設計周期，提高產品的設計效率。
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資訊 | 總投資175億的碳化硅項目或將落地山西
啟動資金8000萬元，建設實驗室、測試中心、長晶房、辦公區等約2000平方米，形成月產5000片碳化硅功率芯片制造能力。項目核心團隊是由著名半導體技術專家組成，掌握250多個專利，覆蓋原材料制造、芯片制造、IC設計、SiP封裝等領域，處于全球領先技術水平。
至于該項目的投資方及其他具體細節，文章中則并未提及。
碳化硅是全球最先進的第三代半導體材料，具有耐高壓、高頻、大功率等優良的物理特性，是衛星通信、高壓輸變電、軌道交通、電動汽車、通信基站等重要領域的核心材料，尤其是在航天、軍工、核能等極端環境應用領域里有著不可替代的優勢。
“十三五”以來，山西省第三代半導體材料產業不斷發展壯大，山西省省工信廳新材料工業處處長閆林此前介紹，山西在第三代半導體碳化硅單晶襯底材料處于國際領先水平，2020年銷售3萬余片，國內市場占有率達50%以上。
據悉，山西省擁有國內最大的碳化硅材料供應基地——中國電科（山西）碳化硅材料產業基地。一期項目于2020年正式量產，一期項目達產后，將形成年產18萬片N型碳化硅單晶晶片、5萬片高純半絕緣型碳化硅單晶晶片的產能。不僅實現了高純度碳化硅單晶的商業化量產，高純碳化硅粉料純度和晶體良品率亦居于國際先進水平。
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不過，據“三代半風向”了解，出于資源優化考慮，中電科集團對普興的碳化硅單晶項目進行了調整，讓普興電子專注碳化硅外延，而碳化硅單晶和碳化硅芯片將由集團其他子公司專門負責。
中電科的全產業鏈布局
據“三代半風向”調研了解，中電科集團已經完成了碳化硅的全產業鏈布局，其相關子公司已經在設備、襯底、外延、器件等環節建樹頗多。
碳化硅襯底方面，他們主要依托于山西爍科晶體。
據介紹，2018年，中電科就在山西簽約布局碳化硅項目；2019年4月，中國電科（山西）碳化硅產業基地一期項目于開工建設，實施主體就是爍科晶體。2020年2月底，一期項目正式投產，300臺設備同時啟動，月產1200塊碳化硅單晶。
據《山西日報》4月15日報道，2020年，山西爍科晶體碳化硅襯底年產能已達10萬片，銷售3萬片以上。
中電科集團還有多個子公司涉及碳化硅器件領域，其中包括中電科13所。
2018年6月13日，中電科13所的“碳化硅電力電子器件芯片產業化項目”獲得了石家莊高新區備案批復。
而碳化硅封裝則是同輝電子負責。據介紹，同輝電子成立于2007年，與普興電子同屬于中電科13所控股企業。
2020年，同輝電子的“碳化硅封裝線”項目已經竣工投產。在此之前，同輝電子還有多個碳化硅項目備案：
展開 碳化硅材料技術對器件可靠性的影響
來源：基本半導體
碳化硅產業鏈包含碳化硅粉末、碳化硅晶錠、碳化硅襯底、碳化硅外延、碳化硅晶圓、碳化硅芯片和碳化硅器件封裝環節。其中襯底、外延片、晶圓、器件封測是碳化硅價值鏈中最為關鍵的四個環節，襯底成本占到碳化硅器件總成本的50%，外延、晶圓和封裝測試成本分別為25%、20%和5%。碳化硅材料的可靠性對最終器件的性能有著舉足輕重的意義，基本半導體從產業鏈各環節探究材料特性及缺陷產生的原因，與上下游企業協同合作提升碳化硅功率器件的可靠性。
01碳化硅晶錠生長及制備方法
碳化硅有多達250余種同質異構體，用于制作功率半導體的主要是4H-SiC單晶結構。碳化硅單晶生長過程中，4H晶型生長窗口小，對溫度和氣壓設計有著嚴苛標準，生長過程中控制不精確將會得到2H、3C、6H和15R等其他結構的碳化硅晶體。
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圖：海外碳化硅產業鏈
圖：國內碳化硅產業鏈
03、國內碳化硅襯底競爭對比
【碳化硅功率半導體存在的問題】
盡管全球碳化硅器件市場已經初具規模，但是碳化硅功率器件領域仍然存在一些諸多共性問題亟待突破，比如碳化硅單晶和外延材料價格居高不下、材料缺陷問題仍未完全解決、碳化硅器件制造工藝難度較高、高壓碳化硅器件工藝不成熟、器件封裝不能滿足高頻高溫應用需求等，全球碳化硅技術和產業距離成熟尚有一定的差距，在一定程度上制約了碳化硅器件市場擴大的步伐。
