淺談碳化硅流程的核心技術(shù)

半導(dǎo)體材料主要分為三個代際。 ? 其中第一代半導(dǎo)體以材料硅Si、鍺Ge為代表，目前在半導(dǎo)體領(lǐng)域中第一代硅Si材料應(yīng)用最為廣泛； ? 第二代半導(dǎo)體主要以化合物材料砷化鎵GaAs、磷化銦InP為代表； ? 第三代半導(dǎo)體主要以化合物材料碳化硅SiC、氮化鎵GaN、氮化鋁AlN為代表，其具有明顯的禁帶寬度大、臨界擊穿電場強度大的特征，又被稱為寬禁帶半導(dǎo)體。 ? 硅基因為結(jié)構(gòu)簡單，自然界儲備量大，制備相對容易，被廣泛應(yīng)用半導(dǎo)體的各個領(lǐng)域，其中以處理信息的集成電路最為主要。在高壓、高功率、高頻的分立器件領(lǐng)域，硅因其窄帶隙，較低熱導(dǎo)率和較低擊穿電壓限制了其在該領(lǐng)域的應(yīng)用。 ?

? 半導(dǎo)體特性的差異決定了不同材料在半導(dǎo)體元件中的應(yīng)用，而第三代半導(dǎo)體在各個性能領(lǐng)域都優(yōu)于硅基器件。

1、高熱導(dǎo)率 ? 碳化硅熱導(dǎo)率高于氮化鎵。第三代半導(dǎo)體的應(yīng)用場景通常為高溫、高壓、高功率場景，器件需要具有較好的耐高溫和散熱能力，以保證器件的工作壽命。碳化硅的熱導(dǎo)率是氮化鎵熱導(dǎo)率的約3倍，具有更強的導(dǎo)熱能力，器件壽命更長，可靠性更高，系統(tǒng)所需的散熱系統(tǒng)更小。

? 2、高禁帶寬度 ? 碳化硅襯底器件體積更小。由于碳化硅具有較高的禁帶寬度，碳化硅功率器件可承受較高的電壓和功率，其器件體積可變得更小，約為硅基器件的1/10。? ? 碳化硅器件電阻更小。同樣由于碳化硅較高的禁帶寬度，碳化硅器件可進行重?fù)诫s，碳化硅器件的電阻將變得更低，約為硅基器件的1/100。 ?

3、高電壓 ? 碳化硅襯底材料能量損失更小。在相同的電壓和轉(zhuǎn)換頻率下，400V電壓時，碳化硅MOSFET 逆變器的能量損失約為硅基IGBT能量損失的29%-60%之間；800V時，碳化硅MOSFET逆變器的能量損失約為硅基IGBT能量損失的30%-50%之間。碳化硅器件的能量損失更小。 ? 應(yīng)用： ? 第三代半導(dǎo)體目前主流器件形式為碳化硅基-碳化硅外延功率器件、碳化硅基-氮化鎵外延射頻器件，用以實現(xiàn)AC->AC(變壓器)、AC->DC(整流器)、DC->AC(逆變器)、DC->DC(升降壓變換器)，碳化硅器件更適合高壓和高可靠性情景，應(yīng)用在新能源汽車和工控等領(lǐng)域，氮化鎵器件更適合高頻情況，應(yīng)用在5G基站等領(lǐng)域。 ?

? 碳化硅按襯底制備方式以及面向的下游應(yīng)用可分為兩種類型。

? 一種是通過生長碳化硅同質(zhì)外延，下游用于新能源汽車、光伏、工控、軌交等功率領(lǐng)域的導(dǎo)電型襯底，外延層上制造各類功率器件； ? 另一種是通過生長氮化鎵異質(zhì)外延，下游應(yīng)用于5G通訊、國防等射頻領(lǐng)域的半絕緣型襯底，主要用于制造氮化鎵射頻器件。 ?

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碳化硅產(chǎn)業(yè)鏈

制備流程 碳化硅生產(chǎn)流程包含材料端襯底與外延的制備，以及后續(xù)芯片的設(shè)計與制造，再到器件的封裝，最終流向下游應(yīng)用市場。從成本拆分來看，目前受制于產(chǎn)能及良率，襯底成本占比最高達(dá)46%。 ?

? 碳化硅襯底制備環(huán)節(jié)主要包括原料合成、碳化硅晶體生長、晶錠加工、晶棒切割、切割片研磨、研磨片拋光、拋光片清洗等環(huán)節(jié)，其中制備重難點主要是晶體生長和切割研磨拋光環(huán)節(jié)，是整個襯底生產(chǎn)環(huán)節(jié)中的重點與難點，成為限制碳化硅良率與產(chǎn)能提升的瓶頸。 ?

