碳化硅襯底分類、應(yīng)用及制造難點(diǎn)有哪些？

SiC 襯底長(zhǎng)晶慢、良率低、損耗大，存在高技術(shù)壁壘。

碳化硅襯底可按導(dǎo)電性能分為兩類，其中導(dǎo)電型襯底具備更大增長(zhǎng)空間。襯底的電 學(xué)性能決定了碳化硅芯片的功能和性能優(yōu)劣。根據(jù)電阻率高低，將碳化硅襯底分為 半絕緣型和導(dǎo)電型。前者具有高電阻率（≥105Ω·cm），用于制備氮化鎵外延片，進(jìn) 而制成射頻器件；后者電阻率低（處于 15~30mΩ·cm 區(qū)間），可通過在導(dǎo)電型襯底 上生長(zhǎng)碳化硅外延層得到碳化硅外延片，進(jìn)一步制成功率器件。目前已有約 90%的 氮化鎵射頻器件采用碳化硅襯底制造，全球格局較穩(wěn)定。若按襯底成本占比 47%測(cè) 算，到 2027 年碳化硅襯底市場(chǎng)規(guī)模約為 39 億美元，其中導(dǎo)電型襯底占比 76%，約 23 億美元。

新能源車為 SiC 功率器件主要應(yīng)用場(chǎng)景，800V 高壓快充趨勢(shì)成為 SiC 上車強(qiáng)催化 劑。導(dǎo)電型襯底通過在晶體生長(zhǎng)過程中引入氮元素，呈現(xiàn)低阻電學(xué)性能。在導(dǎo)電型 襯底上生長(zhǎng)碳化硅外延，可在外延層上制造 MOSFET、二極管等功率器件，應(yīng)用于 新能源車、光伏發(fā)電、軌交、白電、高壓輸變電站等領(lǐng)域可降低能耗，實(shí)現(xiàn)高效能 源應(yīng)用，其中新能源車為主要場(chǎng)景，占比 60%以上。新能源車領(lǐng)域中，800V 高壓 快充已成為緩解補(bǔ)能焦慮的主流方案。為實(shí)現(xiàn) 400V 向 800V 平臺(tái)升級(jí)，整車高壓 零部件需要同步提升耐壓等級(jí)至 800V 甚至更高，以滿足安全冗余要求。而由于材 料限制，傳統(tǒng)硅基功率器件在許多方面已逼近甚至達(dá)到了其材料的本征極限，如電 壓阻斷能力、正向?qū)▔航怠⑵骷_關(guān)速度等，尤其在高頻和高功率領(lǐng)域更顯示出 其局限性。與 Si-IGBT 相比，使用 SiC 器件配合 800V 平臺(tái)方可提升效率、減小器 件體積、散熱更快、以相同電池容量實(shí)現(xiàn)更高的續(xù)航里程。根據(jù)意法半導(dǎo)體數(shù)據(jù)， 400V 平臺(tái)下，SiC 比 IGBT 器件效率提升 2-4%，而在 750V 平臺(tái)下提升幅度可擴(kuò)大 至 3.5-8%。

汽車 SiC 器件中，主驅(qū) SiC 價(jià)值量占比逾 80%，目前主要用于高端車型，2-3 年后 有望在 20 萬以下的中低端車型普及。SiC 器件主要用于汽車中的主驅(qū)、OBC、DCDC 和充電樁。根據(jù)集微網(wǎng)援引產(chǎn)業(yè)專家描述，目前主驅(qū)逆變器的 SiC 價(jià)值總量占整車 SiC 總量的 80%以上。根據(jù)貿(mào)澤等分銷商數(shù)據(jù)，類似器件額定值下，SiC SBD 和 SiC MOSFET 與硅基器件價(jià)差已縮減至 2-3 倍。根據(jù) Digitimes 數(shù)據(jù)，2021 年 6 英寸 SiC 晶圓價(jià)格約 1000 美元，預(yù)計(jì) 2023 年下降至 700 美元。目前只有 20 萬以上的高端 車型采用 SiC 方案，未來隨 SiC 芯片良率提升、襯底降本，2-3 年后 SiC 有望在 20 萬以下車輛普及。

