关于半导体碳化硅（Sic）外延工艺技术的详解；

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碳化硅外延是一种 在碳化硅衬底上生长的单晶薄膜 ，其生长过程通常在高温、高压的气氛中进行，通过气相沉积技术在衬底表面形成一层与衬底晶格结构相匹配的碳化硅薄膜。

外延技术的主要目的是在原有的衬底上制造出高质量的半导体器件。根据不同的应用需求，外延层可以是同质外延（在导电型碳化硅衬底上生长碳化硅外延层）或异质外延（在半绝缘型碳化硅衬底上生长氮化外延层）。

碳化硅外延片的质量和性能直接影响到最终器件的性能，因为外延层可以消除衬底表面的缺陷，使晶格排列整齐，表面形貌得到改善，从而生长出新的半导体晶体层。

外延层的尺寸通常与衬底相同，常见的规格包括2英寸（50mm）、3英寸（75mm）、4英寸（100mm）、6英寸（150mm）和8英寸（200mm）。

碳化硅外延技术在制备功率半导体器件、高速集成电路和光电器件等方面有广泛应用，因为它能够最大程度地利用碳化硅本身的优良特性，如高击穿电场、高饱和电子速度、高热导率等。以下从原理、生长方法、主要应用等方面进行具体介绍：

一、碳化硅（Sic）外延的基本介绍

1、基本概念

在半导体制造领域，“外延” 指的是在单晶衬底上生长一层与衬底具有相同晶体结构的单晶薄膜的过程。碳化硅外延就是以碳化硅（SiC）单晶片为衬底，通过特定的工艺方法，在其表面生长出一层高质量的碳化硅薄膜。这层外延层具有与衬底不同的物理、化学或电学特性，可用于制造各种高性能的半导体器件。

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2、原理

碳化硅外延生长的基本原理是利用化学反应或物理过程，将含有硅（Si）和碳（C）元素的气态反应物输送到高温的碳化硅衬底表面，在衬底表面发生化学反应或物理沉积，使硅和碳原子按照一定的晶体结构排列，逐渐生长出一层新的碳化硅薄膜。例如在化学气相沉积（CVD）法中，通常使用硅烷（SiH₄）、丙烷（C₃H₈）等作为反应气体，在高温和催化剂的作用下，这些气体发生分解和化学反应，硅和碳原子沉积在衬底上，形成碳化硅外延层。

3、生长方法

（1）化学气相沉积（CVD）法：这是目前最常用的碳化硅外延生长方法。在高温反应腔室内，反应气体在衬底表面发生化学反应，生成碳化硅并沉积在衬底上。通过精确控制反应气体的流量、比例、温度和压力等参数，可以生长出高质量的碳化硅外延层。

（2）分子束外延（MBE）法：在超高真空环境下，将硅和碳的原子束蒸发到碳化硅衬底上，原子在衬底表面吸附、扩散并结合，形成碳化硅外延层。MBE 法可以实现原子级别的精确控制，生长出的外延层具有非常好的晶体质量和界面平整度，适用于制造高性能、高灵敏度的碳化硅基半导体器件。

（3）物理气相传输（PVT）法：利用高温使碳化硅原料升华，产生的气态碳化硅传输到较低温度的衬底表面，在衬底上沉积并结晶，形成碳化硅外延层。PVT 法生长速度相对较快，可用于生长较大尺寸的碳化硅外延片，但外延层的质量和均匀性相对 CVD 法和 MBE 法略差。

4、主要应用

（1）功率器件：碳化硅外延片用于制造功率 MOSFET、IGBT 等功率器件，可大幅提高器件的耐压能力、开关速度和效率，降低能耗，广泛应用于电动汽车、光伏发电、智能电网等领域。

（2）射频器件：在 5G 通信、卫星通信等领域，碳化硅外延片可用于制造高性能的射频功率放大器、开关等器件，能够在高频率、高功率下工作，提高通信系统的性能和可靠性。

