碳化硅賽道，要做強，先要做大、做厚

為期10天的上海車展，油車幾乎銷聲匿跡，而新能源汽車（電動汽車）對蘊含著龐大市場潛力的碳化硅（SiC）需求非常強勁。此次車展，碳化硅更是成為了被頻繁提及的“熱詞”。

硅是半導體行業(yè)的第一代基礎材料，目前全球95%以上的集成電路都是以硅為襯底制造的。不過，由于轉(zhuǎn)換效率、開關頻率、工作溫度等多方面受限，當電壓大于900V時，要實現(xiàn)更大的功率，硅基功率MOSFET和IGBT就暴露了出了短板。

隨著電動汽車、5G等應用的發(fā)展，高功率、高耐壓、高頻率器件的需求正在快速增長。第三代半導體的典型代表碳化硅已成為高功率器件的理想材料。

近年來，包括碳化硅在內(nèi)的功率半導體市場并沒有因整個半導體行業(yè)的周期性下行而出現(xiàn)絲毫頹勢，反而逆市上揚，發(fā)布新產(chǎn)品的、投資的、擴大產(chǎn)能的動作比比皆是，目的不外一個：降本增效。怎么做到？還得從碳化硅器件的原材料——晶錠說起。

碳化硅優(yōu)勢盡顯

碳化硅具有得天獨厚的材料優(yōu)勢，具有禁帶寬度大（硅的3倍）、熱導率高（硅的3.3倍或GaAs的10倍）、電子飽和遷移速率高（硅的2.5倍）和擊穿電場強度高（硅的10倍或GaAs（砷化鎵）的5倍）等性質(zhì)。碳化硅制造的器件具有高溫、高壓、高頻、大功率的特性，在航天、軍工、核能等極端環(huán)境應用領域有著不可替代的優(yōu)勢，近年來的汽車應用也是這樣，彌補了傳統(tǒng)半導體材料器件在實際應用中的缺陷，正逐漸成為一些功率半導體應用的主流。

從應用角度看，碳化硅器件耐高壓能力是硅的10倍；工作溫度提升了50℃，耐高溫能力是硅的2倍；高頻能力是硅的2倍，開關速度快，這樣就可以使線圈、電容電感等無源元件的體積縮小至1/10，降低能量損耗。

即使在高溫下，碳化硅器件也能表現(xiàn)出較低的單位面積通態(tài)電阻；由于功率轉(zhuǎn)換效率和輸出功率高，對冷卻系統(tǒng)的要求較低。與硅基模塊相比，碳化硅二極管及開關管組成的模塊（全碳化硅模塊）不僅具有特性優(yōu)勢，還可以縮小模塊體積50%以上，降低功率轉(zhuǎn)換損耗80%以上，從而降低綜合成本。因此，在系統(tǒng)方面，可以實現(xiàn)小型、輕量、高能效、驅(qū)動力強的應用設計。

更快商用需要降本增效

從整個碳化硅行業(yè)情況來看，盡管全球碳化硅器件市場已經(jīng)初具規(guī)模，但碳化硅單晶和外延材料價格居高不下，目前6英寸碳化硅襯底零售價為750～900美元，8英寸售價為1300～1800美元；材料缺陷問題仍未完全解決，高壓碳化硅器件工藝不夠成熟，封裝無法滿足高頻、高溫應用需求等。

碳化硅外延材料的最基本參數(shù)也是最關鍵參數(shù)是其厚度和摻雜濃度均勻性。幾年前，德國半導體設備制造商愛思強（AIXTRON）對設備進行了升級改造，將TCS（三氯氫硅）技術移植到商業(yè)設備中，以實現(xiàn)達到傳統(tǒng)方法10倍以上的生長速率。

事實上，碳化硅外延中的缺陷要比其他晶體更多，包括擴展缺陷（微管、貫穿型螺位錯（TSD）、刃型位錯（TED）和基平面位錯（BPD））、外延生長期間的位錯以及產(chǎn)生的宏觀缺陷（三角形缺陷、胡蘿卜缺陷、生長的堆垛層錯和顆粒）等。這些缺陷大部分都是從襯底中直接復制過來的。這些襯底缺陷在主要來源于晶錠，當然也包括襯底研磨和拋光工藝。而降本增效單憑外延制造難以實現(xiàn)，還需要在材料端有所突破。

