中國粉體網(wǎng)訊 在半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈中，以先進(jìn)陶瓷為代表的關(guān)鍵零部件是支撐半導(dǎo)體設(shè)備實(shí)現(xiàn)先進(jìn)制造的重要載體，也是目前國產(chǎn)化替代的重要領(lǐng)域。同時(shí)，以碳化硅為代表的第三代半導(dǎo)體材料已展現(xiàn)出極其重要的戰(zhàn)略性應(yīng)用價(jià)值，其中碳化硅單晶制備占據(jù)價(jià)值鏈最核心位置。4月25日，由中國粉體網(wǎng)主辦的“第三屆半導(dǎo)體行業(yè)用陶瓷材料技術(shù)研討會(huì)暨第三代半導(dǎo)體SiC晶體生長技術(shù)交流會(huì)”在江蘇蘇州隆重召開，會(huì)議期間，我們邀請(qǐng)到眾多專家學(xué)者做客“對(duì)話”欄目，圍繞先進(jìn)陶瓷在半導(dǎo)體行業(yè)的應(yīng)用研究及碳化硅單晶生長技術(shù)及產(chǎn)業(yè)化進(jìn)行了訪談交流。本期為您分享的是山西爍科晶體有限公司總經(jīng)理助理馬康夫的專訪。
中國粉體網(wǎng)：馬總，首先請(qǐng)您介紹一下山西爍科晶體有限公司在第三代半導(dǎo)體碳化硅單晶襯底領(lǐng)域的技術(shù)實(shí)力。
馬總：山西爍科在碳化硅單晶襯底領(lǐng)域，已經(jīng)有十幾年的研發(fā)歷程。我們先后突破了單晶生長設(shè)備的設(shè)計(jì)，還包括粉體合成、單晶生長，還有加工、檢測(cè)等全產(chǎn)業(yè)鏈的技術(shù)。設(shè)備設(shè)計(jì)，是我們的一個(gè)核心，我們的設(shè)計(jì)跟我們的工藝結(jié)合起來，這樣就有助于我們工藝的快速迭代，這也是我們的優(yōu)勢(shì)之一。
另外在粉體合成方面，我們突破了高純度碳化硅粉體合成技術(shù)，我們的粉體純度可以達(dá)到6個(gè)9甚至7個(gè)9以上，是達(dá)到了低于檢測(cè)限的程度。這為我們生長高質(zhì)量的晶體打下了良好的基礎(chǔ)。
在碳化硅單晶生長領(lǐng)域，我們有兩款產(chǎn)品，按導(dǎo)電性來分，一款是高純半絕緣的碳化硅單晶，另一款是N型的碳化硅單晶。我們?cè)诟呒儼虢^緣碳化硅單晶方面，突破了很多關(guān)鍵性的技術(shù)，在國內(nèi)的市占率達(dá)到了領(lǐng)先的地位。
在N型碳化硅單晶方面，國內(nèi)是從22年的下半年開始，N型6英寸比較火，然后從22年、23年整個(gè)都是持續(xù)火熱的狀態(tài)。我們因?yàn)橛星捌诘募夹g(shù)積累，也就很順利地搭上了這班車。無論是出貨還是營收，我們?cè)?英寸N型碳化硅單晶襯底上都實(shí)現(xiàn)了非常好的躍遷。
爍科N型導(dǎo)電型碳化硅晶片
在8英寸方面，我們做了一些前瞻性的準(zhǔn)備。我們?cè)?020年就開始著手8英寸的研究，然后在2021年的9月就做出了國內(nèi)第一塊8英寸碳化硅單晶。然后在2022年的3月，我們又把晶錠加工成晶片，做出了碳化硅單晶襯底，當(dāng)時(shí)也是國內(nèi)第一家被報(bào)道的企業(yè)。
然后在8英寸方面，我們?cè)诔掷m(xù)做一些技術(shù)改進(jìn)和優(yōu)化。在2023年年初我們收到了客戶的一些需求。常規(guī)的8英寸N型碳化硅襯底，它的厚度是500微米，但是客戶提出來，為了提高材料利用率，延續(xù)碳化硅的成本優(yōu)勢(shì)，要求8英寸做到350微米。但是做到350微米有一些難度，在晶體生長這方面，應(yīng)力控制是比較難的，而在加工這方面面型控制也是比較困難的。但是我們?cè)?023年的二季度，就攻克了350微米的技術(shù)。然后我們?cè)?023年下半年就開始給客戶出貨。
在晶體生長方面，特別是在缺陷控制方面，不管是六英寸還是八英寸，我們現(xiàn)在都達(dá)到了國際先進(jìn)水平。
