碳化矽製造面臨的挑戰：粉末純度、晶錠均勻性及其他

在眾多寬頻隙半導體材料中， 碳化矽碳化矽（SiC）已成為備受關注的材料，尤其是在高功率轉換領域。它廣泛應用於電動車（EV）的牽引逆變器和車載充電器，以及直流快速充電、太陽能逆變器、儲能係統和不間斷電源（UPS）等基礎設施領域。儘管 碳化矽 一百多年來，它一直被用於大規模生產，最初主要用作磨料，後來也證明了它在高壓和大功率應用中具有優異的性能。

從物理特性來看，碳化矽具有高導熱性、高飽和電子漂移速度及高擊穿電場（如圖1）。因此，基於碳化矽的系統能夠顯著降低能量損耗並實現更快的開關速度。與傳統的矽MOSFET和IGBT元件相比，碳化矽能夠在更小的尺寸、更高的效率和更強的性能下實現這些優勢。

圖1：矽和寬帶隙材料的特性

碳化矽帶來的機遇

對製造商而言，碳化矽被視為一項重要的競爭優勢，它不僅能夠幫助他們建立節能係統，還能有效降低整個系統的尺寸、重量和成本。這是因為採用碳化矽的系統通常比矽基系統更節能、更緊湊、更耐用，而且設計人員可以透過縮小被動元件的尺寸來降低成本。更具體地說， 碳化矽裝置由於發熱量較低（如圖 2 所示），因此 s 可以在比傳統解決方案更低的溫度下運行，以用於特定應用。這使得碳化矽能夠提高系統效率，同時提高可靠性並延長設備壽命。

圖2：碳化矽應用優勢

在設計和製造過程中，採用新型晶片連接技術（例如燒結技術）有助於更有效地散熱並確保連接的可靠性。與矽元件相比，碳化矽元件能夠在更高的電壓下工作，並提供更快的開關速度。這些優勢使設計人員能夠重新思考如何在系統層級優化功能的同時提高價格競爭力。目前，許多高性能元件都採用了碳化矽技術，包括碳化矽二極體。 碳化矽MOSFET以及碳化矽模組。

與矽材料相比，碳化矽優異的性能為新興應用開闢了廣闊的前景。 碳化矽元件的設計電壓通常不低於 650V，尤其是高於 1200V，這使得碳化矽成為許多應用的最佳選擇。 未來，太陽能逆變器、電動車充電樁和工業交流/直流轉換等領域將逐步採用碳化矽技術。另一個應用領域是固態變壓器，現有的銅製和磁性變壓器將被碳化矽技術逐步取代，顯著提高電力傳輸和轉換的效率和可靠性。

碳化矽帶來的挑戰

儘管碳化矽市場潛力巨大，但其生產過程面臨諸多挑戰。首先，必須確保原料（即碳化矽顆粒或碳化矽粉末）的純度。其次，需要製備高一致性的碳化矽錠（如圖3所示），並在後續的每個加工步驟中累積經驗，以確保最終產品的可靠性（如圖4所示）。

碳化矽的獨特挑戰之一在於它沒有液相，因此無法透過傳統的熔融法來生長晶體。晶體的生長必須在精確控制的壓力下進行，這使得碳化矽的製備比矽更為複雜。如果碳化矽在高壓和低壓環境下保持穩定，它會直接分解成氣態物質，而不會經過液相過程。由於此特性，碳化矽晶體通常採用昇華或物理氣相傳輸（PVT）技術進行生長。

在此過程中，將碳化矽粉末置於坩堝中，放入爐內加熱至高溫（超過2200°C）。碳化矽昇華後，會在晶種上結晶形成結晶。 PVT法生長晶體的關鍵在於晶種，其直徑與錠塊相近。需要注意的是，PVT法的晶體生長速度非常緩慢，大約每小時0.1至0.5毫米。

圖3：碳化矽粉末、晶體錠和晶片

由於碳化矽的硬度遠高於矽，晶圓製造流程變得更加複雜。碳化矽是一種極其堅硬的材料，即使使用鑽石鋸也很難切割，其硬度與其他許多半導體材料截然不同。雖然目前有多種方法可以將碳錠切割成晶圓，但這些方法通常會在單晶中引入缺陷，從而影響最終材料的品質。

圖4：碳化矽從原料到最終產品的製造過程

此外，碳化矽的規模化生產也面臨許多挑戰。與矽相比，碳化矽的固有缺陷較多。其摻雜製程極為複雜，而生產缺陷較少的大尺寸晶圓意味著更高的製造和加工成本。因此，從一開始就建立高效嚴謹的開發流程對於確保持續生產高品質產品至關重要。

圖5：挑戰－碳化矽晶片及其缺陷