碳化硅半导体材料制备工艺简介- 大数跨境

先进陶瓷材料产业链

2026-07-14

导读：在新能源汽车、光伏储能、高压电网、航空航天等高端制造领域，碳化硅（SiC）是第三代宽禁带半导体的核心衬底材料。

在新能源汽车、光伏储能、高压电网、航空航天等高端制造领域，碳化硅（SiC）是第三代宽禁带半导体的核心衬底材料。作为第三代半导体核心材料之一，碳化硅相较于传统硅（Si）材料，具备高击穿耐压、耐高温、低导通损耗、高频特性优良等核心性能优势。依托上述特性，碳化硅器件能够有效降低电力电子设备的能量转换损耗、大幅缩减功率器件体积重量、提升设备高温高压工况下的运行可靠性与稳定性，完美适配高压、高频、高温、高效率的高端应用场景。

多数人仅知晓 SiC 芯片某些特性性能远超传统硅基芯片，却不了解这款高性能宽禁带半导体材料，从碳化硅粉末制备，到生长碳化硅单晶、加工成衬底，再到外延薄膜生长，最终封装制成 SiC 芯片的全流程工艺逻辑。本文将用通俗语言，完整拆解碳化硅半导体的生长原理与核心制备工艺。

单晶硅可通过成熟的直拉法、区熔法，依托熔融再结晶的方式高效制备单晶，工艺成熟、量产效率高。而碳化硅的物性特性完全不同：常压环境下碳化硅不存在液态熔融区间，温度达到2000℃以上会直接分解升华，无法像硅一样通过熔融、提拉、再结晶的方式制备单晶。这是碳化硅单晶生长难度远高于硅基材料的首要原因，也是碳化硅产业链成本居高不下的核心因素之一。

在碳化硅半导体产业链中，材料端成型分为两大核心且缺一不可的关键阶段：第一阶段为SiC衬底制备，核心是生长高质量碳化硅体单晶，经过切片、研磨、抛光等工艺，形成基础单晶衬底基材；第二阶段为SiC外延生长，即在平整的衬底表面，生长一层厚度、掺杂精度可控的单晶外延功能层，这一层是后续芯片实现导电、耐压、开关等核心性能的关键功能区域。

SiC 衬底制备

目前行业主流量产工艺为PVT物理气相传输法（又称改良 Lely 法），也是全球90%以上商用SiC衬底的生产工艺，此外还有高温溶液法、高温化学气相沉积法等小众研发工艺。

主流工艺：PVT物理气相传输法

整个生长过程在密闭超高纯石墨坩埚中完成，全程真空或惰性气体保护，核心是“高温升华、低温结晶”的物质迁徙过程，完整流程分为4步：

第一步：原料装填与设备密封

于石墨坩埚底部装填高纯 SiC 多晶料作为生长源，坩埚顶盖内侧固定 4H-SiC 籽晶，籽晶用于限定单晶晶型与结晶取向。装配完成后闭合坩埚盖封闭内腔，将坩埚置入 PVT 高温长晶炉，密封炉腔；对炉腔抽高真空脱除气态杂质后充入高纯氩气，构建洁净、压力可控的惰性生长氛围，为后续高温升华气相传输提供基础环境。

第二步：超高温升温，原料升华

设备采用电磁感应加热方式对石墨坩埚进行整体升温，将底部SiC多晶原料区精准加热至2100℃–2300℃的高温区间。常压惰性氛围下，碳化硅无熔融液相，不会出现固态融化过程，而是直接发生高温升华与热分解，生成以Si、SiC₂、Si₂C为主的复合气相组分。依托坩埚内部上冷下热的轴向温度梯度，高温气相组分持续从底部高温源区，向顶部低温籽晶区发生气相输运迁移。

第三步：温差控速，定向结晶

长晶设备通过高精度温场控制系统，精准调控坩埚内部轴向温度梯度，使顶部籽晶区域温度相较于底部原料区低30–100℃，维持极低且稳定的气相过饱和度。底部升华分解的硅碳复合气相组分持续向上输运，抵达低温籽晶表面后，发生气相冷凝与晶格重构，严格复刻籽晶的晶型、晶向与原子晶格排列规则，在籽晶表面逐层、有序完成同质单晶生长。通过精准把控温差大小，可稳定单晶生长速率，有效抑制自发杂晶、微管、位错等缺陷生成，保障SiC体单晶的生长质量与完整性。

