碳化硅材料研究現狀與應用展望

王家鵬，賀東葛，趙婉云

(中國電子科技集團公司第四十五研究所，北京 100176)

半導體器件是現代工業整機設備的核心，廣泛應用于計算機、消費類電子、網絡通信、汽車電子等核心領域，半導體器件產業主要由四個基本部分組成：集成電路、光電器件、分立器件、傳感器，其中集成電路占到了80%以上，因此通常又將半導體和集成電路等價。集成電路，按照產品種類又主要分為四大類：微處理器、存儲器、邏輯器件、模擬器件。然而隨著半導體器件應用領域的不斷擴大，許多特殊場合要求半導體能夠在高溫、強輻射、大功率等環境下依然能夠堅持使用、不損壞，第一、二代半導體材料便無能為力，于是第三代半導體材料便應運而生。目前，以碳化硅（SiC）、氮化鎵（CaN）、氧化鋅（Zn）、金剛石、氮化鋁（Al）為代表的寬禁帶半導體材料以更大的優勢占領市場主導，統稱第三代半導體材料[1]。

第三代半導體材料具有更寬的禁帶寬度，更高的擊穿電場、熱導率、電子飽和速率及更高的抗輻射能力，更適合于制作高溫、高頻、抗輻射及大功率器件，通常又被稱為寬禁帶半導體材料（禁帶寬度大于2.2 eV），亦稱為高溫半導體材料。從目前第三代半導體材料和器件的研究來看，較為成熟的是碳化硅和氮化鎵半導體材料，且碳化硅技術最為成熟，而氧化鋅、金剛石、氮化鋁等材料的研究尚屬起步階段。

1 碳化硅材料及其特性

碳化硅材料由于其較高的彈性模量、適中的密度、較小的熱膨脹系數、較高的導熱系數、耐熱沖擊性、高的比剛度、高度的尺寸穩定性及熱性能與機械性能的各向同性等一系列優良的物理性質[2]，受到越來越多的重視，普遍用于陶瓷球軸承、閥門、半導體材料、陀螺、測量儀、航空航天等領域，已經成為一種在很多工業領域不可替代的材料。

SiC是一種天然超晶格，又是一種典型的同質多型體。由于Si與C雙原子層堆積序列的差異會導致不同的晶體結構，因此SiC有著超過200種（目前已知）同質多型族，最被人熟知的便是立方密排的3C-SiC和六方密排的2H-SiC、4H-SiC、6H-SiC。碳化硅具有優良的物理和化學性能[3]。

力學性能：高硬度（克氏硬度為3 000 kg/mm2），可以切割紅寶石；高耐磨性，僅次于金剛石。

熱學性能：熱導率超過金屬銅，是Si的3倍，是GaAs的8～10倍，散熱性能好，對于大功率器件非常重要。SiC的熱穩定性較高，在常壓下不可能熔化SiC。

化學性能：耐腐蝕性非常強，室溫下幾乎可以抵抗任何已知的腐蝕劑。SiC表面易氧化生成SiO2薄層，能防止其進一步氧化，在高于1 700℃時，這層氧化膜熔化并迅速發生氧化反應。SiC能溶解于熔融的氧化劑物質。

電學性能：4H-SiC和6H-SiC帶隙約是Si的3倍，是GaAs的2倍；其擊穿電場強度高于Si一個數量級，飽和電子漂移速度是Si的2.5倍。4H-SiC的帶隙比6H-SiC更寬。表1為幾種半導體材料特性比較。

碳化硅半導體是新一代寬禁帶半導體，它具有熱導率高 (比硅高3倍)、與GaN晶格失配小(4%)等優勢，非常適合用作新一代發光二極管（LED）襯底材料、大功率電力電子材料。

碳化硅早在1842年就被發現了，但直到1955年，飛利浦（荷蘭）實驗室的Lely才開發出生長高品質碳化硅晶體材料的方法。到了1987年，商業化生產的SiC襯底進入市場，進入21世紀后，SiC襯底的商業應用才算全面鋪開。預計10年內碳化硅器件會有突破性發展，無論是SiC單晶材料還是SiC器件制造工藝都會有重大發展，碳化硅材料將會開始走向成熟，作為今后主要的半導體材料，在半導體器件領域起到不可替代的作用并占有巨大市場。

表1 幾種半導體材料特性比較

2 碳化硅的加工工藝研究

SiC的硬度僅次于金剛石，可以作為砂輪等磨具的磨料，因此對其進行機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，高脆性、低斷裂韌性也使得其磨削加工過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，且產生較為嚴重的表面與亞表層損傷，影響加工精度。因此，深入研究SiC磨削機理與亞表面損傷對于提高SiC磨削加工效率和表面質量具有重要意義[4]。

2.1 硬脆材料的研磨機理

對硬脆材料進行研磨，磨料對其具有滾軋作用或微切削作用。磨粒作用于有凹凸和裂紋的表面上時，隨著研磨加工的進行，在研磨載荷的作用下，部分磨粒被壓入工件，并用露出的尖端劃刻工件的表面進行微切削加工。另一部分磨粒在工件和研磨盤之間進行滾動而產生滾軋作用，使工件的表面形成微裂紋，裂紋延伸使工件表面形成脆性碎裂的切屑，從而達到表面去除的目的。

