碳化硅制造面临的挑战：粉末纯度、晶锭均匀性及其他

在众多宽带隙半导体材料中， 碳化硅碳化硅（SiC）已成为一种备受关注的材料，尤其是在高功率转换领域。它广泛应用于电动汽车（EV）的牵引逆变器和车载充电器，以及直流快速充电、太阳能逆变器、储能系统和不间断电源（UPS）等基础设施领域。尽管 碳化硅 一百多年来，它一直被用于大规模生产，最初主要用作磨料，后来也证明了它在高压和大功率应用中具有优异的性能。

从物理特性来看，碳化硅具有高导热性、高饱和电子漂移速度和高击穿电场（如图1所示）。因此，基于碳化硅的系统能够显著降低能量损耗并实现更快的开关速度。与传统的硅MOSFET和IGBT器件相比，碳化硅能够在更小的尺寸、更高的效率和更强的性能下实现这些优势。

图1：硅和宽带隙材料的特性

碳化硅带来的机遇

对于制造商而言，碳化硅被视为一项重要的竞争优势，它不仅能够帮助他们构建节能系统，还能有效降低整个系统的尺寸、重量和成本。这是因为采用碳化硅的系统通常比硅基系统更节能、更紧凑、更耐用，而且设计人员可以通过减小被动元件的尺寸来降低成本。更具体地说， 碳化硅器件由于发热量较低（如图 2 所示），因此 s 可以在比传统解决方案更低的温度下运行，以用于特定应用。这使得碳化硅能够提高系统效率，同时提高可靠性并延长设备寿命。

图2：碳化硅应用优势

在设计和制造过程中，采用新型芯片连接技术（例如烧结技术）有助于更有效地散热并确保连接的可靠性。与硅器件相比，碳化硅器件能够在更高的电压下工作，并提供更快的开关速度。这些优势使设计人员能够重新思考如何在系统级优化功能的同时提高价格竞争力。目前，许多高性能器件都采用了碳化硅技术，包括碳化硅二极管。 碳化硅MOSFET以及碳化硅模块。

与硅材料相比，碳化硅优异的性能为新兴应用开辟了广阔的前景。 碳化硅器件的设计电压通常不低于 650V，尤其是高于 1200V，这使得碳化硅成为许多应用的最佳选择。 未来，太阳能逆变器、电动汽车充电桩和工业交流/直流转换等领域将逐步采用碳化硅技术。另一个应用领域是固态变压器，现有的铜制和磁性变压器将被碳化硅技术逐步取代，从而显著提高电力传输和转换的效率和可靠性。

碳化硅带来的挑战

尽管碳化硅市场潜力巨大，但其生产过程面临诸多挑战。首先，必须确保原材料（即碳化硅颗粒或碳化硅粉末）的纯度。其次，需要制备高一致性的碳化硅锭（如图3所示），并在后续的每个加工步骤中积累经验，以确保最终产品的可靠性（如图4所示）。

碳化硅的独特挑战之一在于它没有液相，因此无法通过传统的熔融法生长晶体。晶体的生长必须在精确控制的压力下进行，这使得碳化硅的制备比硅更为复杂。如果碳化硅在高压和低压环境下保持稳定，它会直接分解成气态物质，而不会经过液相过程。由于这一特性，碳化硅晶体通常采用升华或物理气相传输（PVT）技术进行生长。

在此过程中，将碳化硅粉末置于坩埚中，放入炉内加热至高温（超过2200°C）。碳化硅升华后，会在晶种上结晶形成晶体。PVT法生长晶体的关键在于晶种，其直径与锭块相近。需要注意的是，PVT法的晶体生长速度非常缓慢，大约每小时0.1至0.5毫米。

图3：碳化硅粉末、晶体锭和晶片

由于碳化硅的硬度远高于硅，晶圆制造工艺变得更加复杂。碳化硅是一种极其坚硬的材料，即使使用金刚石锯也很难切割，其硬度与其他许多半导体材料截然不同。虽然目前有多种方法可以将碳锭切割成晶圆，但这些方法通常会在单晶中引入缺陷，从而影响最终材料的质量。

图4：碳化硅从原材料到最终产品的制造过程

此外，碳化硅的规模化生产也面临诸多挑战。与硅相比，碳化硅的固有缺陷更多。其掺杂工艺极其复杂，而生产缺陷更少的大尺寸晶圆意味着更高的制造和加工成本。因此，从一开始就建立高效严谨的开发流程对于确保持续生产高质量产品至关重要。

图5：挑战——碳化硅晶片及其缺陷