? 具體流程如下： ? ① 原料合成：將高純硅粉和高純碳粉按一定配比混合，在 2000℃ 以上的高溫下反應(yīng)合成碳化硅。再經(jīng)過破碎、清洗等工序，制得高純碳化硅微粉原料。 ? ② 晶體生長：將高純 SiC 微粉和籽晶置于單晶生長爐兩端，通過電磁感應(yīng)將原料加熱至 2000℃ 以上形成蒸汽，蒸汽上升到達(dá)溫度較低的籽晶處結(jié)晶形成碳化硅晶錠。 ?

? ③ 晶錠加工：用 X 射線單晶定向儀對晶錠定向，磨平、滾磨加工成標(biāo)準(zhǔn)尺寸。 ? ④ 晶體切割：使用切割設(shè)備，將碳化硅晶體切割成厚度不超過1mm 薄片。 ?

? ⑤ 晶片研磨：通過金剛石研磨液將晶片研磨到所需的平整度和粗糙度。 ? ⑥ 晶片拋光：通過機械拋光和化學(xué)機械拋光得到表面無損傷的碳化硅拋光片。 ? ⑦ 晶片檢測：檢測碳化硅晶片的微管密度、結(jié)晶質(zhì)量、表面粗糙度、電阻率、翹曲度、彎曲度、厚度變化、表面劃痕等各項參數(shù)指標(biāo)，據(jù)此判定質(zhì)量等級。 ? ⑧ 晶片清洗：以清洗藥劑和純水對碳化硅拋光片進行處理。SiC 長晶環(huán)節(jié)制造成本高且工藝難度大，其晶體生長效率極其緩慢，生長速度僅為?0.2-0.3mm/h；且在生長過程中升溫降溫速度緩慢，因此，一個爐子一周僅能長 2cm 厚的碳化硅晶棒。此外，由于碳化硅硬度大，切割過程中易碎，切割良率低。 ?

? 碳化硅產(chǎn)業(yè)鏈涉及多個復(fù)雜技術(shù)環(huán)節(jié)。

依次可分為：襯底、外延、器件、終端應(yīng)用。受制于材料端的制備難度大，良率低，產(chǎn)能小，目前產(chǎn)業(yè)鏈的價值集中于襯底和外延部分，前端兩部分占碳化硅器件成本的 47%、23%，而后端的設(shè)計、制造、封測環(huán)節(jié)僅占 30%。碳化硅產(chǎn)業(yè)鏈圖譜：

資料來源：維科網(wǎng)·鋰電，海通國際、行行查

1. 碳化硅襯底 ? 襯底制造是碳化硅產(chǎn)業(yè)鏈技術(shù)壁壘最高、價值量最大的環(huán)節(jié)，是未來碳化硅大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化推進的核心環(huán)節(jié)。碳化硅的襯底可以按照電阻率分為導(dǎo)電型襯底和半絕緣型襯底，導(dǎo)電型電阻率在 0.02Ω·cm 左右，半絕緣型電阻率大于 106Ω·cm 。在導(dǎo)電型襯底上生長SiC襯底制作的功率器件可以應(yīng)用在新能源汽車、電網(wǎng)、光伏逆變器、軌道交通等高壓工作場景。隨著國內(nèi)碳化硅襯底產(chǎn)能建設(shè)的推進，市場對于其原材料高純熱場、高純保溫、高純碳粉、高純碳化硅粉等需求將快速增加。目前中國大陸碳化硅襯底規(guī)劃投資超200億元，未來遠(yuǎn)期規(guī)劃年產(chǎn)能超400萬片。

從行業(yè)市場格局來看，目前碳化硅襯底市場由美日歐主導(dǎo)，美國全球獨大。頭部廠商包括美國的Wolfspeed、II-VI、安森美，歐洲市場ST意法和英飛凌，日本的羅姆、三菱、富士電機等。 ? Wolfspeed的8英寸SiC襯底已于2019年研發(fā)成功，2021年左右投產(chǎn)，有報道稱計劃于2024年將產(chǎn)能達(dá)到驚人的年產(chǎn)600萬片。 ? 2022年8月，全球碳化硅襯底市占率第二的高意集團（II-VI）宣布，已與英飛凌簽訂碳化硅襯底多年供應(yīng)協(xié)議，將為后者供貨6英寸SiC襯底，并共同開發(fā)過渡至8英寸SiC襯底。 ? Wolfspeed的不同尺寸SiC襯底研發(fā)進度：

? 由于碳化硅襯底生產(chǎn)技術(shù)難度高，國內(nèi)具備技術(shù)儲備和量產(chǎn)能力的公司較少，行業(yè)競爭格局較好。我國的導(dǎo)電型碳化硅襯底龍頭天科合達(dá)市場份額不足2%。

