對標(biāo)國際巨頭，中國SiC材料再突破

作者：暢秋

碳化硅（SiC）發(fā)展方興未艾，但其生產(chǎn)成本是產(chǎn)業(yè)發(fā)展的一大障礙，近期，中國在降低SiC材料成本方面接連傳來好消息。

在第三代半導(dǎo)體材料中，SiC是商用化規(guī)模最大的一種，特別是在車用功率器件方面，SiC展現(xiàn)出了優(yōu)異的性能，具備很大的發(fā)展?jié)摿?。然而，SiC材料制造過程中的一些限制和技術(shù)壁壘，特別是襯底的制備水平，阻礙了其應(yīng)用發(fā)展。因此，包括中國廠商在內(nèi)的各家SiC材料生產(chǎn)企業(yè)和相關(guān)機(jī)構(gòu)都在進(jìn)行相關(guān)研究工作，以期攻克難題。

SiC材料主要包括襯底和外延片，相關(guān)晶圓廠拿到外延片之后，就可以制造相應(yīng)的SiC器件了。因此，襯底是所有SiC器件的底層材料，起到物理支撐、導(dǎo)熱、導(dǎo)電等作用。外延片是在襯底材料上生長出新的半導(dǎo)體晶層，這些外延層是制造芯片的重要原料。

在SiC器件成本中，襯底占比45%左右。要降低單個(gè)器件的成本，主要有兩個(gè)途徑：

一是進(jìn)一步擴(kuò)大SiC襯底尺寸，從而在單個(gè)襯底上增加器件的數(shù)量，目前，業(yè)界主流的SiC襯底尺寸為4英寸和6英寸，正在向8英寸進(jìn)發(fā)，8英寸比6英寸SiC襯底有明顯成本優(yōu)勢，但目前鮮有大規(guī)模的商用案例；

二是增加SiC單晶的厚度，由于SiC襯底是從很厚的單晶晶錠上一片一片切割下來的，因此，單晶越厚，能夠產(chǎn)出的襯底數(shù)量就越多，單個(gè)襯底的成本也就越低。在自然界，SiC單晶極其稀有，不能滿足工業(yè)化生產(chǎn)需求，只能依靠人工合成制備。

目前，工業(yè)生產(chǎn)SiC單晶以物理氣相傳輸法（PVT）為主。PVT雖然是主流工藝，但其存在晶體生長過程中缺陷難以控制的缺點(diǎn)，另一種制備方法——液相法——生長得到的SiC單晶品質(zhì)更高，在大尺寸SiC單晶制備方面優(yōu)勢明顯，未來更具發(fā)展?jié)摿Α?/p>

SiC單晶生長的難點(diǎn)

在制造高壓大容量SiC功率器件時(shí)，要求晶體材料具有大直徑、應(yīng)力小、位錯缺陷少，晶型單一等品質(zhì)，這就必須解決異晶型夾雜和晶型間相互轉(zhuǎn)化的問題。

異晶型夾雜是指生長出的晶體，具有多種晶型結(jié)構(gòu)，其成因源于生長條件及熱動力學(xué)條件等限制，多型晶體相互間的轉(zhuǎn)化，則是指晶體類型可以在一定條件下相互轉(zhuǎn)化。

傳統(tǒng)的第一、二代半導(dǎo)體材料Si、GaAs的制備均采用液相生長法，其特點(diǎn)是比較容易控制，生長過程簡單，生長晶體的純度和速度較高。但SiC晶體生長具有特殊性，使得液相生長得到單晶SiC的條件極為苛刻，特別是溫度（T），當(dāng)Ｔ＞2830℃，才可以得到熔融態(tài)SiC，而在1412~2830℃區(qū)間，碳在硅中的溶解度很低，二者不能按照１：１的比例排序，難以得到單晶SiC材料。

物理氣相傳輸法的基本長晶原理是：在高溫真空環(huán)境下將粉料升華、合成，也就是將硅和碳按1：1比例合成SiC多晶顆粒，粉料是晶體生長的原料來源，其粒度、純度都會直接影響晶體質(zhì)量，特別是半絕緣襯底的制備過程中，對粉料的純度要求極高（雜質(zhì)含量低于0.5ppm）。

