芯耀
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作者：暢秋
碳化硅（SiC）發(fā)展方興未艾，但其生產成本是產業(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壁壘，特別是襯底的制備水平，阻礙了其應用發(fā)展。因此，包括中國廠商在內的各家SiC材料生產企業(yè)和相關機構都在進行相關研究工作，以期攻克難題。
SiC材料主要包括襯底和外延片，相關晶圓廠拿到外延片之后，就可以制造相應的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、導熱、導電等作用。外延片是在襯底材料上生長出新的半導體晶層，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。要降低單個器件的成本，主要有兩個途徑：
一是進一步擴大SiC襯底尺寸，從而在單個襯底上增加器件的數量，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，能夠產出的襯底數量就越多，單個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)化生產需求，只能依靠人工合成制備。
目前，工業(yè)生產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，另一種制備方法——液相法——生長得到的SiC單晶品質更高，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
在制造高壓大容量SiC功率器件時，要求晶體材料具有大直徑、應力小、位錯缺陷少，晶型單一等品質，這就必須解決異晶型夾雜和晶型間相互轉化的問題。
異晶型夾雜是指生長出的晶體，具有多種晶型結構，其成因源于生長條件及熱動力學條件等限制，多型晶體相互間的轉化，則是指晶體類型可以在一定條件下相互轉化。
傳統(tǒng)的第一、二代半導體材料Si、GaAs的制備均采用液相生長法，其特點是比較容易控制，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（雜質含量低于0.5ppm）。
籽晶也很重要，因為它是晶體生長的基底，為晶體生長提供基礎晶格結構，是決定晶體質量的核心原料。對原料進行加熱，通過氣相升華和溫場控制，使升華的組分在籽晶表面再結晶，從而獲得較厚的SiC晶錠。
目前，制約SiC晶體品質的關鍵指標主要有：SiC粉料質量、籽晶的粘結、溫場的設計和保溫材料的選擇，以及晶體生長工藝。每一項指標都會影響最終晶體的成品率和品質。SiC粉料的制備多采用改進高溫自蔓延法，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。溫場設計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)定的關鍵因素之一，也是用來調節(jié)晶體生長時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)一標準，各家企業(yè)和研究機構通常都是自行設計晶體爐，同時，由于SiC晶體長晶的特殊性，晶體生長過程中各參數難以實時掌控，所以晶體爐長晶需要根據經驗推測。
市場格局
談完SiC材料的制備，下面看一下主導廠商。無論是襯底、外延片，還是相關芯片和器件，全球SiC市場由歐美日企業(yè)主導，這些領先企業(yè)中，很多都是以IDM形式存在著，它們既制造SiC襯底、外延片，也生產相關芯片和器件。
目前，美國Wolfspeed（原Cree）是領頭羊，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)進步速度也很快，例如天科合達，市占率超過5%，山東天岳市占率也達到3%左右。目前，中國已有近30個SiC襯底項目，其中，中電科半導體材料公司旗下的山西爍科晶體有限公司SiC產業(yè)基地一期的300臺單晶生產設備，具備年產7.5萬片SiC襯底的產能;天科合達擁有一個研發(fā)中心和一個晶體生長、晶體加工、晶片加工、清洗檢測的全套SiC生產基地。
8英寸SiC單晶研究取得進展
目前，全球SiC外延片年產能約為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量不大，成本較高，且難以滿足下游需求。產業(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效率問題，另外，還要解決應力加大導致晶體開裂問題。
目前，能實現8英寸量產的廠商并不多，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月設備開始搬入，在2022年啟用生產，到2024年滿產時，將達到2017年4~6英寸產能的30倍，同時，產品符合車規(guī)級要求。意法半導體已經在它們位于瑞典的工廠成功制造出首批8英寸SiC襯底，用于生產下一代電力電子器件。意法半導體已經在SiC材料研發(fā)上投入了25年之久，2019年還收購了Norstel，并改名為意法半導體SiC公司，積累了大量SiC晶錠生長方面的技術。
中國于2000年前后開始SiC單晶生長研究，代表機構包括中科院物理所、中科院上硅所、山東大學等。
中科院物理所團隊于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單晶量產能力中科院物理所團隊已經掌握了8英寸生長室溫場分布和高溫氣相輸運特點，以6英寸SiC為籽晶，設計了有利于SiC擴徑生長的裝置，解決了擴徑生長過程中籽晶邊緣多晶形核問題，并設計了新型生長裝置，提高了原料輸運效率。通過多次迭代，逐步擴大SiC晶體的尺寸；通過改進退火工藝，減小了晶體中的應力，抑制了晶體開裂。2021年10月，中科院物理所團隊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，同時增加產量，除了增大SiC單晶直徑尺寸，生長出更厚的單晶也是一個途徑。
增加厚度，一方面節(jié)約了昂貴的SiC籽晶用量，另一方面，一個晶錠切片所獲得的襯底片數量能夠大幅增加，從而降低襯底成本。增加SiC單晶厚度的主要挑戰(zhàn)在于其生長時厚度的增加及源粉的消耗對生長室內部熱場的改變。
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，改善晶體結晶質量，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，哈爾濱科友半導體宣布，其實驗線生長6英寸SiC晶體在厚度上實現突破，達到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%的部件實現國產替代。
近日，浙江大學杭州國際科創(chuàng)中心先進半導體研究院-乾晶半導體聯(lián)合實驗室和浙江大學硅材料國家重點實驗室，成功生長出了厚度達到50mm的6英寸SiC單晶，這在國內尚屬首次。針對生長時厚度增加及源粉消耗對生長室內部熱場改變等挑戰(zhàn)，該研究團隊通過設計SiC單晶生長設備的新型熱場、研發(fā)源粉新技術、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屬于新興半導體材料技術，這方面，中國與國際領先水平之間的差距不像第一、二代半導體那么大，有望在不久的將來趕上國際先進水平。
