碳化硅襯底制備過程及產業鏈包括哪些？

碳化硅襯底制備環節較多，國產化進展有限。

1.襯底制備重在晶體生長和晶錠切割

碳化硅襯底的制備首先由高純硅、碳粉在高溫下合成 SiC 微粉后，通過 物理氣相沉積法（PVT）生長成為晶錠，之后加工得到標準直徑尺寸的 碳化硅晶體，再經過切磨拋工藝獲得表面無損傷的碳化硅拋光片。

1.原料合成

首先將高純硅粉和高純碳粉按工藝配方均勻混合，在 2,000℃以上的高 溫條件下，于反應腔室內通過特定反應及去除雜質合成碳化硅顆粒后， 經過破碎、篩分、清洗等工序制得高純度碳化硅粉原料。粉料是晶體生 長的原料，其粒度和純度都會直接影響晶體質量。目前襯底廠商均可自 行生產高純度碳化硅粉料。

21.2.晶體生長

PVT 法是產業化合成碳化硅晶體的主流方法。碳化硅晶體生長方法主要 有物理氣相傳輸法（PVT）、液相外延法（LPE）和高溫化學氣相沉積法 （HT-CVD）。LPE 法具有質量高、缺陷少等特點，但目前主要用于實驗 室生長的小尺寸晶體，技術還不成熟且多為日本住友獨家掌握。PVT 法 和 HT-CVD 法均可用于商業化生產，PVT 法相較于 HT-CVD 法具有設 備簡單、設備價格低、操作容易控制等特點，是用于商業化生產晶體的 主流方法，90%的襯底廠商均選擇 PVT 法制備晶體。

PVT 法長晶條件苛刻，工藝還需時間優化。PVT 法長晶需要在 2,300° C 以上高溫、接近真空的低壓下的密閉生長腔室加熱碳化硅粉料，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得到碳化硅單晶。 該環節對工藝要求極高，目前面臨的主要技術挑戰包括：1）在高溫且密閉腔室內進行反應，極易發生不同晶型之間的轉化，難以得到所需的 特定晶型；2）生長速度僅為 0.2-0.3mm/h，7 天才能生長 2cm 左右，而 硅棒拉晶速度可達 30-150mm/h，只需 2-3 天便可拉出約 2m 的 8 英寸硅 棒；

3）難以控制碳化硅晶體內部雜質濃度；4）由于坩堝內部溫度分布 不均引發的缺陷。在此領域深耕 35 年的 Wolfspeed 技術領先，所生長出 的晶錠厚度為 5-6cm。國內對長晶環節所涉及到材料學、物理、化學等 領域的配比以及對熱場設計等參數控制的經驗不足，所生長出的晶錠厚 度僅為 2cm，且良率僅為 50%，因此仍需較長時間來累積經驗。

1.3.晶錠加工

首先將碳化硅晶錠使用 X 射線單晶定向儀進行定向，之后通過精密機 械加工的方式加工成標準直徑尺寸和角度的碳化硅晶錠。

1.4.晶錠切割

切割是加工碳化硅最關鍵的工藝，占整個加工成本的 50%以上。該過程 需要使用切割技術及設備將碳化硅晶錠切割成厚度不超過 1mm 的晶片， 要求翹曲度小、厚度均勻、良率高。由于碳化硅硬度大、易脆裂的特性， 晶錠切割難度大、磨損率高。碳化硅的切割技術包括砂漿線切割、金剛 線切割和激光切割三種，其中金剛線切割技術是主流。

2.1.5.晶片研磨、拋光、清洗

晶片研磨通過不同顆粒粒徑的金剛石研磨液將晶片研磨到所需的平整 度和粗糙度，去除切割過程中造成的碳化硅切片表面的刀痕以及表面損 傷層。 晶片拋光的目的是進一步提高晶片的表面質量，得到表面無損傷的碳化 硅拋光片。碳化硅晶片拋光主要有機械拋光和化學機械拋光方法，其中 化學機械拋光方法是目前實現碳化硅晶片全局平坦化最有效的方法。晶片清洗碳化硅晶片表面的污染物。以清洗藥劑和純水對碳化硅拋光片 進行清洗處理，去除拋光片上殘留的拋光液等表面沾污物，再通過超高 純氮氣和甩干機將晶片吹干、甩干。

2.設備國產化率仍有較大提升空間

碳化硅襯底產業鏈主要包括碳化硅粉料合成爐、單晶生長爐、切片機、 研磨機、拋光機設備。由于碳化硅材料對儀器的精度和穩定性要求高， 切片機、研磨機和拋光機設備依然以進口為主，正在逐步國產化。

2.1.碳化硅粉料合成爐

碳化硅粉料合成爐用于原料合成環節，以制備高純度粉料。此環節工藝 和設備相對簡單，價值量較低。國外主要廠商包括 Wolfspeed、Aymont 等，合成粉體純度可達 99.9995%。國內主要為中國電科二所、山東天岳、 天科合達和中科院硅酸鹽所等，平均粉體純度為 99.999%。

2.2.單晶生長爐

單晶生長爐用于晶體生長環節，基本實現國產化。單晶生長爐是使用 PVT 法長晶的主要設備，由于長晶環節對工藝的要求高，目前長晶爐單 臺產能效率較低且提升速度緩慢。以天岳先進為例，2021 年其長晶爐的 單臺年產能約為 115 片，同比增速僅為 3.6%。長晶環節的壁壘主要體現 在工藝而非設備，并且長晶爐成本可控，價值量不超過 100 萬元，因此 該設備多為襯底制造廠商自主研發。

2.3.切片機

切片機用于碳化硅晶錠切割，由于碳化硅硬度大、易脆裂的特性，晶錠 切割難度大、易磨損，對設備穩定性的要求非常高。國際主流切割技術 多為金剛線多線切割，其中日本高鳥的金剛石多線切割機占據 80%以上 市場份額。國內襯底廠商中超 90%使用砂漿切割，金剛線多線切割機目 前國產化率低，處于逐漸替代砂漿切割的過程中，高測股份于 2022 年 率先出貨 12 臺首款高速碳化硅金剛線切片專機。激光切割技術設備多 為進口，價格昂貴，國內大族激光、德龍激光和英諾激光正在積極研發， 國產化后有望大幅降價。

2.4.研磨機、拋光機

研磨機與拋光機分別用于晶片研磨和拋光環節，設備多為進口。研磨機 和拋光機與硅材料設備類似，但需根據碳化硅材料硬脆的特征做相應的 調整，如研磨機需要采用專用的研磨液，拋光機需采用專用的拋光墊和 拋光液。研磨機和拋光機的主要廠商基本重疊，國際以日本不二越、韓 國 NTS、美國斯德堡等領先，國內廠商主要有中電科四十五所、湖南宇 晶、蘇州赫瑞特等。由于國內設備難以達到做到高精度精磨拋光要求，目前設備以進口為主。