SiC晶体生长和加工

  SiC是重要的宽禁带半导体,具有高热导率、高击穿场强等特性和优势,是制作高温、高频、大功率、高压以及抗辐射电子器件的理想材料,在军工、航天、电力电子和固态照明等领域具有重要的应用,是当前全球半导体材料产业的前沿之一。
  物理气相传输(PVT)法生长SiC晶体直到20世纪90年代才获得突破,主要原因在于其生长过程难以控制:(1) 生长温度高达2200-2500 ℃,生长过程中温场易发生变化;(2) 存在200多种晶型,且各晶型的生成自由能差别很小,生长过程中很容易相变;(3) 晶体中很容易产生微管等缺陷,严重影响器件性能;(4) 晶体生长过程中,气相成分不断变化,容易导致包裹物的形成。国际上只有少数机构掌握了PVT法生长SiC单晶的关键技术,并对我国实行严密的技术封锁。开展SiC晶体研究和产业化,对满足国家安全需求和推动我国高端微电子和光电子产业的发展具有重要意义。
  研究组自1999年以来持续开展SiC晶体研究,解决了大尺寸SiC晶体生长的关键科学和技术问题,在SiC单晶制备领域取得了突破,主要成果如下:(1) 研制出具有自主知识产权的SiC晶体生长炉(图1),避免使用感应线圈和生长室之间的双层夹水石英管,提高了耦合效率,最高温度可达2600 ℃,可生长4英寸晶体,可实现压力的精确动态控制、坩埚的轴向运动和自转,设备整体性能与国外同类设备相当,但制造成本只有国外同类设备的1/8左右。(2) 突破了SiC晶体微管密度控制、电阻率调控和化学机械抛光等关键技术,掌握了晶体生长和加工的核心技术,形成了一套从原料获得、晶体生长、加工、检测到清洗封装的技术路线,先后申请国家发明专利23项,其中4项已获得授权。(3) 研制出了多种规格的高质量2-4英寸4H-SiC和6H-SiC导电和半绝缘晶片(图2),75%晶片微管密度低于10个/cm2,95%晶片X-射线摇摆曲线半高宽小于30弧秒,半绝缘晶片的电阻率大于106 Ω·cm,导电4H碳化硅晶片的电阻率控制在0.02 Ω·cm以下,技术指标达到了国际同类产品的先进水平。(4) 在国内率先实现了SiC晶体的产业化,2006年以3项发明专利作为无形资产入股成立了北京天科合达蓝光半导体有限公司,建立了完整的SiC晶体生长和加工线,克服了规模生产中晶体生长和加工的重复性和稳定性等工程问题,形成了年产3万片SiC晶片的产能。已向国内用户批量供应SiC晶片,打破了国外禁运,晶片产品还出口到欧、美、日等20多个国家和地区,产品具有很强的市场竞争力。

 
   
  2-4英寸N型4H-SiC晶片 3英寸半绝缘4H-SiC晶片  
 

第三代晶体生长炉

可生长4英寸晶体;

旋转温场,径向温度分布更加均匀;

压力动态调节;

恒温区加大,晶体长度30毫米(45);

真空度分子泵提高优于10-6 Torr。

 
   
 
多线切割机
双面研磨机
 
   
 
单面抛光机
单面研磨机
 
 
 
 
单面研磨机
百级超净室