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【原创】第三代半导体碳化硅单晶衬底技术与市场发展趋势 ——访山西烁科总经理助理马康夫

平安

2024.6.3 | 点击 4987次

导读 第三代半导体材料碳化硅领军企业烁科晶体总经理助理马康夫专访

中国粉体网讯 在半导体产业链中，以先进陶瓷为代表的关键零部件是支撑半导体设备实现先进制造的重要载体，也是目前国产化替代的重要领域。同时，以碳化硅为代表的第三代半导体材料已展现出极其重要的战略性应用价值，其中碳化硅单晶制备占据价值链最核心位置。4月25日，由中国粉体网主办的“第三届半导体行业用陶瓷材料技术研讨会暨第三代半导体SiC晶体生长技术交流会”在江苏苏州隆重召开，会议期间，我们邀请到众多专家学者做客“对话”栏目，围绕先进陶瓷在半导体行业的应用研究及碳化硅单晶生长技术及产业化进行了访谈交流。本期为您分享的是山西烁科晶体有限公司总经理助理马康夫的专访。

中国粉体网：马总，首先请您介绍一下山西烁科晶体有限公司在第三代半导体碳化硅单晶衬底领域的技术实力。

马总：山西烁科在碳化硅单晶衬底领域，已经有十几年的研发历程。我们先后突破了单晶生长设备的设计，还包括粉体合成、单晶生长，还有加工、检测等全产业链的技术。设备设计，是我们的一个核心，我们的设计跟我们的工艺结合起来，这样就有助于我们工艺的快速迭代，这也是我们的优势之一。

另外在粉体合成方面，我们突破了高纯度碳化硅粉体合成技术，我们的粉体纯度可以达到6个9甚至7个9以上，是达到了低于检测限的程度。这为我们生长高质量的晶体打下了良好的基础。

在碳化硅单晶生长领域，我们有两款产品，按导电性来分，一款是高纯半绝缘的碳化硅单晶，另一款是N型的碳化硅单晶。我们在高纯半绝缘碳化硅单晶方面，突破了很多关键性的技术，在国内的市占率达到了领先的地位。

在N型碳化硅单晶方面，国内是从22年的下半年开始，N型6英寸比较火，然后从22年、23年整个都是持续火热的状态。我们因为有前期的技术积累，也就很顺利地搭上了这班车。无论是出货还是营收，我们在6英寸N型碳化硅单晶衬底上都实现了非常好的跃迁。

烁科N型导电型碳化硅晶片

在8英寸方面，我们做了一些前瞻性的准备。我们在2020年就开始着手8英寸的研究，然后在2021年的9月就做出了国内第一块8英寸碳化硅单晶。然后在2022年的3月，我们又把晶锭加工成晶片，做出了碳化硅单晶衬底，当时也是国内第一家被报道的企业。

然后在8英寸方面，我们在持续做一些技术改进和优化。在2023年年初我们收到了客户的一些需求。常规的8英寸N型碳化硅衬底，它的厚度是500微米，但是客户提出来，为了提高材料利用率，延续碳化硅的成本优势，要求8英寸做到350微米。但是做到350微米有一些难度，在晶体生长这方面，应力控制是比较难的，而在加工这方面面型控制也是比较困难的。但是我们在2023年的二季度，就攻克了350微米的技术。然后我们在2023年下半年就开始给客户出货。

在晶体生长方面，特别是在缺陷控制方面，不管是六英寸还是八英寸，我们现在都达到了国际先进水平。

在晶体加工方面，主要涉及8英寸，因为8英寸的加工技术路线的不同，有可能会对未来的发展产生比较大的影响。目前我们在8英寸方面，能把350微米的这个面型控制得非常好，而且经过后道外延测试之后，外延前后的面型变化不大，然后我们顺利进入了器件端的视野，跟他们去配合做一些验证的工作。现在每个月都在稳定地输出一些350微米的产品。

中国粉体网：刚才马总您也提到了8英寸碳化硅衬底的一些技术难点。请问在所有的难点当中，您认为哪些具有更高的技术壁垒呢？

马总：8英寸的技术壁垒相对于6英寸有以下几个，第一个就是大尺寸籽晶的获得，首先生长碳化硅单晶跟硅单晶是不太一样的，硅单晶的生长可以用一个小的籽晶通过扩径放肩技术，能够拉出8甚至12英寸的硅单晶。但是碳化硅不是这样的，碳化硅如果要长几寸的单晶，就需要几寸甚至更大一点直径的材料作为籽晶。

