浅谈碳化硅流程的核心技术

半导体材料主要分为三个代际。   其中第一代半导体以材料硅Si、锗Ge为代表，目前在半导体领域中第一代硅Si材料应用最为广泛；   第二代半导体主要以化合物材料砷化镓GaAs、磷化铟InP为代表；   第三代半导体主要以化合物材料碳化硅SiC、氮化镓GaN、氮化铝AlN为代表，其具有明显的禁带宽度大、临界击穿电场强度大的特征，又被称为宽禁带半导体。   硅基因为结构简单，自然界储备量大，制备相对容易，被广泛应用半导体的各个领域，其中以处理信息的集成电路最为主要。在高压、高功率、高频的分立器件领域，硅因其窄带隙，较低热导率和较低击穿电压限制了其在该领域的应用。  

  半导体特性的差异决定了不同材料在半导体元件中的应用，而第三代半导体在各个性能领域都优于硅基器件。

1、高热导率   碳化硅热导率高于氮化镓。第三代半导体的应用场景通常为高温、高压、高功率场景，器件需要具有较好的耐高温和散热能力，以保证器件的工作寿命。碳化硅的热导率是氮化镓热导率的约3倍，具有更强的导热能力，器件寿命更长，可靠性更高，系统所需的散热系统更小。

  2、高禁带宽度   碳化硅衬底器件体积更小。由于碳化硅具有较高的禁带宽度，碳化硅功率器件可承受较高的电压和功率，其器件体积可变得更小，约为硅基器件的1/10。    碳化硅器件电阻更小。同样由于碳化硅较高的禁带宽度，碳化硅器件可进行重掺杂，碳化硅器件的电阻将变得更低，约为硅基器件的1/100。  

3、高电压   碳化硅衬底材料能量损失更小。在相同的电压和转换频率下，400V电压时，碳化硅MOSFET逆变器的能量损失约为硅基IGBT能量损失的29%-60%之间；800V时，碳化硅MOSFET逆变器的能量损失约为硅基IGBT能量损失的30%-50%之间。碳化硅器件的能量损失更小。   应用：   第三代半导体目前主流器件形式为碳化硅基-碳化硅外延功率器件、碳化硅基-氮化镓外延射频器件，用以实现AC->AC(变压器)、AC->DC(整流器)、DC->AC(逆变器)、DC->DC(升降压变换器)，碳化硅器件更适合高压和高可靠性情景，应用在新能源汽车和工控等领域，氮化镓器件更适合高频情况，应用在5G基站等领域。  

  碳化硅按衬底制备方式以及面向的下游应用可分为两种类型。

  一种是通过生长碳化硅同质外延，下游用于新能源汽车、光伏、工控、轨交等功率领域的导电型衬底，外延层上制造各类功率器件；   另一种是通过生长氮化镓异质外延，下游应用于5G通讯、国防等射频领域的半绝缘型衬底，主要用于制造氮化镓射频器件。  

     

碳化硅产业链

制备流程 碳化硅生产流程包含材料端衬底与外延的制备，以及后续芯片的设计与制造，再到器件的封装，最终流向下游应用市场。从成本拆分来看，目前受制于产能及良率，衬底成本占比最高达46%。  

  碳化硅衬底制备环节主要包括原料合成、碳化硅晶体生长、晶锭加工、晶棒切割、切割片研磨、研磨片抛光、抛光片清洗等环节，其中制备重难点主要是晶体生长和切割研磨抛光环节，是整个衬底生产环节中的重点与难点，成为限制碳化硅良率与产能提升的瓶颈。  

  具体流程如下：   ① 原料合成：将高纯硅粉和高纯碳粉按一定配比混合，在 2000℃ 以上的高温下反应合成碳化硅。再经过破碎、清洗等工序，制得高纯碳化硅微粉原料。   ② 晶体生长：将高纯 SiC 微粉和籽晶置于单晶生长炉两端，通过电磁感应将原料加热至 2000℃ 以上形成蒸汽，蒸汽上升到达温度较低的籽晶处结晶形成碳化硅晶锭。  

