碳化硅介绍

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碳化硅介绍: 物理性质比较; 应用以及优缺点; 碳化硅排列方式; 碳化硅长晶介绍; 碳化硅规格; 碳化硅应用; 碳化硅新技术介绍

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碳化硅介绍

SiC INTRODUCTION

物理性质比较

应用以及优缺点

碳化硅排列方式

碳化硅长晶介绍

碳化硅规格

碳化硅应用

碳化硅新技术介绍

物理性质比较

第一代半导体自身性能受限，不适合在高温、高压、高频、高功率等领域使用。
化合物半导体通常指晶态无机化合物半导体,即是指由两种或两种以上元素以确定的原子配比形成的化合物，并具有高电子迁移率、禁带宽度高等特性，能在高温、高压、高频等环境中使用。

Si

第一代

GaAs

第二代

GaN

第三代

4H-SiC

4H-碳化硅

6H-SiC

6H-碳化硅

3C-SiC

3C-碳化硅

第三代—碳化硅

应用以及优缺点

第一代半导体

Si硅 Ge锗

Si硅：大规模集成电路。
Ge锗：低频低压，中功率晶体管和光电探测器中。

优点

产业链成熟，技术完备，成本较低。

缺点

不耐高温，高压。

第二代半导体

GaAs砷化镓 InP磷化铟

GaAs砷化镓：制作具有高速、高频、大功率和发光的电子器件。
InP磷化铟：卫星通讯，光通信，定位系统导航，移动互联等领域。

优点

具有更好的光电性能，更加的耐温，高频率和抗辐射。

缺点

原材料成本高，有毒，容易污染环境，甚至致癌。

第三代半导体

SiC碳化硅 GaN氮化镓

SiC碳化硅：光电器件、电子电力器件和微波器件。
GaN氮化镓：新能源、风电、光伏、汽车、消费电子、导弹、GPS。

优点

耐高温、高电压、高频率、大功率、抗腐蚀和辐射、禁带宽度大。

缺点

现有成本高，良率低。

碳化硅排列方式

碳化硅是非常典型的共价键化合物，共价键成分占88%，离子键只占12%。在它的任何一种结晶形态中，每一个碳原子都被4个硅原子紧密包围着，每一个硅原子也都被4个碳原子紧密包围着。

來自于：Peter. J. Wellmann Materials Department 6, Electronic Materials and Energy Technology, Friedrich-Alexander University of Erlangen-Nürnberg, Martensstr. 7, 91058 Erlangen, Germany.

Si-C双层的晶体堆叠序列

各种碳化硅多型的电子带隙

碳化硅长晶介绍

碳化硅，是一种无机物，化学式为SiC，是用石英砂、石油焦（或煤焦）、木屑（生产绿色碳化硅时需要加食盐）等原料通过电阻炉高温冶炼而成。碳化硅在大自然也存在罕见的矿物，莫桑石。

升华法

溶液法

高温化学气相沉积法

原理

碳化硅原料升华再结晶(固态->气态)

生长温度

2000°C以上

优点

相关经验多，大尺寸技术突破中

缺点

良率低，晶体缺陷多

原理

SiC共溶，在液体状下点晶生长(液态)

生长温度

1800°C以上

优点

生长成本低，缺陷密度极低

缺点

大尺寸技术待突破

原理

无固体原料，通入气体进行长晶(气态)

生长温度

1600°C以上

优点

技术可塑性高，气体供给稳定

缺点

成本高，相关经验少

碳化硅规格

若有其他规格需求，欢迎联系我们讨论

6寸 n-type规格

8寸 n-type规格

6寸半绝缘规格

划痕 Scratches

Production规范

≤5,Total Length≤Diameter

Dummy规范

NA

颗粒 Particles

Production规范

≤60(尺寸size≥0.3μm)

Dummy规范

NA

表面处理 Surface Finish

Production规范

Si面CMP Si-face CMP

Dummy规范

Si面CMP Si-face CMP

金属含量 Metal contents

Production规范

≤1E11 atom/cm²

Dummy规范

NA

硅面粗糙度 Ra

Production规范

Ra≤0.2nm(5μm*5μm)

Dummy规范

Ra≤0.2nm(5μm*5μm)