我们当时研发8英寸碳化硅单晶衬底的时候，是买不到8英寸的籽晶的，我们只能从6英寸一点一点扩到8英寸。但是碳化硅单晶生长主流的方法是物理气相传输法（PVT），物理气相传输法去扩径，相对难度还是比较大的，每次只能扩3到5毫米，因为它是气相，不是液相。碳化硅从长晶到加工成片大概需要一个月的时间。比如说从150成功扩到155，你大概需要一个月的时间。但如果是不成功，有可能你还得从头再来。所以光是大尺寸籽晶的获得，我们就经历了很长的时间。

另外，碳化硅本身它晶体里面的缺陷，特别是位错、微管等缺陷，是跟籽晶有很大的关系的，我们在碳化硅单晶生长的过程中也可以发现，随着生长次数的增加，相当于是籽晶的迭代，那么籽晶的质量是会变好的，所以要获得这个高质量的籽晶，除了优化工艺之外，要经历迭代的时间也是少不了的。这是大尺寸高质量籽晶这块的技术壁垒。

另外就是晶体缺陷的控制，包括应力的控制，这两者可以合在一起来讲。因为生长碳化硅单晶是用气相法，气相法对热场的敏感度是非常高的，稍微有一些扰动，都可能对生长过程造成波动，从而对晶体质量造成影响。尺寸越大，它对这个热场的敏感性越高。尺寸越大，不管是径向梯度的稳定性，还是轴向梯度的稳定性，它控制起来难度都是比较大的，稍微有些扰动，可能会在晶体生长的过程中产生应力。那么应力怎么释放？如果是比较小的应力，有可能会通过比如说是转化成位错缺陷去释放；如果是比较大的应力，有可能会生成微管，或者是导致晶体开裂。所以在大尺寸的应力控制跟缺陷控制方面，也是比较大的一个技术难点。

第三个就是加工。刚才我也讲到，尺寸大了，它有几个问题。一个是加工的良率，一个是加工的效率，还有一个是面型控制。因为尺寸越大，越容易导致面型会比较大，但是也看工艺路线的选择。我们现在做了一些工艺方案，在大尺寸、350微米厚度的层面上，我们的面型控制点是相对比较好的。

烁科碳化硅晶锭

中国粉体网：与美国、日本等国家的碳化硅企业相比，我国企业的8英寸碳化硅衬底进展情况如何？

马总：碳化硅单晶衬底领域，有这么几个企业，美国主要是Wolfspeed跟Coherent，这两家企业在8英寸方面的布局是相对比较早的，在2015年就相继发布了8英寸的衬底产品。但是经过这么多年，直到2022年，相关应用的报道都基本上没有看到。在日本很少听说这些新闻，因为日本的长晶企业本来就很少。

国内碳化硅长晶企业还是比较多的。国内22年相当于是8英寸碳化硅爆发的元年。据媒体统计，2022年我们国内就有8家衬底企业，发布了8英寸的产品。从这个层面上来讲，实际上我们中国跟美国及国际上其他企业，在8英寸方面的差距是非常小的。而且在经过验证之后，可能在质量方面还有赶超的趋势。所以我们相信在8英寸方面，在材料端，中国可能后边会追平国际先进水平，或者说略有赶超的态势。

中国粉体网：碳化硅粉体会对碳化硅衬底的性能有怎样的影响？碳化硅衬底对于碳化硅粉体的性能有怎样的要求？

马总：碳化硅单晶衬底制备分为几段，一个是粉体合成，一个是单晶生长，一个是衬底加工。我重点讲一下碳化硅长晶过程中用到的原料碳化硅粉体。碳化硅长晶是用物理气相传输法，简单的说就是把固相的碳化硅粉体放到石墨坩埚的底部，然后把籽晶片放到顶部，然后碳化硅粉体在高温下分解升华，在一定的温度梯度，包括其它条件下，它分解成碳硅组分，然后在籽晶片上进行有序的原子堆垛，去长碳化硅单晶。

碳化硅粉体的各项指标，对碳化硅长晶的质量，还是有一定的影响的。各家的工艺不太一样，对碳化硅粉体的要求可能也略有一些差异。有的厂家，可能在粒度选择上，喜欢更细一点的粉体，但是有的厂家可能选择更粗一点的粉体。

另外在晶型上的选择方面，有的厂家可能选择β相的碳化硅粉体去作为原料，但是有的厂家用α相的粉体作为原料。有一项比较统一的，就是在纯度方面要求都是挺高的，碳化硅粉体纯度最少要达到6个9以上，才能去进行碳化硅晶体生长的工作。所以根据各家长晶工艺的不同，他们对碳化硅粉体的选择其实没有一个非常标准的要求。

