作为第三代半导体材料的典型代表，碳化硅因具备宽带隙、高热导率、高击穿电场以及大电子迁移速率等性能优势，是制作高压、高频、高功率器件的理想材料，可有效突破传统硅基功率半导体器件的物理极限，被誉为带动“新能源革命”的绿色能源材料。在功率器件的生产制造流程中，碳化硅单晶衬底的生长和加工是决定性能和良率的关键环节，下面简要概述其生长和加工过程：
一、SiC单晶晶体生长：
1955年，Lely等首次提出了一种用于制备碳化硅晶体的升华技术，自此开启了碳化硅材料制备及器件制造的新局面。遗憾的是，由于该方法所得晶体尺寸有限、形状不规则且容易包含多种晶型，难以应用于实际器件制造。1978年，Tairov等通过在石墨坩埚上部低温区引入SiC籽晶，成功解决了多晶成核问题，为实现高质量大尺寸碳化硅单晶的可控生长提供了可能，该方法被称为改良Lely法或物理气相传输法（简称PVT法），是目前工业生产所采用的主要方法。
图1：PVT 法碳化硅晶体生长原理示意图
改良的Lely方法最重要的特征是在SiC生长过程中引入SiC籽晶来保证SiC晶型的稳定，故生长中作为“种子”的籽晶显得尤为重要。除了要求籽晶具有特定偏轴角度（一般为4°）外，还要求籽晶的面型、电阻率、缺陷等指标要控制在一定范围内。其中，必须管控的缺陷有：微管、多型、包裹、颜色不均、六方空洞等生长缺陷，以及划痕、崩边、裂纹、坑点等加工缺陷。
经过层层选拔的合格籽晶，进行粘接、装炉。碳化硅原料在高温下经过分解与升华，从料面传输至上部籽晶表面，进而在籽晶生长面沉积并结晶，最终形成碳化硅单晶晶锭。
二、SiC晶锭加工：
图3：PVT法生长碳化硅晶体实物照片
出炉的碳化硅晶锭，其表面及四周并不规则，要先经过X射线定向、滚外圆和磨平面，将晶锭加工成标准尺寸形状的光滑圆柱体，才能进入晶锭加工的关键步骤：切割，即使用精密的切割技术将SiC晶锭分割成多个薄片。
目前主要的切割技术包括砂浆线切割、金刚线切割和激光剥离技术。其中，砂浆线切割利用含有磨料的线和砂浆来切割SiC晶锭。在几种方式中是最为传统的方法，成本较低，但切割速度较慢，且可能在衬底表面留下较深的损伤层。这些深层损伤即使经过后续的研磨和CMP工艺，也无法良好去除，容易在外延工艺中继承、产生划痕，台阶线等缺陷。如下图所示：
金刚线切割技术采用金刚石颗粒为磨料，通过高速旋转的线来切割SiC晶锭。这种方法的切割速度快，表面损伤层较浅，有助于提高衬底的质量和成品率。但其与砂浆切割同样存在SiC材料损耗大的问题。而激光剥离技术通过激光束的热效应来分离SiC晶锭，可提供非常精确的切割，减少衬底的损伤，具有速度和损耗等优势。但该切割方法成本较高，技术还有待完善，尚未在SiC领域实现规模化应用。
碳化硅晶锭经过上述定向、滚外圆、磨平及切割后，变成翘曲度小、厚度均匀的晶体薄片。原来在晶锭中不可观测的缺陷，此时即可进行初步过程检测，这是判定晶片是否继续加工的重要依据。主要检测的缺陷有：杂晶、微管、六方空洞、包裹物、小面颜色异常、多型等。
六方孔洞 崩边
小面颜色异常 裂纹
图5：加工过程典型缺陷
三、SiC晶片加工：
由于切割片边缘存在应力，若直接进行后续加工、转运，晶片边缘应力集中容易导致崩边、裂纹等现象。同时，为了减小后续工艺中研磨垫、抛光垫等器材的损耗，需要将切割后锋利的晶片边缘磨削成指定形状，即倒角。
图6：倒角示意图
倒角后的切割片，其表面平坦度及粗糙度还远达不到中下游外延和器件生产的要求，需进行进一步的研磨、抛光，去除切割留下的锯纹、损伤层。研磨分为粗磨和精磨，使用粒径越来越小的碳化硼或金刚石磨料，更低的去除速率，以去除前道加工工艺中未能去除的损伤及新引入的损伤。
研磨工艺成本相对较低，但工序繁琐（在CMP之前还需要DMP加工），灵活性低，自动化水平不高，对于大尺寸晶圆的加工，存在较高的破片风险。此外，由于需要使用研磨液，对环境也会产生一定的影响。减薄工艺的出现，使替代传统研磨工艺成为了可能。由于无需DMP加工，减薄工艺采用磨轮加工，使得生产速度更快，面型控制能力更强，适合大尺寸晶圆加工。由于其灵活性更好，可以实现单片加工。工艺过程中无需采用研磨液，因此加工过程也更环保。但目前，磨轮耗材的成本依然较高，限制了该工艺的大规模使用。
图7：研磨后表面情况（依然存在浅表损伤）
碳化硅切割片经过减薄或研磨后, SiC衬底表面损伤变浅，但依然存在，需要通过抛光工艺来获得粗糙度＜0.1nm的超光滑表面。化学机械抛光（CMP）是当前最为普及且认可度最高的抛光工艺。首先使用高锰酸钾或双氧水对SiC损伤层表面进行氧化。借助氧化铝或氧化硅磨粒与抛光垫的机械摩擦，去除软化后的氧化层。CMP后，衬底表面基本不存在划痕和亚表面损伤，粗糙度＜0.1nm，呈镜面效果，是实现 4H-SiC 衬底表面超光滑无损伤的关键工艺。但较低的材料去除率仍然是CMP的主要问题，导致该工序需要大量的加工时间和成本。因此，业内开始搭配辅助增效技术，如等离子体辅助、催化剂辅助、紫外光辅助、电场辅助等，来提高该工序的生产效率。
图8：化学机械抛光工艺示意图
CMP结束后，碳化硅晶圆表面的断裂键力场很强，极易吸附颗粒、金属、有机物、湿气分子和氧化膜等污染物。需要经过预清洗，对晶片进行宏观检测，对其质量进行初步判级。检测缺陷主要包括：微管、划伤、杂晶、多型/颜色异常、未磨平、崩边、裂纹、包裹物等。
经过层层筛选的准合格晶片，再经过终端清洗（通常采用RCA）去除表面颗粒、金属、有机物等污染物，以满足外延生长、器件加工的质量要求。湿法清洗所用的清洗液主要有硫酸清洗液（SPM)、碱清洗液(APM)、DHF等。RCA的清洗效果需要进一步用表面缺陷测试仪（终检）进行颗粒检测的验证。
目前采用的测试方法主要有激光散射法和共聚焦显微法两种。除了可以检测颗粒，还可以验证CMP后的精细划痕，以及前道工序无法观测到的小微管、凹坑、堆叠层错等。终测合格的碳化硅衬底晶片即可打包出货，用于外延生长，进而用于器件加工等各类应用。
图10：衬底终检典型缺陷
图11：相关外延缺陷