因為硬脆材料的抗拉強度比抗壓強度要小，對磨粒施加載荷時，會在硬脆材料表面的拉伸應力的最大處產生微裂紋。當縱橫交錯的裂紋延伸且相互交叉時，受裂紋包圍的部分就會破碎并崩離出小碎塊。此為硬脆材料研磨時的切屑生成和表面形成的基本過程。

由于碳化硅材料屬于高硬脆性材料，需要采用專用的研磨液，碳化硅研磨的主要技術難點在于高硬度材料減薄厚度的精確測量及控制，磨削后晶圓表面出現損傷、微裂紋和殘余應力，碳化硅晶圓減薄后會產生比碳化硅晶圓更大的翹曲現象，薄晶圓傳輸中易碎片等問題[5]。

2.2 碳化硅的拋光加工研究

目前碳化硅的拋光方法主要有：機械拋光、磁流變拋光、化學機械拋光（CMP）、電化學拋光（ECMP）、催化劑輔助拋光或催化輔助刻蝕（CACP/CARE）、摩擦化學拋光（TCP，又稱無磨料拋光）和等離子輔助拋光（PAP）等[6]。

化學機械拋光（CMP）技術是目前半導體加工的重要手段，也是目前能將單晶硅表面加工到原子級光滑最有效的工藝方法，是能在加工過程中同時實現局部和全局平坦化的唯一實用技術。

CMP的加工效率主要由工件表面的化學反應速率決定。通過研究工藝參數對SiC材料拋光速率的影響，結果表明：旋轉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盡量提高轉速，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、成本高的問題，且無磨粒研拋、催化輔助加工等加工方法，由于要求的條件苛刻、裝置操作復雜，目前仍處在實驗室范圍內，批量生產的實現可能性不大。即便是實際生產中普遍采用化學機械拋光方法，但CMP拋光技術目前也停留在半經驗控制的狀態中，操作者并不能保證穩定的加工質量；而且拋光接觸后工件表面往往殘留有大量反應物，因此碳化硅的超精密加工方法在工業生產領域亟待改善提高。

3 碳化硅的應用展望

第三代半導體材料正在引起清潔能源和新一代電子信息技術的革命，無論是照明、家用電器、消費電子設備、新能源汽車、智能電網、還是軍工用品，都對第三代半導體材料有著巨大需求。第三代半導體可以應用于半導體照明、電力電子器件、激光器和探測器以及其他領域[7]。

碳化硅主要有四大應用領域，即：功能陶瓷、高級耐火材料、磨料及冶金原料。高純度的碳化硅單晶，可用于制造半導體、制造碳化硅纖維。

SiC（4H-SiC）特別適用于微電子領域，用于制備高頻、高溫、大功率器件；6H-SiC適用于光電子領域，實現全彩顯示。隨著SiC生產成本的降低，SiC半導體正逐步取代Si，為Si遇到的瓶頸所擔憂的日子也將結束。

SiC材料在應用領域的優勢：

（1）SiC材料應用在高鐵領域，可節能20%以上，并減小電力系統體積；

（2）SiC材料應用在新能源汽車領域，可降低能耗20%；

（3）SiC材料應用在家電領域，可節能50%；

（4）SiC材料應用在風力發電領域，可提高效率20%；

（5）SiC材料應用在太陽能領域，可降低光電轉換損失25%以上；

（6）SiC材料應用在工業電機領域，可節能30%～50%；

（7）SiC材料應用在超高壓直流輸送電和智能電網領域，可使電力損失降低60%，同時供電效率提高40%以上；

（8）SiC材料應用在大數據領域，可幫助數據中心能耗大幅降低；

（9）SiC材料應用在通信領域，可顯著提高信號的傳輸效率和傳輸安全及穩定性；

（10）SiC材料應用在航空航天領域，可使設備的損耗減小30%～50%，工作頻率提高3倍，電感電容體積縮小3倍，散熱器重量大幅降低。

但是迫于SiC材料易碎，制備難度相對較大，大尺寸SiC的生產一直是個難題，因此，如何生產大尺寸的SiC襯底來降低成本一直是技術突破的難題。

SiC基本形成了美國、歐洲、日本三足鼎立的局面，可實現碳化硅單晶拋光片的公司主要為美國的 Cree、Bandgap、DowDcorning、II-VI、Instrinsic，日本的Nippon、Sixon，芬蘭的Okmetic，德國的SiCrystal，Cree與 SiCrystal公司占據超過 85%的市場份額[8]。美國Cree公司被認為是此領域的老大，其碳化硅單晶材料的技術水平代表著國際先進水平，專家預測在未來的幾年里Cree公司還將在碳化硅襯底市場上獨占鰲頭。

4 結束語

我國在第三代半導體材料上的研究起步比較晚，且相對于國外的技術水平較低，但是從2004年起，國家已經開始對第三代半導體領域的研究進行了部署，啟動了一系列重大研究項目。2013年科技部在863計劃新材料技術領域項目征集指南中明確將第三代半導體材料及應用列為重要內容。雖然前景看好，但我國在該領域發展的最大瓶頸就是原材料，我國SiC原材料的質量、制備問題亟待解決。目前我國對SiC晶元的制備尚為空缺，大多數設備都需要靠國外進口，國內開展SiC、GaN材料和器件方面的研究工作比較晚，與國外相比水平較低，阻礙國內第三代半導體研究進展的還有原始創新等問題。

雖然困難重重，但是這也是一次彎道超車的機會，我相信在國家的支持以及國內人才的努力下，我國一定會在第三代半導體材料領域占得先機取得領先地位。