1、 碳化硅單晶材料
國際上碳化硅單晶材料領域存在的問題主要有：
大尺寸碳化硅單晶襯底制備技術仍不成熟。目前國際上碳化硅芯片的制造已經從4英寸換代到6英寸，并已經開發出了8英寸碳化硅單晶樣品，與先進的硅功率半導體器件相比，單晶襯底尺寸仍然偏小、缺陷水平仍然偏高。
缺乏更高效的碳化硅單晶襯底加工技術。碳化硅單晶襯底材料線切割工藝存在材料損耗大、效率低等缺點，必須進一步開發大尺寸碳化硅晶體的切割工藝，提高加工效率。襯底表面加工質量的好壞直接決定了外延材料的表面缺陷密度，而大尺寸碳化硅襯底的研磨和拋光工藝仍不能滿足要求，需要進一步開發研磨、拋光工藝參數，降低晶圓表面粗糙度。
P型襯底技術的研發較為滯后。目前商業化的碳化硅產品是單極型器件。未來高壓雙極型器件需要P型襯底。目前碳化硅P型單晶襯底缺陷較高、電阻率較高，其基礎科學問題尚未得到突破，技術開發滯后。
近年來，我國碳化硅單晶材料領域取得了長足進步，但與國際水平相比仍存在一定的差距。
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碳化硅單晶生長過程中，4H晶型生長窗口小，對溫度和氣壓設計有著嚴苛標準，生長過程中控制不精確將會得到2H、3C、6H和15R等其他結構的碳化硅晶體。
圖1 各種碳化硅同質異構體生成的條件
在產業界，碳化硅單晶晶錠的制備有升華PVT、HT-CVD、LPE（溶液生長法）三種方法。其中升華PVT是目前最主流的制備方法，大約95%的商用碳化硅晶錠是由PVT生長。其過程是將碳化硅粉末放入專用設備中加熱，溫度上升到2200—2500℃后粉末開始升華。由于碳化硅沒有液態，只有氣態和固態，升華后在頂部會結晶出晶錠。硅單晶的生長速度約為300mm/h，碳化硅單晶的生長速度約為400μm/h，兩者相差近800倍。舉例來說，五六厘米的晶錠形成，需連續穩定生長200-300小時，由此可見碳化硅晶錠制備速率十分緩慢，這使得晶錠造價高昂。
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前言
碳化硅產業鏈包含碳化硅粉末、碳化硅晶錠、碳化硅襯底、碳化硅外延、碳化硅晶圓、碳化硅芯片和碳化硅器件封裝環節。其中襯底、外延片、晶圓、器件封測是碳化硅價值鏈中最為關鍵的四個環節，襯底成本占到碳化硅器件總成本的50%，外延、晶圓和封裝測試成本分別為25%、20%和5%。碳化硅材料的可靠性對最終器件的性能有著舉足輕重的意義，基本半導體從產業鏈各環節探究材料特性及缺陷產生的原因，與上下游企業協同合作提升碳化硅功率器件的可靠性。
01
碳化硅晶錠生長及制備方法
碳化硅有多達250余種同質異構體，用于制作功率半導體的主要是4H-SiC單晶結構。碳化硅單晶生長過程中，4H晶型生長窗口小，對溫度和氣壓設計有著嚴苛標準，生長過程中控制不精確將會得到2H、3C、6H和15R等其他結構的碳化硅晶體。
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02
同光晶體碳化硅單晶襯底項目
日前，同光晶體碳化硅單晶襯底項目發布消息，其基礎建設超計劃實施，廠房建設完成封頂。
去年3月，同光晶體與河北保定淶源縣政府簽定了合作碳化硅單晶襯底項目（即河北同光科技發展有限公司）。項目總投資10億元，搭建碳化硅單晶生長爐600臺。預計今年8月項目一期投產，2022年4月滿產運行。
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四 碳化硅單晶
碳化硅功率半導體產業鏈主要包含單晶材料、外延材料、器件、模塊和應用這幾個環節。碳化硅單晶是碳化硅功率半導體技術和產業的基礎，質量、大尺寸的碳化硅單晶材料是碳化硅技術發展首要解決的問題，持續增大晶圓尺寸、降低缺陷密度
（微管、位錯、層錯等）
是其重點發展方向。
碳化硅單晶材料主要有導通型襯底和半絕緣襯底兩種,是第三代半導體材料技術成熟度最高的材料，目前基本被國外企業壟斷。