在半絕緣型襯底方面，我國的天岳先進進入全球頭部廠商地位，市場份額為30%，市場占有率排名全球第三、國內(nèi)第一。碳化硅生長技術(shù)難度高導(dǎo)致了目前碳化硅襯底廠商生產(chǎn)良率較低。

天岳先進作為國內(nèi)半絕緣型碳化硅襯底龍頭企業(yè)，晶棒環(huán)節(jié)良率近兩年平均水平約為50%，襯底環(huán)節(jié)良率近兩年在 70%-75% 區(qū)間。當(dāng)前國內(nèi)碳化硅襯底產(chǎn)能仍有較大部分為2-4英寸，部分頭部廠商完成了6英寸碳化硅襯底的技術(shù)儲備并實現(xiàn)了量產(chǎn)，但規(guī)模較小，8英寸襯底生產(chǎn)技術(shù)仍處于技術(shù)儲備之中。截至2022年11月，晶盛機電、天岳先進、天科合達(dá)分別宣布掌握8英寸碳化硅襯底制備技術(shù)。襯底主要布局廠商還包括露笑科技、爍科晶體、同光晶體、南砂晶圓等。另外，目前在OBC和終端應(yīng)用領(lǐng)域，國內(nèi)車廠已經(jīng)采用國內(nèi)廠商主流SiC方案，未來國產(chǎn)廠商有望在主驅(qū)逆變器上獲得更好的發(fā)展。? 國內(nèi)車廠進入SiC領(lǐng)域：

資料來源：Trendforce ? ? 2. 碳化硅外延 ? 碳化硅外延片是指在碳化硅襯底上生長了一層有一定要求的單晶薄膜（外延層）的碳化硅片。外延加工占碳化硅器件成本結(jié)構(gòu)的23%，僅次于襯底制備，為器件設(shè)計要求的功能層。碳化硅外延片成本結(jié)構(gòu)：

資料來源：NERL 在晶體生長和晶片加工過程中，不可避免地會在表面或近表面產(chǎn)生缺陷，導(dǎo)致襯底的材料質(zhì)量和表面質(zhì)量下降，直接影響制得器件的性能。

而外延局的生長可以消除許多缺陷，使晶格排列整齊，表面形貌得到改觀。碳化硅晶片主要加工流程：

資料來源：長城國瑞國際上碳化硅外延企業(yè)主要有昭和電工、II-VI、Nors tel、Wolfspeed、Rohm、三菱電機、英飛凌等。

國內(nèi)廠商具備替代空間，目前國內(nèi)相關(guān)外延廠商東莞天域和廈門瀚天天成，兩者均已實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，可供應(yīng) 4-6 英寸外延片。相關(guān)設(shè)備廠商包括中電55所、普興電子/中電13所、三安集成和希科半導(dǎo)體（江蘇蘇州），國產(chǎn)外延爐廠家多以單腔、水平氣流、手動設(shè)備為主，月產(chǎn)能約為300~500片，還需驗證設(shè)備工藝以及外延工藝。

2022年8月，II-VI宣布，已與東莞天域半導(dǎo)體簽訂1億美元供貨訂單，向后者供應(yīng) SiC 6英寸襯底，到2023年底交付。

外延設(shè)備也被海外企業(yè)基本壟斷，各廠商設(shè)備存在差異。主要廠商包括意大利LPE公司、德國Aixtron公司、日本TEL和Nuflare公司。四家公司的設(shè)備工作原理不同，在性能上各有優(yōu)勢。 ? 3. 碳化硅器件 ? 從碳化硅行業(yè)整體競爭格局來看，海外龍頭占據(jù)主導(dǎo)地位，IDM模式是行業(yè)主流。

下游碳化硅器件市場，意法半導(dǎo)體占據(jù)最大市場份額，達(dá)40%，其次為Wolfspeed?和 Rohm，分別占據(jù) 15% 和 14% 的市場份額。

國內(nèi)器件領(lǐng)域的頭部廠商包括斯達(dá)半導(dǎo)和泰科天潤等。

器件設(shè)計中難點較多，國內(nèi)擁有眾多設(shè)計廠商。 SiCMOS 仍與海外廠商存在差距，相關(guān)制造平臺仍在搭建中。

目前意法半導(dǎo)體、英飛凌、Rohm 等 600-1700V SiCMOS 已實現(xiàn)量產(chǎn)并和多制造業(yè)達(dá)成簽單出貨，而國內(nèi) SiCMOS 設(shè)計已基本完成，多家設(shè)計廠商正與晶圓廠流片階段，后期客戶驗證仍需部分時間，因此距離大規(guī)模商業(yè)化仍有較長時間。國內(nèi)相關(guān)SiC設(shè)計廠商：