碳化硅單晶材料尺寸是關鍵

雖然都是晶錠，但通常人們都把硅晶錠叫做硅棒，而把碳化硅叫做塊晶。這是因為硅晶錠的厚度（高度）要比其直徑長很多，像一根棒，而碳化硅晶錠就像一張餅，其厚度比直徑小很多。

正在進行粗加工的硅晶錠

不管是硅還是碳化硅，人們一直在謀求將晶錠的直徑做大，目的是為了切割出直徑比較大的晶圓，在上面做出更多芯片。同理，如果能把晶錠的厚度（或高度）做大，那么每個晶錠切割出來的晶圓片就會相應增加。對硅來說，這不算什么問題，但要把碳化硅晶錠厚度做到和硅一樣是不可能的。所以，半導體行業(yè)的主攻方向還是想把當前主流6英寸晶圓擴大到8英寸，而在晶體生長厚度方面雖然也有進展，但還是有很長的路要走。

碳化硅從2英寸到4英寸、6英寸再到8英寸，基本上是在遵循硅的發(fā)展路線演進。在直徑方面，碳化硅和硅相差不大。但在晶體厚度方面，由于碳化硅生長工藝技術難度非常大，不能用傳統(tǒng)的硅晶錠生長工藝來實現(xiàn)滿足使用要求的晶錠厚度。

成品碳化硅晶錠

碳化硅晶體生長到底難在哪兒？

硅晶錠可以長得很長，而碳化硅則不然。對于硅、鍺及砷化鎵、磷化銦等半導體材料，晶體材料都是在熔體中生長出來的。首先用橫截面通常為10mm×10mm的籽晶生長晶體，并使用籽晶和熔體界面之間形成的細頸放肩將晶體的直徑擴大到所需水平。擴徑完成后，晶體就會以既定的速率從熔體中拉出。其生長速率為1mm/h到150mm/h。目前，單晶硅棒長度已超過2米，直徑達12英寸。

由于碳化硅材料不存在于常壓液相，因此無法從熔體中生長晶體。如果將碳化硅保持在高溫和低壓下，它會不經(jīng)過液相而分解成氣態(tài)物質(zhì)。由于這種特性，碳化硅晶體要使用升華或物理氣相傳輸（PVT）技術生長。這種方法的首要條件是需要有同等直徑的籽晶。PVT生長速率通常在0.1mm～0.5mm/h。目前碳化硅晶錠的長度僅為50mm左右，直徑8英寸已經(jīng)是最大尺寸了。

為了將碳化硅的質(zhì)量提升到新的高度，同時更精確地控制材料生長，研究人員已經(jīng)實現(xiàn)了PVT工藝的諸多改進，并探索了其他可行的方法，比如不用固體碳化硅粉末，而用氣體裂解供應碳和硅源的高溫化學氣相沉積（HT-CVD）；摻雜氮氣或其他氣體的改良PVT（M-PVT）；以及采用氣態(tài)或易揮發(fā)物質(zhì)的鹵化物CVD和HT-CVD和PVT的組合等。

生產(chǎn)碳化硅晶體的幾種技術

近年來，人們對在溶液中生長碳化硅晶體產(chǎn)生了濃厚的興趣，因為它具有生產(chǎn)大尺寸、高質(zhì)量碳化硅襯底的潛力。但這項技術仍在研究中，尚不能實現(xiàn)商業(yè)化。其缺點之一是在大氣壓下缺乏化學計量的碳化硅液相，因此不可能實現(xiàn)一致熔融的熔體生長。

對碳化硅來說，雖然擴大直徑相對容易一些，但是限于長晶設備不可能無限制擴大口徑（也有技術難度，且成本不菲），另外還有籽晶本身直徑難以做大的問題。所以，能擴大到8英寸已非易事。由此看來，碳化硅的厚度是技術競爭的關鍵。

