在碳化硅生产流程中，碳化硅衬底制备是最核心环节，技术壁垒高，难点主要在于晶体生长和切割。单晶生长后，将生长出的晶体切成片状，由于碳化硅的莫氏硬度为9.2，仅次于金刚石，属于高硬脆性材料，因此切割过程耗时久，易裂片。实现切割损耗小、并且切割出厚度均匀、翘曲度小的高质量SiC晶片是目前面临的重要技术难点。

碳化硅晶体生长到底难在哪儿？

硅晶锭可以长得很长，而碳化硅则不然。对于硅、锗及砷化镓、磷化铟等半导体材料，晶体材料都是在熔体中生长出来的。首先用横截面通常为10mm×10mm的籽晶生长晶体，并使用籽晶和熔体界面之间形成的细颈放肩将晶体的直径扩大到所需水平。扩径完成后，晶体就会以既定的速率从熔体中拉出。其生长速率为1mm/h到150mm/h。目前，单晶硅棒长度已超过2米，直径达12英寸。

由于碳化硅材料不存在于常压液相，因此无法从熔体中生长晶体。如果将碳化硅保持在高温和低压下，它会不经过液相而分解成气态物质。由于这种特性，碳化硅晶体要使用升华或物理气相传输（PVT）技术生长。这种方法的首要条件是需要有同等直径的籽晶。PVT生长速率通常在0.1mm～0.5mm/h。目前碳化硅晶锭的长度仅为50mm左右，直径8英寸已经是最大尺寸了。

为了将碳化硅的质量提升到新的高度，同时更精确地控制材料生长，研究人员已经实现了PVT工艺的诸多改进，并探索了其他可行的方法，比如不用固体碳化硅粉末，而用气体裂解供应碳和硅源的高温化学气相沉积（HT-CVD）；掺杂氮气或其他气体的改良PVT（M-PVT）；以及采用气态或易挥发物质的卤化物CVD和HT-CVD和PVT的组合等。

近年来，人们对在溶液中生长碳化硅晶体产生了浓厚的兴趣，因为它具有生产大尺寸、高质量碳化硅衬底的潜力。但这项技术仍在研究中，尚不能实现商业化。其缺点之一是在大气压下缺乏化学计量的碳化硅液相，因此不可能实现一致熔融的熔体生长。

对碳化硅来说，虽然扩大直径相对容易一些，但是限于长晶设备不可能无限制扩大口径（也有技术难度，且成本不菲），另外还有籽晶本身直径难以做大的问题。所以，能扩大到8英寸已非易事。由此看来，碳化硅的厚度是技术竞争的关键。


碳化硅晶体切割技术种类

20 世纪 80 年代以前，高硬脆材料一般采用涂有金刚石微粉的内圆锯进行切割。由于内圆锯切割的切缝大、材料损耗多，且对高硬脆材料的切割尺寸有限制，从 20 世纪 90 年代中期开始，切缝窄、切割厚度均匀且翘曲度较低的线锯切割方式逐步发展起来。线锯切割以钢线做刃具，主要分为游离磨料（砂浆线切割）和固结磨料切割（金刚石线锯切割技术）两类。

1、砂浆线切割

砂浆切割技术指一种切割高硬脆材料的切割工艺技术。该工艺以钢线为基体，莫氏硬度为 9.5 的碳化硅（SiC）作为切割刃料，钢线在高速运动过程中带动切割液和碳化硅混合的砂浆进行摩擦，利用碳化硅的研磨作用达到切割效果。砂浆线切割技术中，砂浆是磨粒的载体，对悬浮于其中的磨粒起到稳定分散的作用，因此需要一定的黏度，同时砂浆还需要带动磨粒随线锯一起运动，因此需要具有较好的流动性，还应具有较好的导热性防止切片温度过高，在实际应用中一般选择聚乙二醇（PEG）作为磨粒的分散剂。

砂浆切割技术具有切缝窄、切割厚度均匀等优点，适用于硅材料和SiC切片，但存在加工效率低、磨粒利用率低、对环境不友好等缺点。


2、金刚石线切割

金刚线，或称金刚石线、电镀金刚线，是用电镀的方法在钢线基体上沉积一层金属镍，金属镍层内包裹有金刚石微粉颗粒，从而使金刚石颗粒固结在钢线基体上而制得的一种线性超硬材料切割工具。金刚线切割技术指以金刚线为切割工具，配合专用的切割设备和适合的切割工艺，实现硬脆材料切割加工的技术。

金刚石线切割工艺相较上一代游离磨料砂浆切割工艺具有巨大优势，具备大幅降低线耗成本、提高材料利用率，大幅降低切割磨损、提高切割速度，大幅提升切片效率、与砂浆线切割技术不同，通常使用水基冷却剂，较为环保，摒弃游离磨料砂浆切割所使用的昂贵且不环保的碳化硅等砂浆材料等特点，因此用金刚石线切割有效降低了切割环节成本。在金刚石线使用中，线径大小、切割速度、金刚石线消耗量、TTV情况是切片成本的主要影响要素。


3、激光切割

激光剥离技术是将激光聚焦到晶圆表面以下，在碳化硅晶锭内部不同深度处进行逐层扫描生成单道或者多道改质层，之后，在外张力作用下，改质层裂纹沿垂直于晶圆表面方向扩展，使晶圆由内向外劈裂，从而在碳化硅晶锭上剥离出晶圆。碳化硅的激光切割一般使用皮秒红外激光器作为光源，近红外波长能够更好的透过碳化硅并聚焦在材料内部形成改质区。这种技术具有材料损耗低、加工效率高、出片数量多等优势，有望成为金刚线切割技术的理想替代方案。

据DISCO官网介绍，其 KABRA 激光剥离技术6英寸SiC晶锭上切割一个晶片需要10min（一个晶锭需要31h），而传统技术则需要3.1h（一个晶锭需要100h），单个晶锭可生产的晶片数量是现有工艺的 1.4 倍。

激光微水射流加工技术利用了激光在水和空气的界面上发生全反射的现象，使激光耦合在稳定的水射流内部，利用水射流内部很高的能量密度来实现材料的去除。6英寸单片晶圆片降低衬底总成本35%，效率提升8倍。

碳化硅单晶材料尺寸是关键

虽然都是晶锭，但通常人们都把硅晶锭叫做硅棒，而把碳化硅叫做块晶。这是因为硅晶锭的厚度（高度）要比其直径长很多，像一根棒，而碳化硅晶锭就像一张饼，其厚度比直径小很多。

不管是硅还是碳化硅，人们一直在谋求将晶锭的直径做大，目的是为了切割出直径比较大的晶圆，在上面做出更多芯片。同理，如果能把晶锭的厚度（或高度）做大，那么每个晶锭切割出来的晶圆片就会相应增加。对硅来说，这不算什么问题，但要把碳化硅晶锭厚度做到和硅一样是不可能的。所以，半导体行业的主攻方向还是想把当前主流6英寸晶圆扩大到8英寸，而在晶体生长厚度方面虽然也有进展，但还是有很长的路要走。

碳化硅从2英寸到4英寸、6英寸再到8英寸，基本上是在遵循硅的发展路线演进。在直径方面，碳化硅和硅相差不大。但在晶体厚度方面，由于碳化硅生长工艺技术难度非常大，不能用传统的硅晶锭生长工艺来实现满足使用要求的晶锭厚度。