翘曲度 Warp

Production规范

≤40 um

Dummy规范

≤55 um

弯曲度 Bow

Production规范

-35~35 um

Dummy规范

-45~45 um

局部平整度 LTV

Production规范

≤3(5mm*5mm) um

Dummy规范

≤5(5mm*5mm) um

总厚度变化 TTV

Production规范

≤10 um

Dummy规范

≤15 um

多型面积(扩散灯下)Polytype area by diffuse lighting

Production规范

None

Dummy规范

≤30 % area

微管密度 Micropipe Density

Production规范

≤1 cm²

Dummy规范

≤15 cm²

次平边面长度 Secondary flat length

Production规范

None

Dummy规范

None

主平边晶向 Primary flat orientation

Production规范

<11-20> ± 5˚

Dummy规范

<11-20> ± 5˚

主平边长度 Primary flat length

Production规范

47.5± 1.5 mm

Dummy规范

47.5± 1.5 mm

厚度 Thickness

Production规范

350 μm ± 25 μm

Dummy规范

350 μm ± 25 μm

直径 Diameter

Production规范

150.0mm± 0.25mm

Dummy规范

150.0mm± 0.25mm

电阻率 Resistivity

Production规范

0.015~0.028

Dummy规范

0.015~0.028

掺杂剂 Dopant

Production规范

n-type Nitrogen

Dummy规范

n-type Nitrogen

表面晶向偏离度 Surface orientation Off-axis

Production规范

偏 <11-20> 4.0˚ ± 0.5˚

Dummy规范

偏 <11-20> 4.0˚ ± 0.5˚

晶型 Polytype

Production规范

4H

Dummy规范

4H

查看更多

划痕 Scratches

Production规范

Cumulative length ≤200mm

Dummy规范

NA

表面处理 Surface Finish

Production规范

Si面CMP Si-face CMP

Dummy规范

Si面CMP Si-face CMP

金属含量 Metal contents

Production规范

≤1E11 atom/cm²

Dummy规范

NA

硅面粗糙度 Ra

Production规范

Ra≤0.2nm(5μm*5μm)

Dummy规范

Ra≤0.2nm(5μm*5μm)

翘曲度 Warp

Production规范

≤40 um

Dummy规范

≤70 um

弯曲度 Bow

Production规范

-35~35 um

Dummy规范

-65~65 um

局部平整度 LTV

Production规范

≤10(5mm*5mm) um

Dummy规范

≤15(5mm*5mm) um

总厚度变化 TTV

Production规范

≤10 um

Dummy规范

≤20 um

多型面积(扩散灯下)Polytype area by diffuse lighting

Production规范

None permitted

Dummy规范

≤30 % area

微管密度 Micropipe Density

Production规范

≤2 cm²

Dummy规范

≤50 cm²

Notch晶向 Notch Orientation

Production规范

[1-100] ±5°

Dummy规范

[1-100] ±5°

Notch深度 Notch depth

Production规范

1~1.5mm

Dummy规范

1~1.5mm

厚度 Thickness

Production规范

TBD

Dummy规范

TBD

直径 Diameter

Production规范

200.0mm± 0.25mm

Dummy规范

200.0mm± 0.25mm

电阻率 Resistivity

Production规范

0.015~0.028

Dummy规范

NA

掺杂剂 Dopant

Production规范

n-type Nitrogen

Dummy规范

n-type Nitrogen

表面晶向偏离度 Surface orientation Off-axis

Production规范

偏 <11-20> 4.0˚ ± 0.5˚

Dummy规范

偏 <11-20> 4.0˚ ± 0.5˚

晶型 Polytype

Production规范

4H

Dummy规范

4H

查看更多

离边 Edge exclusion

Production规范

3mm

Dummy规范

3mm

划痕 Scratches

Production规范

≤5,Total Length≤Diameter

Dummy规范

NA

颗粒 Particles

Production规范

≤60(尺寸size≥0.3μm)

Dummy规范

NA

表面处理 Surface Finish

Production规范

Si-face CMP

Dummy规范

Si-face CMP

金属含量 Metal contents

Production规范

≤1E11 atom/cm²

Dummy规范

NA

硅面粗糙度 Ra

Production规范

Ra≤0.2nm(5μm*5μm)

Dummy规范

Ra≤0.2nm(5μm*5μm)