碳化硅晶錠厚度到底是多少？

此前有報道稱，當下國內(nèi)主流碳化硅晶體生長速度在0.1～0.2mm/h，晶體厚度在15～25mm，晶體尺寸在從4英寸向6英寸切換。國際上主流碳化硅晶體生長速度在0.2～0.3mm/h，晶體厚度在30～40mm，晶體尺寸在由6英寸轉(zhuǎn)向8英寸。

專家指出，碳化硅晶圓昂貴的主要原因是缺乏高效的晶體制備技術，“誰能真正更快地解決此類問題，將能搶占市場，成為真正的行業(yè)龍頭?！苯?jīng)與國內(nèi)幾家碳化硅晶錠廠商交流，普遍說法是：國內(nèi)仍以6英寸為主，8英寸在研，厚度一般在20mm左右。

國際上，晶錠厚度到底是多少，皆為諱莫如深。2019年8月，GT Advanced Technologies（GTAT）和環(huán)球晶圓曾簽署長期碳化硅材料供應協(xié)議，后者將使用GTAT的碳化硅晶錠制造6英寸碳化硅晶圓。2020年3月，GTAT與安森美簽訂為期5年的協(xié)議總價值達5,000萬美元協(xié)議，將向后者供應其6英寸碳化硅晶錠CrystXSiC?，用于高增長市場的應用。當時的報道稱，CrystXSiC? 的目標可用高度僅為25mm或以上。2021年9月，GTAT被急不可耐擴大上游供應鏈的安森美收購。

國內(nèi)碳化硅晶錠尋求突破

關于碳化硅晶錠厚度，國內(nèi)企業(yè)并無避諱。下面我們來看看過去一年在晶體直徑和厚度方面科研和企業(yè)有哪些進展？

2022年5月，中科院物理研究所科研人員通過優(yōu)化生長工藝，改善了晶體結(jié)晶質(zhì)量，成功制備出厚度接近19.6mm的單一4H（4H具有禁帶寬度大、臨界擊穿電場高、熱導率高、飽和速度大等優(yōu)勢，適用于功率電子）晶型的8英寸碳化硅晶錠，實現(xiàn)了國產(chǎn)大尺寸碳化硅單晶襯底的突破。請注意，這可是8英寸碳化硅晶錠。

中科院物理研究所厚度19.6mm的8英寸碳化硅晶錠

6英寸方面，2022年6月，科友半導體宣布，其實驗線實現(xiàn)生長6英寸碳化硅晶體厚度的突破，達到32.146mm的“業(yè)內(nèi)領先水平”。此前的2月突破20mm，4月突破了28mm。據(jù)稱，其長晶爐的技術優(yōu)勢包括：采用雙線圈設計，基于多物理場仿真模擬，分別優(yōu)化了兩個線圈的間距、匝數(shù)、線圈位置等參數(shù)，可實現(xiàn)籽晶與料源溫場的獨立控制，獲得大尺寸高質(zhì)量碳化硅生長溫場；創(chuàng)新型獨立支撐設計坩堝旋轉(zhuǎn)結(jié)構，降低了保溫對坩堝溫場的影響，解決了溫場不可控難題，有助于提升良率；優(yōu)化了坩堝和溫度梯度結(jié)構，解決了碳化硅晶體缺陷富集的難題。

科友半導體的碳化硅晶錠厚度

實現(xiàn)突破的還有8英寸，2022年12月，科友半導體通過自主設計制造的電阻長晶爐產(chǎn)出直徑超過8英寸的碳化硅單晶，晶體表面光滑無缺陷，最大直徑超過204mm。這是繼6英寸碳化硅晶體厚度上實現(xiàn)40mm突破后，在碳化硅晶體生長尺寸上取得的又一次重大突破。這應該是目前尺寸最大的碳化硅晶錠。

科友半導體8英寸碳化硅單晶

2022年7月，浙江大學杭州國際科創(chuàng)中心先進半導體研究院-乾晶半導體聯(lián)合實驗室和浙江大學硅材料國家重點實驗室在浙江省“尖兵計劃”等研發(fā)項目的資助下，成功生長出厚度達到50mm的6英寸碳化硅單晶。50mm應該是目前已知最大的尺寸，不過還是6英寸。

