气候变化的影响已促使全球采取行动减少温室气体排放。半导体在消费级与工业级日常应用(或电力负载)的电气化进程中发挥着关键作用，应用场景涵盖电动汽车到商用供暖 / 制冷系统。同时，半导体在发电与配电领域也至关重要，包括大型可再生能源发电机的电能转换与储存、电网配电以及家用微型逆变器光伏系统。

碳化硅等宽带隙半导体相较于传统硅基功率器件，在效率、功率密度和性能方面具备显著优势。因此，在执行特定任务时，宽带隙半导体可通过降低能耗带来环境效益。然而，这类器件的制造过程本身能耗极高，可能会抵消部分上述效益。目前，众多器件制造商与高校正致力于研究降低碳化硅功率器件制造环境影响的方法，下文将介绍三个具体案例。

利用二氧化碳制造碳化硅衬底

碳化硅晶圆通常采用物理气相传输法(PVT)制备：先将构成元素升华，再使其沉积到碳化硅籽晶上。该工艺所用的碳化硅粉末一般通过艾奇逊法(Acheson process)生产。这种方法由爱德华・艾奇逊于 1896 年申请专利，核心是让二氧化硅与石油焦(一种碳形态)发生反应，反应需在约 2000°C 的高温下进行，过程中会产生一氧化碳排放。

2024 年，日本 Resonac 公司与东北大学启动合作研究，旨在开发一种制备碳化硅粉末的替代方法。Resonac 是一家化工企业，生产并销售各类半导体相关产品，包括气体、溶剂、浆料等前端制造化学品，以及封装材料、模具等后端材料，同时还涉及外延晶圆、LED 芯片等，碳化硅外延晶圆也是其产品组合的一部分。东北大学则专注于研发碳化硅粉末的环保制造工艺 —— 碳化硅粉末是碳化硅晶圆制造的关键起始原料。图 1 对比了传统艾奇逊法与东北大学研发的新方法。

图1

东北大学的新方法以硅废料(例如硅衬底制造过程中切片工序产生的废料)为原料之一，另一原料则是二氧化碳(CO₂)。二氧化碳是一种温室气体，将其捕获并重新用于制造碳化硅晶圆所需的关键原料，这一技术可显著降低碳化硅器件制造的整体环境影响。在该工艺中，研究人员利用微波加热硅废料，通过矿化反应使硅废料与二氧化碳发生反应。图 2 展示了这项创新废料再利用技术在碳化硅功率器件制造中的应用。

2025 年 7 月，Resonac 公司与东北大学宣布，该工艺的基础研究已完成，其中包括对通过新矿化法制备的碳化硅粉末所生成的碳化硅晶体的表征分析。目前，双方正推进该工艺的实际应用综合研究。据估算，采用该方法生产 100 吨碳化硅粉末，可等效减少 110 吨二氧化碳排放，同时还能回收 CMOS 器件大规模制造过程中产生的硅废料。

碳化硅衬底冷切割技术

传统碳化硅晶圆制备需用金刚石锯和研磨浆料从晶锭上切片，这一过程会造成大量材料损耗与浪费。2018 年，大型碳化硅功率器件及模块制造商英飞凌科技(Infineon Technologies)收购了 Sitectra 公司。Sitectra 公司研发出了创新的冷切割(Cold Split)技术：首先用激光在碳化硅晶体中制造一层预损伤层，激光刻线完成后，在碳化硅晶锭表面涂抹一种特殊聚合物;随后通过液氮冷却，利用聚合物与碳化硅不同的收缩率产生机械应力，使碳化硅沿激光损伤区域分离。

通过重复上述激光 / 聚合物 / 冷却流程，可制备出所需厚度的晶圆(标准衬底目标厚度为 350 微米)。该工艺能减少材料浪费，提高高价值碳化硅晶锭的利用率。英飞凌表示，采用冷切割技术可使碳化硅晶圆的产量提升一倍。

特制衬底技术

法国公司 Soitec 在 20 世纪 90 年代开发出了氧化硅上硅(SOI)晶圆技术。这项创新技术基于 “智能切割工艺(SmartCut)”：先在氧化后的施主晶圆上，按特定深度注入氢离子以实现薄膜分离;高剂量注入完成后，将施主晶圆翻转，并与所谓的 “承载晶圆” 进行氧化物键合;随后通过热处理，使施主晶圆在注入深度处分离，其中与承载晶圆键合的部分会与之融合;剩余的施主晶圆为优质硅材料，可继续用于制备另一块 SOI 晶圆。

氢离子的注入深度可实现精准且均匀的控制，这项技术已用于制造多种 SOI 晶圆，应用场景包括双极型互补金属氧化物半导体 - 双扩散金属氧化物半导体(Bipolar-CMOS-DMOS)、射频(RF)领域，以及用于先进高速混合信号应用的全耗尽型 SOI。

Soitec 公司的 SmartSIC 技术将智能切割工艺拓展到了碳化硅晶圆制造领域，其中存在几处关键差异：首先，承载晶圆采用高掺杂多晶碳化硅;其次，键合工艺具有导电性，可像传统单晶碳化硅衬底一样制造垂直结构的碳化硅器件。此外，可在承载晶圆上方的施主晶圆(硅面碳化硅材质)薄片顶部进行标准的碳化硅外延生长。

Soitec 公司证实，采用 SmartSiC 技术可使碳化硅衬底制造过程中的等效二氧化碳排放量减少高达 80%。其中一个关键原因是：相较于制造单晶碳化硅所需的高温物理气相传输法，通过化学气相沉积法生产多晶碳化硅晶圆要容易得多。

该技术的另一大核心优势是，高成本的施主晶圆至少可重复使用 10 次。多晶碳化硅较低的衬底电阻(<5 毫欧・厘米)能降低器件的净电阻，进而减少导通损耗，同时还可省去传统工艺中必需的标准激光背面退火步骤。目前，该工艺已在 200 毫米直径的晶圆上成功验证。包括 Resonac、X-Fab、意法半导体(STMicroelectronics)在内的多家晶圆及器件制造商已与 Soitec 合作，共同推进 SmartSiC 技术的应用。

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