在晶體加工方面，主要涉及8英寸，因?yàn)?英寸的加工技術(shù)路線的不同，有可能會(huì)對(duì)未來的發(fā)展產(chǎn)生比較大的影響。目前我們?cè)?英寸方面，能把350微米的這個(gè)面型控制得非常好，而且經(jīng)過后道外延測(cè)試之后，外延前后的面型變化不大，然后我們順利進(jìn)入了器件端的視野，跟他們?nèi)ヅ浜献鲆恍?yàn)證的工作。現(xiàn)在每個(gè)月都在穩(wěn)定地輸出一些350微米的產(chǎn)品。
中國粉體網(wǎng)：剛才馬總您也提到了8英寸碳化硅襯底的一些技術(shù)難點(diǎn)。請(qǐng)問在所有的難點(diǎn)當(dāng)中，您認(rèn)為哪些具有更高的技術(shù)壁壘呢？
馬總：8英寸的技術(shù)壁壘相對(duì)于6英寸有以下幾個(gè)，第一個(gè)就是大尺寸籽晶的獲得，首先生長碳化硅單晶跟硅單晶是不太一樣的，硅單晶的生長可以用一個(gè)小的籽晶通過擴(kuò)徑放肩技術(shù)，能夠拉出8甚至12英寸的硅單晶。但是碳化硅不是這樣的，碳化硅如果要長幾寸的單晶，就需要幾寸甚至更大一點(diǎn)直徑的材料作為籽晶。
我們當(dāng)時(shí)研發(fā)8英寸碳化硅單晶襯底的時(shí)候，是買不到8英寸的籽晶的，我們只能從6英寸一點(diǎn)一點(diǎn)擴(kuò)到8英寸。但是碳化硅單晶生長主流的方法是物理氣相傳輸法（PVT），物理氣相傳輸法去擴(kuò)徑，相對(duì)難度還是比較大的，每次只能擴(kuò)3到5毫米，因?yàn)樗菤庀啵皇且合唷Ｌ蓟鑿拈L晶到加工成片大概需要一個(gè)月的時(shí)間。比如說從150成功擴(kuò)到155，你大概需要一個(gè)月的時(shí)間。但如果是不成功，有可能你還得從頭再來。所以光是大尺寸籽晶的獲得，我們就經(jīng)歷了很長的時(shí)間。
另外，碳化硅本身它晶體里面的缺陷，特別是位錯(cuò)、微管等缺陷，是跟籽晶有很大的關(guān)系的，我們?cè)谔蓟鑶尉L的過程中也可以發(fā)現(xiàn)，隨著生長次數(shù)的增加，相當(dāng)于是籽晶的迭代，那么籽晶的質(zhì)量是會(huì)變好的，所以要獲得這個(gè)高質(zhì)量的籽晶，除了優(yōu)化工藝之外，要經(jīng)歷迭代的時(shí)間也是少不了的。這是大尺寸高質(zhì)量籽晶這塊的技術(shù)壁壘。
另外就是晶體缺陷的控制，包括應(yīng)力的控制，這兩者可以合在一起來講。因?yàn)樯L碳化硅單晶是用氣相法，氣相法對(duì)熱場(chǎng)的敏感度是非常高的，稍微有一些擾動(dòng)，都可能對(duì)生長過程造成波動(dòng)，從而對(duì)晶體質(zhì)量造成影響。尺寸越大，它對(duì)這個(gè)熱場(chǎng)的敏感性越高。尺寸越大，不管是徑向梯度的穩(wěn)定性，還是軸向梯度的穩(wěn)定性，它控制起來難度都是比較大的，稍微有些擾動(dòng)，可能會(huì)在晶體生長的過程中產(chǎn)生應(yīng)力。那么應(yīng)力怎么釋放？如果是比較小的應(yīng)力，有可能會(huì)通過比如說是轉(zhuǎn)化成位錯(cuò)缺陷去釋放；如果是比較大的應(yīng)力，有可能會(huì)生成微管，或者是導(dǎo)致晶體開裂。所以在大尺寸的應(yīng)力控制跟缺陷控制方面，也是比較大的一個(gè)技術(shù)難點(diǎn)。
第三個(gè)就是加工。剛才我也講到，尺寸大了，它有幾個(gè)問題。一個(gè)是加工的良率，一個(gè)是加工的效率，還有一個(gè)是面型控制。因?yàn)槌叽缭酱螅饺菀讓?dǎo)致面型會(huì)比較大，但是也看工藝路線的選擇。我們現(xiàn)在做了一些工藝方案，在大尺寸、350微米厚度的層面上，我們的面型控制點(diǎn)是相對(duì)比較好的。
爍科碳化硅晶錠
中國粉體網(wǎng)：與美國、日本等國家的碳化硅企業(yè)相比，我國企業(yè)的8英寸碳化硅襯底進(jìn)展情況如何？