（3）光电器件：如发光二极管（LED）、激光二极管（LD）等光电器件，利用碳化硅外延层的特殊光学和电学性质，可以实现高亮度、高效率的发光和激光输出，应用于照明、显示、光通信等领域。

二、提高碳化硅（Sic）外延品质的方法

提高碳化硅外延品质可从优化衬底质量、改进外延生长工艺、严格控制生长环境以及加强质量检测等方面入手，具体方法如下：

1、衬底选择与处理

（1）选择高质量衬底：优先挑选结晶质量佳、缺陷密度低的碳化硅衬底。例如，位错密度低于 10³/cm² 的衬底，能为外延生长提供良好基础，有效减少外延层的缺陷。同时，确保衬底的晶向精度，如（0001）晶向的偏差控制在 ±0.5° 以内，可使外延层的生长更有序。

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（2）衬底清洗：采用多步清洗工艺，先用有机溶剂如丙酮、乙醇超声清洗，去除表面的有机物和油污，再用稀酸溶液如氢氟酸溶液去除表面的氧化层，最后用去离子水冲洗并氮气吹干，确保衬底表面清洁无污染。

（3）衬底预处理：在生长前对衬底进行高温退火处理，在 1600 - 1800℃的高温下，于惰性气体氛围中退火数小时，可修复衬底表面的微小缺陷，改善表面原子排列，提高外延层与衬底的晶格匹配度。

2、外延生长工艺优化

（1）精确控制生长温度：通过精确的温度控制系统，将生长温度波动控制在 ±2℃以内。以化学气相沉积（CVD）为例，生长温度一般在 1500 - 1600℃，稳定的高温环境有助于原子的扩散和排列，减少缺陷形成。

（2）优化气体流量与比例：精确调节反应气体如硅烷（SiH₄）、丙烷（C₃H₈）和氢气（H₂）的流量和比例。例如，SiH₄与 C₃H₈的流量比在 1:1.5 - 1:2 之间，H₂作为载气，流量控制在 10 - 20 L/min，可保证反应源充足且比例合适，有利于形成高质量的外延层。

（3）选择合适的生长速率：根据外延层的厚度和质量要求，选择合适的生长速率。一般来说，生长速率在 0.5 - 2 μm/h 之间较为合适，较低的生长速率有助于原子更充分地排列，减少缺陷，但速率过低会影响生产效率。

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（4）采用先进的生长技术：如采用等离子体增强化学气相沉积（PECVD）技术，利用等离子体激活反应气体，可降低生长温度，提高生长速率和外延层质量。或者使用分子束外延（MBE）技术，能够实现原子级别的精确控制，生长出高质量的碳化硅外延层。

3、生长环境控制

（1）保持反应室清洁：生长前对反应室进行彻底的清洁和烘烤，去除残留的杂质和气体。定期对反应室进行维护和检查，确保密封良好，防止外界杂质进入。

（2）控制气氛纯度：使用高纯度的气体，如纯度达到 99.999% 以上的氢气、硅烷和丙烷等，减少气体中的杂质对外延层质量的影响。同时，在生长过程中保持稳定的气体流量和压力，避免压力波动对外延层生长的干扰。

（3）磁场辅助生长：在生长过程中引入适当的磁场，磁场强度在 5 - 10 T 之间，可影响等离子体的运动和反应离子的分布，使外延层生长更加均匀，减少缺陷。

4、质量检测与反馈

（1）在线监测：采用原位监测技术，如反射高能电子衍射（RHEED）、光致发光谱（PL）等，实时监测外延层的生长情况，及时发现生长过程中的异常，如表面粗糙度增加、缺陷形成等，以便及时调整工艺参数。

（2）离线检测：生长完成后，通过扫描电子显微镜（SEM）、原子力显微镜（AFM）、X 射线衍射（XRD）等手段对外延层的厚度、表面形貌、晶体结构等进行全面检测。根据检测结果，分析影响品质的因素，针对性地优化工艺。

