決戰(zhàn)碳化硅：成敗在于襯底大小與厚度？

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(yùn)含著龐大市場潛力的碳化硅（SiC）需求非常強(qiáng)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(dǎo)體行業(yè)的第一代基礎(chǔ)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(guān)頻率、工作溫度等多方面受限，當(dāng)電壓大于900V時(shí)，要實(shí)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(yīng)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(dǎo)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(dǎo)體市場并沒有因整個半導(dǎo)體行業(yè)的周期性下行而出現(xiàn)絲毫頹勢，反而逆市上揚(yáng)，發(fā)布新產(chǎn)品的、投資的、擴(kuò)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(dú)厚的材料優(yōu)勢，具有禁帶寬度大（硅的3倍）、熱導(dǎo)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(qiáng)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(yīng)用領(lǐng)域有著不可替代的優(yōu)勢，近年來的汽車應(yīng)用也是這樣，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)半導(dǎo)體材料器件在實(shí)際應(yīng)用中的缺陷，正逐漸成為一些功率半導(dǎo)體應(yīng)用的主流。

從應(yīng)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(guān)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(guān)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(shí)現(xiàn)小型、輕量、高能效、驅(qū)動力強(qiáng)的應(yīng)用設(shè)計(jì)。

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(jià)格居高不下，目前6英寸碳化硅襯底零售價(jià)為750～900美元，8英寸售價(jià)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(yīng)用需求等。

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

事實(shí)上，碳化硅外延中的缺陷要比其他晶體更多，包括擴(kuò)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(fù)制過來的。這些襯底缺陷在主要來源于晶錠，當(dāng)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(shí)現(xiàn)，還需要在材料端有所突破。

碳化硅單晶材料尺寸是關(guān)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?yàn)楣杈уV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(jìn)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(yīng)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(dǎo)體行業(yè)的主攻方向還是想把當(dāng)前主流6英寸晶圓擴(kuò)大到8英寸，而在晶體生長厚度方面雖然也有進(jìn)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(jìn)。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(shù)難度非常大，不能用傳統(tǒng)的硅晶錠生長工藝來實(shí)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(dǎo)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(xì)頸放肩將晶體的直徑擴(kuò)大到所需水平。擴(kuò)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(dá)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(shù)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(shí)更精確地控制材料生長，研究人員已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了PVT工藝的諸多改進(jìn)，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(yīng)碳和硅源的高溫化學(xué)氣相沉積（HT-CVD）；摻雜氮?dú)饣蚱渌麣怏w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(shù)

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?yàn)樗哂猩a(chǎn)大尺寸、高質(zhì)量碳化硅襯底的潛力。但這項(xiàng)技術(shù)仍在研究中，尚不能實(shí)現(xiàn)商業(yè)化。其缺點(diǎn)之一是在大氣壓下缺乏化學(xué)計(jì)量的碳化硅液相，因此不可能實(shí)現(xiàn)一致熔融的熔體生長。

對碳化硅來說，雖然擴(kuò)大直徑相對容易一些，但是限于長晶設(shè)備不可能無限制擴(kuò)大口徑（也有技術(shù)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(kuò)大到8英寸已非易事。由此看來，碳化硅的厚度是技術(shù)競爭的關(guān)鍵。

國內(nèi)碳化硅晶錠尋求突破

關(guān)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(jìn)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(dǎo)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(shí)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(dǎo)體宣布，其實(shí)驗(yàn)線實(shí)現(xiàn)生長6英寸碳化硅晶體厚度的突破，達(dá)到32.146mm的“業(yè)內(nèi)領(lǐng)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(shù)優(yōu)勢包括：采用雙線圈設(shè)計(jì)，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(shí)現(xiàn)籽晶與料源溫場的獨(dú)立控制，獲得大尺寸高質(zhì)量碳化硅生長溫場；創(chuàng)新型獨(dú)立支撐設(shè)計(jì)坩堝旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)，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(gòu)，解決了碳化硅晶體缺陷富集的難題。

科友半導(dǎo)體的碳化硅晶錠厚度

實(shí)現(xiàn)突破的還有8英寸，2022年12月，科友半導(dǎo)體通過自主設(shè)計(jì)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(shí)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(yīng)該是目前尺寸最大的碳化硅晶錠。

科友半導(dǎo)體8英寸碳化硅單晶

2022年7月，浙江大學(xué)杭州國際科創(chuàng)中心先進(jìn)半導(dǎo)體研究院-乾晶半導(dǎo)體聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室和浙江大學(xué)硅材料國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室在浙江省“尖兵計(jì)劃”等研發(fā)項(xiàng)目的資助下，成功生長出厚度達(dá)到50mm的6英寸碳化硅單晶。50mm應(yīng)該是目前已知最大的尺寸，不過還是6英寸。

厚度達(dá)50mm的6英寸碳化硅單晶

2022年8月，晶盛機(jī)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(shí)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(diǎn)問題，同時(shí)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(yīng)用打下了基礎(chǔ)。

事實(shí)上，到目前為止，還沒有西方碳化硅供應(yīng)商向中國供應(yīng)碳化硅晶錠，因?yàn)榫A供應(yīng)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(shù)競爭和知識產(chǎn)權(quán)保護(hù)，國內(nèi)晶圓生產(chǎn)商必須擁有自己的配方和知識產(chǎn)權(quán)。

寫在最后

碳化硅商業(yè)應(yīng)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(jìn)而影響了產(chǎn)能的擴(kuò)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(kuò)就擴(kuò)；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(dǎo)體行業(yè)的主要發(fā)展方向。在可預(yù)見的未來，電動汽車汽車是碳化硅功率器件的主要應(yīng)用場景。隨著碳化硅器件制造工藝技術(shù)的逐步成熟，掣肘碳化硅規(guī)模應(yīng)用的成本也將日漸降低，未來碳化硅功率器件前景可期。