籽晶也很重要，因?yàn)樗蔷w生長的基底，為晶體生長提供基礎(chǔ)晶格結(jié)構(gòu)，是決定晶體質(zhì)量的核心原料。對原料進(jìn)行加熱，通過氣相升華和溫場控制，使升華的組分在籽晶表面再結(jié)晶，從而獲得較厚的SiC晶錠。

目前，制約SiC晶體品質(zhì)的關(guān)鍵指標(biāo)主要有：SiC粉料質(zhì)量、籽晶的粘結(jié)、溫場的設(shè)計(jì)和保溫材料的選擇，以及晶體生長工藝。每一項(xiàng)指標(biāo)都會影響最終晶體的成品率和品質(zhì)。SiC粉料的制備多采用改進(jìn)高溫自蔓延法，在高溫條件下，高純度碳和硅混合加熱，并清洗除雜后得到高純SiC粉，合成工藝的選擇、碳硅粉的顆粒度決定著最終得到SiC粉料的顆粒度、純度。

籽晶的粘結(jié)要確保和石墨鍋蓋之間貼合緊密，沒有縫隙，否者會在晶體生長過程中影響籽晶表面的溫場分布，從而影響晶體品質(zhì)。溫場設(shè)計(jì)要確保溫場分布的均勻性，在加熱過程中使粉料均勻受熱，揮發(fā)氣體能夠在坩堝中平穩(wěn)升華，保溫材料的選擇是確保溫場穩(wěn)定的關(guān)鍵因素之一，也是用來調(diào)節(jié)晶體生長時(shí)徑向和縱向溫度梯度的必要手段。

晶體生長工藝的選擇要與晶體生長爐匹配，由于SiC晶體生長尚未成熟，沒有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，各家企業(yè)和研究機(jī)構(gòu)通常都是自行設(shè)計(jì)晶體爐，同時(shí)，由于SiC晶體長晶的特殊性，晶體生長過程中各參數(shù)難以實(shí)時(shí)掌控，所以晶體爐長晶需要根據(jù)經(jīng)驗(yàn)推測。

市場格局

談完SiC材料的制備，下面看一下主導(dǎo)廠商。無論是襯底、外延片，還是相關(guān)芯片和器件，全球SiC市場由歐美日企業(yè)主導(dǎo)，這些領(lǐng)先企業(yè)中，很多都是以IDM形式存在著，它們既制造SiC襯底、外延片，也生產(chǎn)相關(guān)芯片和器件。

目前，美國Wolfspeed（原Cree）是領(lǐng)頭羊，市占率超過45％，排在二、三位的廠商是SiCrystal（日本Rohm子公司）、II－VI，這兩家的全球市占率分別為20%和13%。此外，日本昭和電工在全球SiC材料市場占比為8%。

近些年，中國企業(yè)進(jìn)步速度也很快，例如天科合達(dá)，市占率超過5%，山東天岳市占率也達(dá)到3%左右。目前，中國已有近30個(gè)SiC襯底項(xiàng)目，其中，中電科半導(dǎo)體材料公司旗下的山西爍科晶體有限公司SiC產(chǎn)業(yè)基地一期的300臺單晶生產(chǎn)設(shè)備，具備年產(chǎn)7.5萬片SiC襯底的產(chǎn)能;天科合達(dá)擁有一個(gè)研發(fā)中心和一個(gè)晶體生長、晶體加工、晶片加工、清洗檢測的全套SiC生產(chǎn)基地。

8英寸SiC單晶研究取得進(jìn)展

目前，全球SiC外延片年產(chǎn)能約為40~60萬片，但其主流尺寸一直是6英寸，每片晶圓能制造的芯片數(shù)量不大，成本較高，且難以滿足下游需求。產(chǎn)業(yè)迫切希望SiC單晶從6英寸過渡到8英寸或更大尺寸。

8英寸SiC晶體生長的難點(diǎn)在于：首先要研制出8英寸籽晶，其次要解決大尺寸帶來的溫場不均勻和氣相原料分布和輸運(yùn)效率問題，另外，還要解決應(yīng)力加大導(dǎo)致晶體開裂問題。