馬總：碳化硅單晶襯底領(lǐng)域，有這么幾個(gè)企業(yè)，美國主要是Wolfspeed跟Coherent，這兩家企業(yè)在8英寸方面的布局是相對(duì)比較早的，在2015年就相繼發(fā)布了8英寸的襯底產(chǎn)品。但是經(jīng)過這么多年，直到2022年，相關(guān)應(yīng)用的報(bào)道都基本上沒有看到。在日本很少聽說這些新聞，因?yàn)槿毡镜拈L晶企業(yè)本來就很少。
國內(nèi)碳化硅長晶企業(yè)還是比較多的。國內(nèi)22年相當(dāng)于是8英寸碳化硅爆發(fā)的元年。據(jù)媒體統(tǒng)計(jì)，2022年我們國內(nèi)就有8家襯底企業(yè)，發(fā)布了8英寸的產(chǎn)品。從這個(gè)層面上來講，實(shí)際上我們中國跟美國及國際上其他企業(yè)，在8英寸方面的差距是非常小的。而且在經(jīng)過驗(yàn)證之后，可能在質(zhì)量方面還有趕超的趨勢(shì)。所以我們相信在8英寸方面，在材料端，中國可能后邊會(huì)追平國際先進(jìn)水平，或者說略有趕超的態(tài)勢(shì)。
中國粉體網(wǎng)：碳化硅粉體會(huì)對(duì)碳化硅襯底的性能有怎樣的影響？碳化硅襯底對(duì)于碳化硅粉體的性能有怎樣的要求？
馬總：碳化硅單晶襯底制備分為幾段，一個(gè)是粉體合成，一個(gè)是單晶生長，一個(gè)是襯底加工。我重點(diǎn)講一下碳化硅長晶過程中用到的原料碳化硅粉體。碳化硅長晶是用物理氣相傳輸法，簡單的說就是把固相的碳化硅粉體放到石墨坩堝的底部，然后把籽晶片放到頂部，然后碳化硅粉體在高溫下分解升華，在一定的溫度梯度，包括其它條件下，它分解成碳硅組分，然后在籽晶片上進(jìn)行有序的原子堆垛，去長碳化硅單晶。
碳化硅粉體的各項(xiàng)指標(biāo)，對(duì)碳化硅長晶的質(zhì)量，還是有一定的影響的。各家的工藝不太一樣，對(duì)碳化硅粉體的要求可能也略有一些差異。有的廠家，可能在粒度選擇上，喜歡更細(xì)一點(diǎn)的粉體，但是有的廠家可能選擇更粗一點(diǎn)的粉體。
另外在晶型上的選擇方面，有的廠家可能選擇β相的碳化硅粉體去作為原料，但是有的廠家用α相的粉體作為原料。有一項(xiàng)比較統(tǒng)一的，就是在純度方面要求都是挺高的，碳化硅粉體純度最少要達(dá)到6個(gè)9以上，才能去進(jìn)行碳化硅晶體生長的工作。所以根據(jù)各家長晶工藝的不同，他們對(duì)碳化硅粉體的選擇其實(shí)沒有一個(gè)非常標(biāo)準(zhǔn)的要求。
爍科碳化硅粉料
中國粉體網(wǎng)：請(qǐng)問山西爍科所使用的碳化硅粉體，是自己生產(chǎn)的嗎？
馬總：是自己生產(chǎn)的。
中國粉體網(wǎng)：碳化硅粉體的產(chǎn)業(yè)化制備方法有哪些？
馬總：碳化硅粉體制備方法從大的類來講，有固相法、液相法和氣相法。固相法有碳熱還原法，還有自蔓延法。碳熱還原法主要是碳跟二氧化硅，生成碳化硅跟一氧化碳。碳熱還原法這種傳統(tǒng)方法中用到的爐子比較大，然后溫度也比較高。它合成的碳化硅粉體，是有塊兒狀的，粒度不是很均勻。如果要達(dá)到碳化硅長晶使用的水平，肯定要經(jīng)過破碎，需要對(duì)它的粒度做均勻化處理。那在破碎及后處理這個(gè)過程中，不可避免地會(huì)引入一些雜質(zhì)，這就需要一個(gè)比較好的工藝去配合。
另外就是自蔓延法，自蔓延法就是高純碳粉跟高純硅粉直接反應(yīng)合成碳化硅粉體。這種方法就是通過卡控原材料的純度，可以卡控基礎(chǔ)純度。另外它本身也是個(gè)高溫反應(yīng)的過程，在反應(yīng)過程中也有一些比如說是表面雜質(zhì)，或者是其它的雜質(zhì)，可能也會(huì)以揮發(fā)態(tài)的形式去溢出這個(gè)腔體，也會(huì)使得最終合成的粉體的純度比較高。這種粉體合成方法，還有一個(gè)優(yōu)勢(shì)就是它是直接合成的粉體，其顆粒度是相對(duì)比較均勻的，不需要經(jīng)過一些后續(xù)處理，這樣就省去了很多后處理的工藝，相對(duì)來說是比較簡便的一種方法，而且它的成本也可以做到比較低的狀態(tài)。我們內(nèi)部也是采用這種自蔓延方法生產(chǎn)的碳化硅粉體，去生長碳化硅單晶的。市面上很多長晶企業(yè)其實(shí)都是采用這種方法去做的。