碳化硅襯底行業(yè)技術(shù)壁壘高筑，演進(jìn)空間大。碳化硅襯底屬于技術(shù)密集行業(yè)，制造 流程包括原料合成、晶體生長(zhǎng)、晶錠加工、晶棒切磨拋等。目前制約碳化硅晶體品 質(zhì)的關(guān)鍵指標(biāo)主要有碳化硅粉料質(zhì)量、仔晶的粘結(jié)、溫場(chǎng)的設(shè)計(jì)和保溫材料的選擇， 晶體生長(zhǎng)工藝。制造難點(diǎn)主要體現(xiàn)在溫度控制、切磨拋等方面：

1）主流商業(yè) PVT 法缺陷控制難度大、長(zhǎng)晶速度慢。液相生長(zhǎng)法過程簡(jiǎn)單，生長(zhǎng)晶 體純度、速度均較高，是生長(zhǎng)晶體的優(yōu)選方法，也是傳統(tǒng)的 Si、GaAs 的制備方法。 但液相法通過在硅溶液中添加金屬助溶劑來提高硅溶液熔點(diǎn)，金屬助溶劑的摻入會(huì) 使晶體雜質(zhì)含量較高，而且硅的高壓蒸汽會(huì)腐蝕石墨件，該方法的碳源實(shí)際來自石 墨坩堝。用液相法生長(zhǎng) SiC 單晶挑戰(zhàn)較大。因此目前 SiC 晶體生長(zhǎng)的主流商用方法 為 PVT 法，導(dǎo)致一些行業(yè)共性問題：a）該方法需要在 2,300°C 以上高溫的密閉石 墨腔室內(nèi)完成“固-氣-固”的轉(zhuǎn)化重結(jié)晶過程，生長(zhǎng)周期長(zhǎng)，全程暗箱進(jìn)行易混入雜 質(zhì)，控制難度大，直徑越高良率越低。并且碳化硅單晶有 200 多種不同晶型，其中僅一種可用（SiC-4H），制備過程中單一特定晶型難以穩(wěn)定控制。b）PVT 法碳化硅 長(zhǎng)晶速度慢，為 0.3-0.5mm/h，7 天才可生長(zhǎng) 2cm，最高僅能生長(zhǎng) 3-5cm，而硅基 72h 即可生長(zhǎng)至 2-3m 高度。

2）目前業(yè)內(nèi) 6 英寸 SiC 襯底良率普遍低于 50%。使用 PVT 法生長(zhǎng) 4H-SiC 單晶襯 底時(shí)易出現(xiàn)多型共生現(xiàn)象，造成晶圓良率降低，且使 SiC 基器件性能劣化。根據(jù)電 子發(fā)燒友網(wǎng)調(diào)查，目前業(yè)內(nèi) 4 英寸 SiC 襯底良率約 70%，6 英寸良率僅約 30%-50%， 即使國(guó)際龍頭企業(yè)的襯底良率也僅 70%左右。而傳統(tǒng)硅棒良率已達(dá) 95%左右。

3）SiC 材料特性使其加工難度遠(yuǎn)高于 Si，現(xiàn)有多線切割技術(shù)總材料損耗量高達(dá) 30%~50%。碳化硅襯底作為莫氏硬度 9.2 的高硬度脆性材料硬度高、脆性大、化學(xué) 性質(zhì)穩(wěn)定，加工過程中易開裂，加工后的襯底易翹曲。為了使下游外延開盒即用， 需要對(duì)碳化硅襯底表面采取不同于傳統(tǒng)硅基加工的方式進(jìn)行超精密加工，以降低表 面粗糙度以達(dá)到嚴(yán)苛的金屬、顆粒控制要求。目前 4、6 英寸主要采用多線切割設(shè) 備，將碳化硅晶體切割成厚度不超過 1mm 的薄片。多線切割過程是 SiC 加工損失 的主要來源。與切割線直徑相近的 SiC 材料會(huì)被磨削成碎屑（150~250um），稱為鋸 口損失（KerfLoss），而切割線的高速行走過程還會(huì)造成 20~50um 的粗糙起伏與表 面/亞表面結(jié)構(gòu)損傷，必須通過后續(xù)磨拋工藝去除，總材料損耗量占原材料的 30%~50%。未來隨著碳化硅晶圓尺寸加大，對(duì)材料利用率要求的提升，激光切片、 冷切割等技術(shù)也將逐步得到應(yīng)用，以通過提升出片率的方式降低綜合成本。