碳化硅晶片是以高纯硅粉和高纯碳粉作为原材料,采用物理气相传输法(PVT)生长碳化硅晶体,加工制成碳化硅晶片。
①原料合成。将高纯硅粉和高纯碳粉按一定配比混合,在2,000℃以上的高温下反应合成碳化硅颗粒。再经过破碎、清洗等工序,制得满足晶体生长要求的高纯度碳化硅微粉原料。
②晶体生长。以高纯度碳化硅微粉为原料,使用自主研制的晶体生长炉,采用物理气相传输法(PVT法)生长碳化硅晶体。其生长原理如下图所示:
将高纯碳化硅微粉和籽晶分别置于单晶生长炉内圆柱状密闭的石墨坩埚下部和顶部,通过电磁感应将坩埚加热至2,000℃以上,控制籽晶处温度略低于下部微粉处,在坩埚内形成轴向温度梯度。碳化硅微粉在高温下升华形成气相的Si2C、SiC2、Si等物质,在温度梯度驱动下到达温度较低的籽晶处,并在其上结晶形成圆柱状碳化硅晶锭。
③晶锭加工。将制得的碳化硅晶锭使用X射线单晶定向仪进行定向,之后磨平、滚磨,加工成标准直径尺寸的碳化硅晶体。
④晶体切割。使用多线切割设备,将碳化硅晶体切割成厚度不超过1mm的薄片。
⑤晶片研磨。通过不同颗粒粒径的金刚石研磨液将晶片研磨到所需的平整度和粗糙度。
⑥晶片抛光。通过机械抛光和化学机械抛光方法得到表面无损伤的碳化硅抛光片。
⑦晶片检测。使用光学显微镜、X射线衍射仪、原子力显微镜、非接触电阻率测试仪、表面平整度测试仪、表面缺陷综合测试仪等仪器设备,检测碳化硅晶片的微管密度、结晶质量、表面粗糙度、电阻率、翘曲度、弯曲度、厚度变化、表面划痕等各项参数指标,据此判定晶片的质量等级。
⑧晶片清洗。以清洗药剂和纯水对碳化硅抛光片进行清洗处理,去除抛光片上残留的抛光液等表面沾污物,再通过超高纯氮气和甩干机将晶片吹干、甩干;将晶片在超净室封装在洁净片盒内,形成可供下游即开即用的碳化硅晶片。
晶片尺寸越大,对应晶体的生长与加工技术难度越大,而下游器件的制造效率越高、单位成本越低。目前国际碳化硅晶片厂商主要提供4英寸至6英寸碳化硅晶片,CREE、II-VI等国际龙头企业已开始投资建设8英寸碳化硅晶片生产线。