第四步：长时稳态生长，成型SiC单晶晶锭

SiC单晶生长属于慢速精密长晶过程，单炉生长周期可达数十至百余小时。生长全程需维持稳定的轴向温度梯度、炉内压力与惰性气体流量，保持气相过饱和度平稳可控。若工况参数出现波动，会引发生长界面失稳、晶格堆叠紊乱，进而产生微管、位错、杂晶等致命晶体缺陷。随着气相组分持续、均匀地在籽晶表面晶格堆叠重构，最终在籽晶下端逐步生长成型，得到结构完整、晶格有序的高品质SiC单晶晶锭。

刚生长完成的SiC单晶锭无法直接使用，需要经过一系列精密加工：首先去除表层缺陷层，再通过切片、研磨、双面抛光、化学机械抛光（CMP），最终得到表面原子级平整、无划痕、无缺陷的SiC衬底晶圆，为后续外延生长做准备。

SiC 外延生长

很多人误以为PVT法制备的SiC衬底可直接用于制造功率芯片，实则不然。通过PVT长晶得到的SiC单晶衬底，虽拥有完整规整的单晶晶格结构，但产业应用中导电型SiC衬底采用高掺杂设计，主打低电阻率、高导电性能，无法满足功率器件高压耐压的核心需求；同时抛光后的衬底仍会残留微管、基面位错等原生体缺陷。因此，必须在超平整抛光SiC衬底表面，通过外延工艺沉积一层或多层参数定制化的SiC单晶薄膜。这层外延薄膜是SiC功率器件的核心有源功能层，可通过精准调控掺杂浓度与膜厚，承担高压耐压、高速开关、正向导通等核心性能，是决定功率芯片耐压等级、损耗特性的关键结构。

目前高压功率SiC器件的量产主流工艺为SiC化学气相外延（SiC-CVD），行业普遍采用成熟的台阶流外延技术，实现单晶外延层高精度、高均匀性、低缺陷率的稳定生长，满足高端功率器件的量产要求。

外延生长核心原理

将抛光清洗后的超高纯SiC衬底送入外延反应炉，将炉温升至1650–1750℃的标准外延工艺温区。持续通入硅烷、丙烷等高纯气相前驱体作为硅源与碳源，并通过精准固定碳硅配比，保障结晶生长稳定性；同时根据器件设计需求，通入对应微量掺杂气源：以氮气实现n型掺杂，以铝系有机金属气源实现p型掺杂。高温环境下，硅、碳前驱体发生充分热解与气相反应，活性基团在衬底表面依托台阶流机制完成吸附、迁移与晶格重构，严格复刻衬底单晶结构，实现逐层同质外延生长。在薄膜成型过程中，可通过精准控制掺杂气体流量与工艺参数，高精度调控外延层的导电类型、电阻率及膜厚，最终制备出参数匹配高压功率器件需求的功能性SiC单晶外延薄膜。

简单来说，SiC半导体的成型是两套核心工艺的接力配合：依托PVT物理气相传输法生长大块SiC体单晶，经过切片、抛光等精密后处理，制备出平整、低缺陷的单晶衬底基底；再通过高温常压化学气相外延技术生长功能外延薄膜，为芯片赋予可控的耐压、导通、开关等核心电学性能。不同于硅基半导体可通过熔融再结晶的成熟工艺高效制备单晶，SiC常压下无熔融液相，只能依靠高温升华气相输运、低温再结晶成型的特殊方式完成体单晶生长，搭配后续外延改性工艺，突破了自身的制备工艺壁垒。凭借优于硅材料的本征物理特性，SiC最终成为性能大幅领先的新一代宽禁带功率半导体核心材料。

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中外展商

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学术报告

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往届精彩瞬间

华南先进陶瓷论坛

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面向华南市场，公司依托“上海 × 深圳“双城联动战略，深度融聚珠三角资源、链动大湾区发展，以粤港澳大湾区为支点，构筑横跨长三角与珠三角的会展网络新格局。在此基础上，公司打造春（上海）、秋（深圳）双展联动的年度产业盛会，进一步拓展行业市场版图，构建更广泛深入的会展网络。通过整合两地资源，公司为参展商提供更多展示与交流机会，显著提升参展企业市场触达效率，全面推动中国先进材料产业全球化进程。

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