翘曲度 Warp

Production规范

≤40 um

Dummy规范

≤60 um

弯曲度 Bow

Production规范

-25~25 um

Dummy规范

-45~45 um

局部平整度 LTV

Production规范

≤3(5mm*5mm) um

Dummy规范

≤5(5mm*5mm) um

总厚度变化 TTV

Production规范

≤10 um

Dummy规范

≤15 um

多型面积(扩散灯下)Polytype area by diffuse lighting

Production规范

None

Dummy规范

≤5 % area

微管密度 Micropipe Density

Production规范

≤1 cm²

Dummy规范

≤10 cm²

Notch晶向 Notch Orientation

Production规范

[1-100] ±5°

Dummy规范

[1-100] ±5°

Notch深度 Notch depth

Production规范

1.0mm +0.25/-0.00mm

Dummy规范

1.0mm +0.25/-0.00mm

厚度 Thickness

Production规范

500 μm ± 25 μm

Dummy规范

500 μm ± 25 μm

直径 Diameter

Production规范

150.0mm± 0.2mm

Dummy规范

150.0mm± 0.2mm

电阻率 Resistivity

Production规范

≥1E8Ω•cm

Dummy规范

(area 75%) ≥1E8Ω·cm

表面晶向 Surface Orientation

Production规范

<0001> ± 0.2˚

Dummy规范

<0001> ± 0.2˚

晶型 Polytype

Production规范

4H

Dummy规范

4H

查看更多

碳化硅应用

逆变器
xEV Inverter

1400V DC Bus 半导体产品所占空间缩减为1/3

2750V DC Bus 半导体产品所占空间缩减为1/5

3工作效率可提高5%-10%

充电桩
xEV charging infrastructure

1减小散热器体积

2减小被动式制冷元件体积

3重量及体积减少60%

42022年5月上市的TOYOTA bZ4X SUV将搭载碳化硅车载充电机及直流转换器

车载电力转换
xEV OBC/DC-DC

1更高的能效

2减小被动式制冷元件体积

3使车内更宽敞，降低车身重量

xEV Inverter
逆变器

xEV charging
infrastructure
充电桩

xEV OBC/DC-DC
车载电力转换

碳化硅新技术介绍

1

SICOXS在室温下通过氩 (Ar) 束蚀刻直接键合多晶碳化硅和单晶碳化硅晶圆，再将键合的单晶碳化硅分开，在多晶碳化硅片上留下所需厚度的单晶层。

2

使用这种方法，可以从一个单晶晶片上分割两到几百层，以生产相同数量的键合碳化硅晶片。键合碳化硅片的成本将不到传统碳化硅片的一半。

3

H+ 离子在键合之前以与所得单晶层的所需厚度相对应的深度注入，然后对键合晶片进行退火将层分开。该公司报告说，即使采用这种工艺，位错的密度也与原始晶片的密度相似。

“无切损”切片

技术团队与全球新切片概念团队合作，在2015年同时参与了离子
切割及激光切割测试，证实技术可行性，未来将适时引入量产。

离子切割

激光切割

离子切割

相关品牌

Hyperion

相关说明

原为光伏设备大厂的GTAT在2015年提出离子切割技术应用于碳化硅材料的无损切割应用，结果证实离子切割确实可行，研究团队首先以一台特别设计的高能离子植入机将2.3MeV的氢离子植入碳化硅单晶衬底，依照实验结果，2.3MeV仅仅能穿透碳化硅约30-35um，此厚度不具制程可操作性，因此需要将单晶衬底与另一支撑材料做wafer bonding，再透过高温气体膨胀将30um左右的高质量单晶薄膜剥离，单晶衬底可以重复此步骤，理论上可以生产出10倍的传统切割数量，可以大大降低衬底的成本。
GTAT在2015年财务危机之后就没有继续进行相关技术开发，直到2021年以4.15亿美元为On-Semi收购。

Hyperion™ SiC Wafer

世界上第一个独立的剥落碳化硅板，
32微米厚度

SMART CUT™ PROCESS ADAPTED TO SiC
FULL R&D PILOT LINE RUNNING

图片出处：soitec公开资讯

MAJOR STAGES OF SMART CUT™ SiC

• Donor wafer: Prime quality SiC
• Handle wafer: Low Res SiC
• Conductive bonding interface
• Finishing including CMP & high temp anneal
• Donor wafer re-use for new process cycle

Soitec导入的离子切割技术是在高质量衬底上先长出外延层，再将离子植入外延层与衬底的交界，之后将衬底与另一片碳化硅低阻支撑材料做wafer bonding形成工程片，最后将外延层与衬底分离，衬底的厚度无损失可重复操作，Bonding后的工程片即可投入器件制程使用。

激光切割

相关品牌

相关说明

资料来源: Infineon公开资讯

Siltectra使用特定波长激光聚焦在所需要的深度，利用激光的高能形成材料的改质。藉由特殊设计的高分子材料附着于欲剥离的衬底上，再利用超低温形成的温度冲击将衬底剥离。
Infineon于2018年以1.24亿欧元收购Siltectra后，目前主要用于将标准350um衬底在做完器件制成后，再剥离出一片约150um衬底，以节省衬底的成本。

Siltectra Cold Split Process I

/ 资料来源：Siltectra公开资讯 /

Laser process

Creation of a defined layer of modified material in the ingot with µm precision.

Lamination process

Siltectra´s polymer foil is laminated on top of the ingot.

Lift off process

The polymer (elastomer) contracts significantly during a cooling step and a crack is initiated that travels along the laser plane modification.

Finish and reclaim process

The polymer foil is separated from the split wafer and the wafer moves on to subsequent finishing steps. The remaining ingot is reclaimed for the next separation step by a surface conditioning step.

资料来源: DISCO公开资讯

DISCO采用类似的激光切割原理，但更加自动化暨商业化，随着Siltectra被Infineon收购，市场上可取得的商业化激光切割技术以DISCO的KABRA为主，目前据悉已经有数家企业采用相关技术。

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