烁科碳化硅粉料

中国粉体网：请问山西烁科所使用的碳化硅粉体，是自己生产的吗？

马总：是自己生产的。

中国粉体网：碳化硅粉体的产业化制备方法有哪些？

马总：碳化硅粉体制备方法从大的类来讲，有固相法、液相法和气相法。固相法有碳热还原法，还有自蔓延法。碳热还原法主要是碳跟二氧化硅，生成碳化硅跟一氧化碳。碳热还原法这种传统方法中用到的炉子比较大，然后温度也比较高。它合成的碳化硅粉体，是有块儿状的，粒度不是很均匀。如果要达到碳化硅长晶使用的水平，肯定要经过破碎，需要对它的粒度做均匀化处理。那在破碎及后处理这个过程中，不可避免地会引入一些杂质，这就需要一个比较好的工艺去配合。

另外就是自蔓延法，自蔓延法就是高纯碳粉跟高纯硅粉直接反应合成碳化硅粉体。这种方法就是通过卡控原材料的纯度，可以卡控基础纯度。另外它本身也是个高温反应的过程，在反应过程中也有一些比如说是表面杂质，或者是其它的杂质，可能也会以挥发态的形式去溢出这个腔体，也会使得最终合成的粉体的纯度比较高。这种粉体合成方法，还有一个优势就是它是直接合成的粉体，其颗粒度是相对比较均匀的，不需要经过一些后续处理，这样就省去了很多后处理的工艺，相对来说是比较简便的一种方法，而且它的成本也可以做到比较低的状态。我们内部也是采用这种自蔓延方法生产的碳化硅粉体，去生长碳化硅单晶的。市面上很多长晶企业其实都是采用这种方法去做的。

另外还有液相法，比如说溶胶凝胶法去做碳化硅粉体，但是这种方法做碳化硅粉体，它的粒度相对是比较小的，基本上是在纳米级。那这种粉体在碳化硅长晶领域不是很适合，因为它比较容易在长晶的过程中形成一些包体缺陷。

此外就是气相法，现在比较普遍的是化学气相沉积法（CVD法）。这种方法它纯度可以做到比较高，但是它跟碳热还原法一样，生产出来的是块体，还需要经过破碎、酸洗等后处理的过程，工序相对还是复杂一点。再一个是CVD方法合成的粉体，它基本上也是β相的粉体。现在大家也在研究这个β相的粉体跟α相的粉体到底对长晶有没有什么影响，这有待进一步的结论的得出。

中国粉体网：最后请马总和我们分享一下，您对未来五年碳化硅衬底技术的发展和大的市场趋势的看法。

马总：技术领域，首先大尺寸必然是一个趋势。在8英寸方面，它还是有很长的一个生命周期的，所以在未来很长一段时间，可能8英寸应该会是主流。随着技术的发展，大家对碳化硅单晶的体缺陷，特别是位错，要求会越来越苛刻，比如说之前都是四位数的量级，然后现在到三位数的量级，未来是不是继续往下再去做，这是一个技术发展的趋势。

在市场发展趋势方面，碳化硅现在的应用领域还是比较窄的。相对于硅，碳化硅有非常明显的物理优势，但是碳化硅成本比较高。其实它在功率器件的渗透率是相对比较低的。目前比较明晰的两个应用场景是光伏跟新能源汽车。但是它在光伏领域的渗透率也是因为价格的原因，所以迟迟没有很明显的提升，处于比较低的状态。

最主要的应用其实就是新能源汽车。碳化硅可以用到新能源汽车领域的三个部分，包括OBC、DC/DC转换器、主驱逆变器。据我们了解，碳化硅在新能源汽车里面，应用占比最大的还是主驱逆变器。

总体来讲，目前碳化硅的应用的面还是相对比较窄。未来在轨道交通跟高压输配电方面，通过技术的提升，碳化硅可以有一个潜在的应用，完全可以发挥它高压的优势。再一个就是现在供需关系可能有一点转变，这个也会倒逼产业链整体去降本。

在碳化硅跟硅的价格差异不是很大的情况下，可能在很多领域都会拓宽碳化硅的应用，比如说白色家电，比如说光伏跟储能。还有新能源汽车里面，虽然说是有碳化硅的车型，但是碳化硅的车型基本上都是在B级甚至以上的车，都是在二三十万以上价格的车。十几万的车很少用到碳化硅的，大部分还是硅的，但是这部分其实在新能源汽车里面占比是非常大的，所以说碳化硅价格下降之后，能把这块领域也覆盖，那碳化硅未来的市场空间是非常大的。

中国粉体网：非常感谢马总接受我们的采访。

（中国粉体网采访/梧桐、编辑/平安；经马总审阅）

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