碳化硅介绍：三种SiC衬底制作方法对比

碳化硅概况

碳化硅（SiC）是由碳元素和硅元素组成的一种化合物半导体材料，是制作高温、高频、大功率、高压器件的理想材料之一。相比传统的硅材料（Si），碳化硅的禁带宽度是硅的3倍；导热率为硅的4-5倍；击穿电压为硅的8-10倍；电子饱和漂移速率为硅的2-3倍，满足了现代工业对高功率、高电压、高频率的需求，主要被用于制作高速、高频、大功率及发光电子元器件，下游应用领域包括智能电网、新能源汽车、光伏风电、5G通信等，在功率器件领域，碳化硅二极管、MOSFET已经开始商业化应用。

图表 1：半导体材料发展路径

耐高温。碳化硅的禁带宽度是硅的2-3倍，在高温下电子不易发生跃迁，可耐受更高的工作温度，且碳化硅的热导率是硅的4-5倍，使得器件散热更容易，极限工作温度更高。耐高温特性可以显著提升功率密度，同时降低对散热系统的要求，使终端更加轻量和小型化。

耐高压。碳化硅的击穿电场强度是硅的10倍，能够耐受更高的电压，更适用于高电压器件。

耐高频。碳化硅具有2倍于硅的饱和电子漂移速率，导致其器件在关断过程中不存在电流拖尾现象，能有效提高器件的开关频率，实现器件小型化。

低能量损耗。碳化硅相较于硅材料具有极低的导通电阻，导通损耗低；同时，碳化硅的高禁带宽度大幅减少泄漏电流，功率损耗降低；此外，碳化硅器件在关断过程中不存在电流拖尾现象，开关损耗低。

图表2：不同半导体材料性能对比

图表3：GaN、SiC与Si性能对比雷达图

碳化硅产业链主要包括衬底、外延、器件设计、制造、封测等环节。碳化硅从材料到半导体功率器件会经历单晶生长、晶锭切片、外延生长、晶圆设计、制造、封装等工艺流程。在合成碳化硅粉后，先制作碳化硅晶锭，然后经过切片、打磨、抛光得到碳化硅衬底，经外延生长得到外延片。外延片经过光刻、刻蚀、离子注入、金属钝化等工艺得到碳化硅晶圆，将晶圆切割成die，经过封装得到器件，器件组合在一起放入特殊外壳中组装成模组。

产业链上游1：衬底—晶体生长为最核心工艺环节碳化硅衬底约占碳化硅器件成本的47%，制造技术壁垒最高、价值量最大，是未来SiC大规模产业化推进的核心。从电化学性质差异来看，碳化硅衬底材料可以分为导电型衬底（电阻率区15~30mΩ·cm）和半绝缘型衬底（电阻率高于105Ω·cm）。这两类衬底经外延生长后分别用于制造功率器件、射频器件等分立器件。其中，半绝缘型碳化硅衬底主要应用于制造氮化镓射频器件、光电器件等。通过在半绝缘型碳化硅衬底上生长氮化镓外延层，制得碳化硅基氮化镓外延片，可进一步制成HEMT等氮化镓射频器件。导电型碳化硅衬底主要应用于制造功率器件。与传统硅功率器件制作工艺不同，碳化硅功率器件不能直接制作在碳化硅衬底上，需在导电型衬底上生长碳化硅外延层得到碳化硅外延片，并在外延层上制造肖特基二极管、MOSFET、IGBT等功率器件。

图表4：半绝缘型和导电型碳化硅衬底的对比

以高纯碳粉、高纯硅粉为原料合成碳化硅粉，在特殊温场下生长不同尺寸的碳化硅晶锭，再经过多道加工工序产出碳化硅衬底。核心工艺流程包括：

原料合成：将高纯的硅粉+碳粉按配方混合，在2000°C以上的高温条件下于反应腔室内进行反应，合成特定晶型和颗粒度的碳化硅颗粒。再通过破碎、筛分、清洗等工序，得到满足要求的高纯碳化硅粉原料。