目前，能實(shí)現(xiàn)8英寸量產(chǎn)的廠商并不多，大概有7家，包括英飛凌、Wolfspeed、Rohm、II-VI、Soitec、意法半導(dǎo)體（ST），以及中國的爍科晶體。

Wolfspeed位于紐約Marcy的8英寸SiC材料工廠于2020年2月開工，2021年4月設(shè)備開始搬入，在2022年啟用生產(chǎn)，到2024年滿產(chǎn)時(shí)，將達(dá)到2017年4~6英寸產(chǎn)能的30倍，同時(shí)，產(chǎn)品符合車規(guī)級要求。意法半導(dǎo)體已經(jīng)在它們位于瑞典的工廠成功制造出首批8英寸SiC襯底，用于生產(chǎn)下一代電力電子器件。意法半導(dǎo)體已經(jīng)在SiC材料研發(fā)上投入了25年之久，2019年還收購了Norstel，并改名為意法半導(dǎo)體SiC公司，積累了大量SiC晶錠生長方面的技術(shù)。

中國于2000年前后開始SiC單晶生長研究，代表機(jī)構(gòu)包括中科院物理所、中科院上硅所、山東大學(xué)等。

中科院物理所團(tuán)隊(duì)于2005年生長出2英寸SiC單晶，2014年生長出6英寸單晶。天科合達(dá)與中科院物理所合作，將后者的研究成果商業(yè)化，具備4英寸、6英寸SiC單晶量產(chǎn)能力中科院物理所團(tuán)隊(duì)已經(jīng)掌握了8英寸生長室溫場分布和高溫氣相輸運(yùn)特點(diǎn)，以6英寸SiC為籽晶，設(shè)計(jì)了有利于SiC擴(kuò)徑生長的裝置，解決了擴(kuò)徑生長過程中籽晶邊緣多晶形核問題，并設(shè)計(jì)了新型生長裝置，提高了原料輸運(yùn)效率。通過多次迭代，逐步擴(kuò)大SiC晶體的尺寸；通過改進(jìn)退火工藝，減小了晶體中的應(yīng)力，抑制了晶體開裂。2021年10月，中科院物理所團(tuán)隊(duì)在自研襯底上生長出8英寸SiC單晶。

不斷加厚的SiC單晶

如前文所述，要降低SiC器件成本，同時(shí)增加產(chǎn)量，除了增大SiC單晶直徑尺寸，生長出更厚的單晶也是一個(gè)途徑。

增加厚度，一方面節(jié)約了昂貴的SiC籽晶用量，另一方面，一個(gè)晶錠切片所獲得的襯底片數(shù)量能夠大幅增加，從而降低襯底成本。增加SiC單晶厚度的主要挑戰(zhàn)在于其生長時(shí)厚度的增加及源粉的消耗對生長室內(nèi)部熱場的改變。

近兩年，中國在大厚度SiC單晶生長方面不斷取得突破。

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SiC晶錠。

6月17日，哈爾濱科友半導(dǎo)體宣布，其實(shí)驗(yàn)線生長6英寸SiC晶體在厚度上實(shí)現(xiàn)突破，達(dá)到32.146mm。此前的2月突破20mm，4月突破28mm。此外，其自研的SiC長晶爐已有99%的部件實(shí)現(xiàn)國產(chǎn)替代。

近日，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，成功生長出了厚度達(dá)到50mm的6英寸SiC單晶，這在國內(nèi)尚屬首次。針對生長時(shí)厚度增加及源粉消耗對生長室內(nèi)部熱場改變等挑戰(zhàn)，該研究團(tuán)隊(duì)通過設(shè)計(jì)SiC單晶生長設(shè)備的新型熱場、研發(fā)源粉新技術(shù)、開發(fā)SiC單晶生長新工藝，顯著提升了單晶的生長速率，得到了50mm厚的SiC單晶。

SiC屬于新興半導(dǎo)體材料技術(shù)，這方面，中國與國際領(lǐng)先水平之間的差距不像第一、二代半導(dǎo)體那么大，有望在不久的將來趕上國際先進(jìn)水平。