  ③ 晶锭加工：用 X 射线单晶定向仪对晶锭定向，磨平、滚磨加工成标准尺寸。   ④ 晶体切割：使用切割设备，将碳化硅晶体切割成厚度不超过1mm 薄片。  

  ⑤ 晶片研磨：通过金刚石研磨液将晶片研磨到所需的平整度和粗糙度。   ⑥ 晶片抛光：通过机械抛光和化学机械抛光得到表面无损伤的碳化硅抛光片。   ⑦ 晶片检测：检测碳化硅晶片的微管密度、结晶质量、表面粗糙度、电阻率、翘曲度、弯曲度、厚度变化、表面划痕等各项参数指标，据此判定质量等级。   ⑧ 晶片清洗：以清洗药剂和纯水对碳化硅抛光片进行处理。SiC 长晶环节制造成本高且工艺难度大，其晶体生长效率极其缓慢，生长速度仅为 0.2-0.3mm/h；且在生长过程中升温降温速度缓慢，因此，一个炉子一周仅能长 2cm 厚的碳化硅晶棒。此外，由于碳化硅硬度大，切割过程中易碎，切割良率低。  

  碳化硅产业链涉及多个复杂技术环节。

依次可分为：衬底、外延、器件、终端应用。 受制于材料端的制备难度大，良率低，产能小，目前产业链的价值集中于衬底和外延部分，前端两部分占碳化硅器件成本的 47%、23%，而后端的设计、制造、封测环节仅占 30%。 碳化硅产业链图谱：

资料来源：维科网·锂电，海通国际、行行查

1. 碳化硅衬底   衬底制造是碳化硅产业链技术壁垒最高、价值量最大的环节，是未来碳化硅大规模产业化推进的核心环节。 碳化硅的衬底可以按照电阻率分为导电型衬底和半绝缘型衬底，导电型电阻率在 0.02Ω·cm 左右，半绝缘型电阻率大于 106Ω·cm 。 在导电型衬底上生长SiC衬底制作的功率器件可以应用在新能源汽车、电网、光伏逆变器、轨道交通等高压工作场景。 随着国内碳化硅衬底产能建设的推进，市场对于其原材料高纯热场、高纯保温、高纯碳粉、高纯碳化硅粉等需求将快速增加。 目前中国大陆碳化硅衬底规划投资超200亿元，未来远期规划年产能超400万片。

从行业市场格局来看，目前碳化硅衬底市场由美日欧主导，美国全球独大。 头部厂商包括美国的Wolfspeed、II-VI、安森美，欧洲市场ST意法和英飞凌，日本的罗姆、三菱、富士电机等。   Wolfspeed的8英寸SiC衬底已于2019年研发成功，2021年左右投产，有报道称计划于2024年将产能达到惊人的年产600万片。   2022年8月，全球碳化硅衬底市占率第二的高意集团（II-VI）宣布，已与英飞凌签订碳化硅衬底多年供应协议，将为后者供货6英寸SiC衬底，并共同开发过渡至8英寸SiC衬底。   Wolfspeed的不同尺寸SiC衬底研发进度：

  由于碳化硅衬底生产技术难度高，国内具备技术储备和量产能力的公司较少，行业竞争格局较好。 我国的导电型碳化硅衬底龙头天科合达市场份额不足2%。

在半绝缘型衬底方面，我国的天岳先进进入全球头部厂商地位，市场份额为30%，市场占有率排名全球第三、国内第一。 碳化硅生长技术难度高导致了目前碳化硅衬底厂商生产良率较低。