高導通型襯底材料是制造碳化硅功率半導體器件的基材。半絕緣襯底具備高電阻的同時可以承受更高的頻率，因此在5G通訊和新一代智能互聯，傳感感應器件上具備廣闊的應用空間。
國內主要碳化硅單晶襯底材料企業和研發機構已經具備了成熟的4英寸零微管碳化硅單晶產品，并已經研發出了6英寸單晶樣品，但是在晶體材料質量和產業化能力方面距離國際先進水平存在一定差距。
五 精細金屬掩模板
精細金屬掩膜版
（Fine Metal Mask，簡稱FMM）
是OLED蒸鍍工藝中的消耗性核心零部件，主要材料是金屬或金屬+樹脂。其主要作用是在在OLED生產過程中沉積RGB有機物質并形成像素，在需要的地方準確和精細地沉積有機物質，提高分辨率和良率。
如果需要制造高精度FMM，就需要更高級的INVAR合金
（Super INVAR alloy）
。現在市面上唯一能提供滿足FMM使用要求的Super INVAR alloy合金廠商是Hitachi Metals。目前國內FMM材料處于初始研發階段，并不具備量產條件。
展開 FEM-SPH耦合算法高效性驗證及球形磨粒恒切深劃擦6H-SiC仿真
本文以單顆球形磨粒等切深劃擦碳化硅工件的FEM-SPH耦合模型為例，驗證這一耦合算法的高效性、正確性。
2 FEM-SPH耦合模型算例
2.1模型建立
圖2-1磨粒仿FEM-SPH模型
由于在磨削加工中，實際是金剛石磨粒的刀尖圓弧半徑劃過工件表面實現的材料去除，因此在介觀尺度下，不規則形狀的磨粒可以簡化成球體，工件簡化成與磨粒尺度相匹配的長方體，工件在7.5μm的切深范圍內采用SPH算法建模，剩下部.分采用FEM算法建立有限元網格，SPH粒子總數為144000個，粒子間隔為0.25μm，SPH粒子下的FEM網格工件網格大小并不影響計算結果，為提高計算時間，可適當取大網格間距，本文中取1μm，即4個SPH粒子與1個有限元網格匹配。磨粒仿真模型如圖2-1所示。幾何模型的具體參數如表2-1所示。因為磨粒為金剛石材質，其硬度和彈性模量遠遠大于單晶碳化硅工件，因此在研磨過程中，磨粒幾乎不會發生變形，因此將磨粒（密度3560kg/m3、泊松比0.2、楊氏模量1000GPa）設為剛體。單晶碳化硅是典型的的各向異性材料，本文仿真選用6H-SiC，單晶碳化硅（6H-SiC）工件的本構參數如表2-2所示。
展開 8英寸碳化硅單晶研究取得進展
碳化硅(SiC)是一種寬帶隙化合物半導體，具有高擊穿場強(約為Si的10倍)、高飽和電子漂移速率(約為Si的2倍)、高熱導率(Si的3倍、GaAs的10倍)等優異性能。相比同類硅基器件，SiC器件具有耐高溫、耐高壓、高頻特性好、轉化效率高、體積小和重量輕等優點，在電動汽車、軌道交通、高壓輸變電、光伏、5G通訊等領域具有重要的應用潛力。高質量、低成本、大尺寸SiC單晶襯底是制備SiC器件的基礎，掌握具有自主知識產權的SiC晶體生長和加工技術一直是相關領域研究的重點。
自1999年，中國科學院物理研究所/北京凝聚態物理國家研究中心先進材料與結構分析重點實驗室陳小龍研究團隊立足自主創新，利用自主研發的生長設備，系統研究了SiC晶體生長的熱力學和生長動力學基本規律，認識了晶體生長過程中相變、缺陷等的形成機制，提出了缺陷、電阻率控制和擴徑方法，形成了系列從生長設備到高質量SiC晶體生長和加工等關鍵技術，將SiC晶體直徑從小于10毫米(2000年)不斷增大到2英寸(2005年)。2006年，該團隊在國內率先開展了SiC單晶的產業化，成功將研究成果在北京天科合達半導體股份有限公司轉化，通過產學研結合，先后成功研制出了4英寸(2010年)和6英寸(2014)SiC單晶。目前，北京天科合達實現了4-6英寸SiC襯底的大批量生產和銷售，成為國際SiC導電晶圓的主要供應商之一。
SiC器件的成本主要由襯底、外延、流片和封測等環節形成，襯底在SiC
器件成本中占比高達~45%。
為了降低單個器件的成本，進一步擴大SiC襯底尺寸，在單個襯底上增加器件的數量是降低成本的主要途徑。
8英寸SiC襯底將比6英寸在成本降低上具有明顯優勢。
展開 單顆磨粒加工單晶碳化硅對橫向裂紋的模擬
單顆磨粒加工單晶碳化硅對橫向裂紋的模擬