晶体生长：为碳化硅衬底制造最核心工艺环节，决定了碳化硅衬底的电学性质。目前晶体生长的主要方法有物理气相传输法（PVT）、高温化学气相沉积法（HT-CVD）和液相外延（LPE）三种方法。其中PVT法是现阶段商业化生长SiC衬底的主流方法，技术成熟度最高、工程化应用最广。

图表5：三种SiC衬底制作方法对比

晶体加工：通过晶锭加工、晶棒切割、研磨、抛光、清洗等环节，将碳化硅晶棒加工成衬底。

图表6：SiC衬底工艺流程

SiC衬底制备难度大，导致其价格居高不下

温场控制困难：Si晶棒生长只需 1500℃，而 SiC 晶棒需要在 2000℃以上高温下进行生长，并且 SiC 同质异构体有 250 多种，但用于制作功率器件的主要是 4H-SiC 单晶结构，如果不做精确控制，将会得到其他晶体结构。此外，坩埚内的温度梯度决定了 SiC 升华传输的速率、以及气态原子在晶体界面上排列生长方式，进而影响晶体生长速度和结晶质量，因此需要形成系统性的温场控制技术。与 Si 材料相比，SiC 生产的差别还在如高温离子注入、高温氧化、高温激活等高温工艺上，以及这些高温工艺所需求的硬掩模工艺等。

晶体生长缓慢：Si晶棒生长速度可达 30～150mm/h，生产 1-3m 的硅晶棒仅需约 1 天的时间；而 SiC 晶棒以 PVT 法为例，生长速度约为 0.2-0.4mm/h，7 天才能生长不到 3-6cm，长晶速度不到硅材料的百分之一，产能极为受限。

良品参数要求高、良率低：SiC衬底的核心参数包括微管密度、位错密度、电阻率、翘曲度、表面粗糙度等，在密闭高温腔体内进行原子有序排列并完成晶体生长，同时控制参数指标，是复杂的系统工程。

材料硬度大、脆性高，切割耗时长、磨损高：SiC莫氏硬度达 9.25 仅次于金刚石，这导致其切割、研磨、抛光的加工难度显著增加，将一个 3cm 厚的晶锭切割 35-40 片大致需要花费 120 小时。另外，由于 SiC 脆性高，晶片加工磨损也会更多，产出比只有 60%左右。

发展趋势：尺寸增加+价格下降全球SiC市场6英寸量产线正走向成熟，领先公司已进军8英寸市场。国内正在开发项目以6英寸为主。目前虽然国内大部分公司还是以4寸产线为主，但是产业逐步向6英寸扩展，随着6英寸配套设备技术成熟后，国产SiC衬底技术也在逐步提升大尺寸产线的规模经济将会体现，目前国内6英寸的量产时间差距缩小至7年。更大的晶圆尺寸可以带来单片芯片数量的提升、提高产出率，以及降低边缘芯片的比例，研发和良率损失部分成本也将保持在7%左右，从而提升晶圆利用率。

图表7：4-6-8英寸的芯片数量变化

衬底直径及大直径衬底占比将不断增加，助力全产业链降本。预计未来30年，大尺寸衬底的比例将不断增加，在大部分衬底提供商具备新型大尺寸量产能力，一轮尺寸更新周期迭代完成后，衬底单位面积价格会迎来相对快速的降低。

SiC衬底价格会随着尺寸增加有所下降，同时进一步带来销量的稳步上升。目前衬底发展最重要的方向趋势是扩大直径，这会降低衬底生产成本进而降低售价，价格的下降也会加速SiC衬底在各领域内的渗透。根据CASA数据预测，SiC衬底和外延随着产业技术逐步成熟(良率提升)和产能扩张(供给提升)，预计衬底价格将以每年8%的速度下降。

编辑：黄飞