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Model3中集成全碳化硅模塊，其他一線車企亦皆計(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。

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)，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。

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，又稱無(wú)磨料拋光）和等離子輔助拋光（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。

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、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)和擊穿電場(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。

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。

編輯：黃飛

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