另外還有液相法，比如說溶膠凝膠法去做碳化硅粉體，但是這種方法做碳化硅粉體，它的粒度相對(duì)是比較小的，基本上是在納米級(jí)。那這種粉體在碳化硅長晶領(lǐng)域不是很適合，因?yàn)樗容^容易在長晶的過程中形成一些包體缺陷。
此外就是氣相法，現(xiàn)在比較普遍的是化學(xué)氣相沉積法（CVD法）。這種方法它純度可以做到比較高，但是它跟碳熱還原法一樣，生產(chǎn)出來的是塊體，還需要經(jīng)過破碎、酸洗等后處理的過程，工序相對(duì)還是復(fù)雜一點(diǎn)。再一個(gè)是CVD方法合成的粉體，它基本上也是β相的粉體。現(xiàn)在大家也在研究這個(gè)β相的粉體跟α相的粉體到底對(duì)長晶有沒有什么影響，這有待進(jìn)一步的結(jié)論的得出。
中國粉體網(wǎng)：最后請(qǐng)馬總和我們分享一下，您對(duì)未來五年碳化硅襯底技術(shù)的發(fā)展和大的市場(chǎng)趨勢(shì)的看法。
馬總：技術(shù)領(lǐng)域，首先大尺寸必然是一個(gè)趨勢(shì)。在8英寸方面，它還是有很長的一個(gè)生命周期的，所以在未來很長一段時(shí)間，可能8英寸應(yīng)該會(huì)是主流。隨著技術(shù)的發(fā)展，大家對(duì)碳化硅單晶的體缺陷，特別是位錯(cuò)，要求會(huì)越來越苛刻，比如說之前都是四位數(shù)的量級(jí)，然后現(xiàn)在到三位數(shù)的量級(jí)，未來是不是繼續(xù)往下再去做，這是一個(gè)技術(shù)發(fā)展的趨勢(shì)。
在市場(chǎng)發(fā)展趨勢(shì)方面，碳化硅現(xiàn)在的應(yīng)用領(lǐng)域還是比較窄的。相對(duì)于硅，碳化硅有非常明顯的物理優(yōu)勢(shì)，但是碳化硅成本比較高。其實(shí)它在功率器件的滲透率是相對(duì)比較低的。目前比較明晰的兩個(gè)應(yīng)用場(chǎng)景是光伏跟新能源汽車。但是它在光伏領(lǐng)域的滲透率也是因?yàn)閮r(jià)格的原因，所以遲遲沒有很明顯的提升，處于比較低的狀態(tài)。
最主要的應(yīng)用其實(shí)就是新能源汽車。碳化硅可以用到新能源汽車領(lǐng)域的三個(gè)部分，包括OBC、DC/DC轉(zhuǎn)換器、主驅(qū)逆變器。據(jù)我們了解，碳化硅在新能源汽車?yán)锩妫瑧?yīng)用占比最大的還是主驅(qū)逆變器。
總體來講，目前碳化硅的應(yīng)用的面還是相對(duì)比較窄。未來在軌道交通跟高壓輸配電方面，通過技術(shù)的提升，碳化硅可以有一個(gè)潛在的應(yīng)用，完全可以發(fā)揮它高壓的優(yōu)勢(shì)。再一個(gè)就是現(xiàn)在供需關(guān)系可能有一點(diǎn)轉(zhuǎn)變，這個(gè)也會(huì)倒逼產(chǎn)業(yè)鏈整體去降本。
在碳化硅跟硅的價(jià)格差異不是很大的情況下，可能在很多領(lǐng)域都會(huì)拓寬碳化硅的應(yīng)用，比如說白色家電，比如說光伏跟儲(chǔ)能。還有新能源汽車?yán)锩妫m然說是有碳化硅的車型，但是碳化硅的車型基本上都是在B級(jí)甚至以上的車，都是在二三十萬以上價(jià)格的車。十幾萬的車很少用到碳化硅的，大部分還是硅的，但是這部分其實(shí)在新能源汽車?yán)锩嬲急仁欠浅４蟮模哉f碳化硅價(jià)格下降之后，能把這塊領(lǐng)域也覆蓋，那碳化硅未來的市場(chǎng)空間是非常大的。
中國粉體網(wǎng)：非常感謝馬總接受我們的采訪。
（中國粉體網(wǎng)采訪/梧桐、編輯/平安；經(jīng)馬總審閱）
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