天岳先进作为国内半绝缘型碳化硅衬底龙头企业，晶棒环节良率近两年平均水平约为50%，衬底环节良率近两年在 70%-75% 区间。 当前国内碳化硅衬底产能仍有较大部分为2-4英寸，部分头部厂商完成了6英寸碳化硅衬底的技术储备并实现了量产，但规模较小，8英寸衬底生产技术仍处于技术储备之中。 截至2022年11月，晶盛机电、天岳先进、天科合达分别宣布掌握8英寸碳化硅衬底制备技术。 衬底主要布局厂商还包括露笑科技、烁科晶体、同光晶体、南砂晶圆等。 另外，目前在OBC和终端应用领域，国内车厂已经采用国内厂商主流SiC方案，未来国产厂商有望在主驱逆变器上获得更好的发展。  国内车厂进入SiC领域：

资料来源：Trendforce     2. 碳化硅外延   碳化硅外延片是指在碳化硅衬底上生长了一层有一定要求的单晶薄膜（外延层）的碳化硅片。 外延加工占碳化硅器件成本结构的23%，仅次于衬底制备，为器件设计要求的功能层。 碳化硅外延片成本结构：

资料来源：NERL 在晶体生长和晶片加工过程中，不可避免地会在表面或近表面产生缺陷，导致衬底的材料质量和表面质量下降，直接影响制得器件的性能。

而外延局的生长可以消除许多缺陷，使晶格排列整齐，表面形貌得到改观。 碳化硅晶片主要加工流程：

资料来源：长城国瑞 国际上碳化硅外延企业主要有昭和电工、II-VI、Norstel、Wolfspeed、Rohm、三菱电机、英飞凌等。

国内厂商具备替代空间，目前国内相关外延厂商东莞天域和厦门瀚天天成，两者均已实现产业化，可供应 4-6 英寸外延片。相关设备厂商包括中电55所、普兴电子/中电13所、三安集成和希科半导体（江苏苏州），国产外延炉厂家多以单腔、水平气流、手动设备为主，月产能约为300~500片，还需验证设备工艺以及外延工艺。

2022年8月，II-VI宣布，已与东莞天域半导体签订1亿美元供货订单，向后者供应 SiC 6英寸衬底，到2023年底交付。

外延设备也被海外企业基本垄断，各厂商设备存在差异。主要厂商包括意大利LPE公司、德国Aixtron公司、日本TEL和Nuflare公司。四家公司的设备工作原理不同，在性能上各有优势。   3. 碳化硅器件   从碳化硅行业整体竞争格局来看，海外龙头占据主导地位，IDM模式是行业主流。

下游碳化硅器件市场，意法半导体占据最大市场份额，达40%，其次为Wolfspeed 和 Rohm，分别占据 15% 和 14% 的市场份额。

国内器件领域的头部厂商包括斯达半导和泰科天润等。

器件设计中难点较多，国内拥有众多设计厂商。 SiCMOS 仍与海外厂商存在差距，相关制造平台仍在搭建中。

目前意法半导体、英飞凌、Rohm 等 600-1700V SiCMOS 已实现量产并和多制造业达成签单出货，而国内 SiCMOS 设计已基本完成，多家设计厂商正与晶圆厂流片阶段，后期客户验证仍需部分时间，因此距离大规模商业化仍有较长时间。 国内相关SiC设计厂商：

资料来源：芯TIP，银河证券、行行查 国内布局碳化硅产业链的主要企业还包括三安光电、中车时代电气、东微半扬杰科技、新洁能、双良节能等。

碳中和趋势下，碳化硅有望在新能源汽车、光伏、风电、工控等领域的持续渗透。

Wolfspeed 预计2023年碳化硅材料市场达2000万美元，2025年进一步增长至2700万美元。工艺节点的转变将带来成本优化，进一步促进市场需求扩增。

全球碳化硅市场处于高速成长阶段，得益于新能源车、光伏逆变器本土品牌商市场份额提升，国内企业已获入场机会，且有望通过技术快速迭代和产能扩张受益，国产替代空间广阔。  

编辑：黄飞