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（3）建立质量反馈机制：将质量检测结果及时反馈给工艺工程师，以便对工艺参数进行调整和优化。通过不断地试验和改进，逐步提高碳化硅外延的品质。

通过上述方法，可以有效提高碳化硅外延的品质，从而推动碳化硅材料的应用和发展。建议在实际应用中，根据具体需求和设备条件，选择合适的方法进行优化。

三、碳化硅（Sic）外延未来的发展趋势

碳化硅外延技术未来的发展趋势主要包括以下几个方面：

1、尺寸与产能方向

（1）大尺寸化：8 英寸外延炉将成为市场主流，国际上德国 Aixtron、意大利 LPE 已量产，国内中微公司、北方华创推出的 8 英寸设备 2024 年进入客户验证阶段。12 英寸外延设备预研工作正在开展，如 Aixtron 联合 Wolfspeed 开发 12 英寸外延原型机，目标 2030 年量产；中电科 48 所也启动了 12 英寸设备预研。

（2）产能提升：通过多片并行生长技术，如 Aixtron G10 - SiC 支持 8×8 英寸外延片，产能较 6 英寸提升 3 倍以上，以满足市场对碳化硅外延片不断增长的需求。

2、工艺与质量方向

(1) 高温 CVD 技术突破：高温化学气相沉积（HT - CVD）技术将进一步发展，生长温度 > 1600℃，可提升晶体质量，使位错密度 < 100 cm⁻²，适配 1200V 以上高压器件。同时，石墨基盘耐高温涂层（如 TaC）寿命延长至 500 次以上，气体喷淋头也将不断优化，以提升反应气体均匀性。

(2) 精准掺杂与多层外延：原位掺杂技术将实现氮（N）、铝（Al）掺杂浓度波动控制至 ±5% 以内，优化器件导通电阻与击穿电压，并集成在线浓度监测，实时调整掺杂流量。此外，开发缓冲层 - 漂移层 - 接触层一体化外延工艺，以适配沟槽栅 MOSFET 需求。

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3、设备与技术方向

（1）智能化与自动化：利用 AI 技术进行工艺控制，通过机器学习分析生长参数，预测微管、层错等缺陷，准确率 > 90%；AI 算法自动匹配最佳生长速率与掺杂浓度，缩短工艺调试周期 50%。实现晶圆传输 - 外延生长 - 检测 - 包装全流程自动化，人工干预减少 80%，并通过数字孪生技术虚拟仿真优化设备参数，降低试错成本。

（2）新型外延技术探索：液相外延（LPE）技术具有低温生长、缺陷密度低的优势，未来有望取得突破，解决生长速率低和溶剂污染控制难的问题；异质外延（如 GaN - on - SiC）技术将随着 5G 毫米波基站的发展，推动设备升级，对厚度均匀性要求达到 ±1%。

4、产业协同与成本方向

（1）国产替代加速：国家政策支持下，“十四五” 规划将 SiC 外延设备列为重点，补贴覆盖研发投入的 30%-50%。国内中微公司、北方华创、晶盛机电等企业在外延炉设备上不断取得突破，配套设备如上海微电子的 SiC 专用 X 射线衍射仪、沈阳芯源的自动传输机械臂等也实现国产化，提高设备自主化率。

（2）供应链协同降本：实现高纯硅烷、碳源气体等耗材国产化，降低成本 30%。设备商与衬底厂商统一晶圆传输标准，减少适配成本。通过远程诊断与预测性维护技术普及，设备停机时间减少 50%，降低维护成本。

最后想说的话

碳化硅外延技术未来的发展趋势是大尺寸化、成本效应、技术升级与精准掺杂、广泛应用领域、市场竞争加剧以及政策支持与产业链完善。这些趋势将共同推动碳化硅外延技术在电力电子、光电子、射频器件等领域发挥更大的作用，并促进相关产业的升级和发展。

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审核编辑 黄宇