厚度達50mm的6英寸碳化硅單晶

2022年8月，晶盛機電成功研發(fā)出8英寸N型碳化硅晶體，自此邁入了8英寸時代。其8英寸碳化硅晶體晶坯厚度25mm，直徑214mm，是為大尺寸碳化硅晶體研發(fā)上取得的重大突破。它不但成功解決了8英寸碳化硅晶體生長過程中溫場不均、晶體開裂、氣相原料分布等難點問題，同時還破解了碳化硅器件成本中襯底占比過高的難題，為大尺寸碳化硅襯底廣泛應用打下了基礎。

事實上，到目前為止，還沒有西方碳化硅供應商向中國供應碳化硅晶錠，因為晶圓供應商更愿意內(nèi)部擁有其“神奇秘方”，為其持續(xù)增長賦能。鑒于中美之間的技術競爭和知識產(chǎn)權保護，國內(nèi)晶圓生產(chǎn)商必須擁有自己的配方和知識產(chǎn)權。

裝備制造企業(yè)不遺余力

在裝備制造領域，隨著越來越多碳化硅襯底項目上馬，中國的多家長晶爐和備件供應商為碳化硅長晶的進展提供了機會。2022年6月，恒普科技推出新一代2.0版碳化硅電阻長晶爐，它是基于其上一代6英寸和8英寸電阻爐的全新版本。據(jù)稱，新的長晶爐是以軸徑分離核心技術實現(xiàn)石墨發(fā)熱的碳化硅晶體生長技術平臺，突破性解決了晶體長大、長快、長厚的行業(yè)核心需求。新一代石墨發(fā)熱長晶爐可在籽晶徑向主動調(diào)節(jié)區(qū)域溫度，軸向溫度通過料區(qū)熱場調(diào)節(jié)，從而實現(xiàn)軸徑分離。隨著晶體生長厚度的增加，籽晶區(qū)域采用徑向平面發(fā)熱體，可主動調(diào)節(jié)徑向平面溫度，實現(xiàn)徑向平面的可控熱量散失。不過尚不知道用戶用該設備生長出的晶體有多厚。

北方華創(chuàng)在半導體裝備領域布局廣泛，各類裝備均在國內(nèi)主流生產(chǎn)線實現(xiàn)了規(guī)模應用，其中碳化硅長晶爐2022年出貨超過500臺，累計訂單數(shù)量已超過2,000臺。天岳先進也表示，公司目前長晶爐已基本實現(xiàn)國產(chǎn)替代，其中熱場設計、控制軟件及組裝調(diào)試工作均由公司自行完成。另外，晶升裝備、連城數(shù)控等設備廠商都陸續(xù)推出了國產(chǎn)碳化硅長晶爐設備。

目前，國內(nèi)碳化硅單晶的直徑已普遍達到6英寸，但其厚度通常在20～30mm之間，這導致一個碳化硅晶錠切片所獲得的襯底數(shù)量相當有限。上述厚度的突破，一方面可節(jié)約昂貴的碳化硅籽晶用量，另一方面也能夠使一個碳化硅晶錠切片所獲得的襯底片數(shù)量大幅增加，降低碳化硅器件的制造成本。

一切為了產(chǎn)能

碳化硅商業(yè)應用的最大問題之一是成本，而成本居高不下的一個重要原因就是單位面積襯底生產(chǎn)的芯片比較少，進而影響了產(chǎn)能的擴大。

雖然有很大的難度，行業(yè)一直在努力?，F(xiàn)在努力的方向是：直徑能擴就擴；厚度能長盡長。也說不定有一天，在哪個方向會有驚人的突破。

行業(yè)共識是，碳化硅功率器件可顯著提高電能利用率，已成為功率半導體行業(yè)的主要發(fā)展方向。在可預見的未來，電動汽車汽車是碳化硅功率器件的主要應用場景。隨著碳化硅器件制造工藝技術的逐步成熟，掣肘碳化硅規(guī)模應用的成本也將日漸降低，未來碳化硅功率器件前景可期。