碳化硅（SiC）晶圆制造工艺全解析：驱动第三代半导体革命的核心材料

随着第三代半导体技术的迅猛发展，以碳化硅（SiC）晶圆为代表的新型材料正在逐步取代传统硅材料，成为功率电子、射频通信、汽车电子和新能源应用中的关键基础。凭借其优异的高温承受能力、高击穿电场强度、高频率响应和出色的热导率，SiC 晶圆已被广泛应用于诸如电动汽车驱动模块、5G 射频前端、工业逆变器和航天电子系统等高端场景。

本文将系统介绍碳化硅晶圆的完整制造流程，结合图示与关键工艺解析，帮助读者全面理解这一先进材料背后的精密工程与技术壁垒。

SiC 晶圆制造流程概览

碳化硅晶圆的生产过程极为复杂，主要包括以下五个关键步骤：

1. 碳化硅种晶（SiC Seed Crystal）——精准生长的起点

整个 SiC 晶圆的制造始于一块高质量的碳化硅种晶，其晶体完整性和晶向一致性直接决定了后续长晶的质量与稳定性。常用种晶类型为 4H-SiC 或 6H-SiC，不同多晶型在性能和应用方向上各有侧重。

✅ 晶体取向精度：误差一般控制在 ±0.5°
✅ 纯度要求：需达到 99.9999%（6N）以上，避免杂质引入缺陷

2. 晶锭生长（SiC Ingot Growth）——高温气相控制的艺术

碳化硅晶锭的生长通常采用两种主流方法：

l PVT（物理气相传输法）：在约2000°C的高温下，通过升华后的硅和碳气体在低压环境中沉积于种晶上；

l CVD（化学气相沉积法）：适用于外延薄膜生长，部分厂商采用它来提升结晶速率或控制缺陷密度。

此过程需严格控制晶体温度梯度、生长速率、气体流量和腔体压力，以最大限度减少微管、位错等结构缺陷。

目标晶锭直径：当前已实现 100mm、150mm，部分厂家正向 200mm（8英寸）推进

3. 晶锭切片（Slicing）——硬度之上的精密切割

SiC 的莫氏硬度高达 9.2，仅次于金刚石，因此切割晶锭需使用金刚石线锯配合液冷系统：

切割厚度控制精度高，一般控制在 ±10 μm 内；

同时需降低材料损耗（Kerf Loss）并保持边缘完整性，避免裂纹或崩边。

该步骤是影响最终晶圆产率与成本的关键环节。

4. 研磨与抛光（Grinding / Lapping / Polishing）——平整度与平行度的把控

切片后的 SiC 晶圆表面存在锯痕与粗糙度，需经过多道物理研磨与抛光工序处理：

粗抛/中抛：移除表面损伤，提升整体平整度；

精抛：使用金刚石磨料进一步提升表面光洁度；

双面抛光（DSP）/单面抛光（SSP）：根据下游应用需求选择，最高可达亚纳米级表面粗糙度（Ra < 0.2 nm）。

此阶段还需控制晶圆总厚度偏差（TTV）、翘曲度（Warp）和边缘厚度（Edge TTV）。

5. 化学机械抛光（CMP）——决定器件性能的终极步骤

CMP 是实现超光滑表面的关键工艺，特别适用于制备高质量外延衬底（EPI-ready wafer）：

利用化学腐蚀液与机械载体共同作用，去除表面微观颗粒与纳米级缺陷；

使晶圆表面具备良好的均匀性、低缺陷密度、优良的平整度。

CMP 后的表面状态直接影响后续外延层的厚度均匀性和缺陷扩散行为，是决定最终器件良率的关键一环。

碳化硅晶圆的核心优势

应用场景：SiC 正在改变哪些行业？

✅ 电动汽车（EV）：SiC MOSFET 被广泛用于主驱逆变器、车载充电器（OBC）与DC/DC转换模块
✅ 工业电源：提升能效、减小体积、降低热管理成本
✅ 5G 通信与射频放大器：高频、耐高压特性适用于基站与高功率放大器
✅ 航空航天与卫星系统：SiC 器件在极端环境中表现稳定可靠
✅ 光伏与风电逆变器：SiC 器件可提升功率转换效率与系统寿命

结语：从材料到核心战略

碳化硅晶圆的制造融合了材料科学、晶体生长、精密加工与半导体工艺等多学科技术，是现代先进电子系统的基础平台。随着 200mm 晶圆工艺逐渐成熟，国产化设备与外延工艺不断优化，SiC 材料正成为驱动全球能源转型与智能制造升级的关键引擎。

江阴晶沐光电新材料有限公司长期致力于高质量 SiC 衬底与外延片的研发与产业化。我们可为客户提供包括 4H-SiC 衬底、EPI-ready 晶圆、外延定制服务等在内的一体化解决方案，满足新能源汽车、工业驱动、射频通信等多场景需求。

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