碳化硅：一切为了产能！
在今年的上半年，持续了10天的上海车展，其中传统燃油车的存在感显著减弱，相反，对拥有巨大市场潜力的碳化硅需求的新能源汽车（电动汽车）显示出了强劲的趋势。在这次车展中，碳化硅无疑成为了被反复提起的“焦点话题”。
为什么要用碳化硅
(资料图片)
硅是半导体行业的第一代基础材料，目前全球95%以上的集成电路都是以硅为衬底制造的。不过，由于转换效率、开关频率、工作温度等多方面受限，当电压大于900V时，要实现更大的功率，硅基功率MOSFET和IGBT就暴露了出了短板。高功率、高耐压、高频率器件的需求正在快速增长，第三代半导体的典型代表碳化硅已成为高功率器件的理想材料。
近些年，尽管整个半导体行业经历了周期性的下滑，但以碳化硅为代表的功率半导体市场并未表现出任何衰退迹象。相反，市场逆势而上，处处可见新产品的发布、投资行为以及产能扩大的努力，目标只有一个：降本增效。那么，如何实现这个目标呢？我们必须从碳化硅器件的原材料——晶锭讲起。
更快商用需要降本增效
碳化硅外延材料的最基本参数也是最关键参数，就是其厚度和掺杂浓度均匀性。事实上，碳化硅外延中的缺陷要比其他晶体更多。这些缺陷大部分都是从衬底中直接复制过来的。这些衬底缺陷在主要来源于晶锭，当然也包括衬底研磨和抛光工艺。
碳化硅单晶材料尺寸是关键
虽然都是晶锭，但通常人们都把硅晶锭叫做硅棒，而把碳化硅叫做块晶。这是因为硅晶锭的厚度（高度）要比其直径长很多，像一根棒，而碳化硅晶锭就像一张饼，其厚度比直径小很多。
正在进行粗加工的硅晶锭
不管是硅还是碳化硅，人们一直在谋求将晶锭的直径做大，目的是为了切割出直径比较大的晶圆，在上面做出更多芯片。同理，如果能把晶锭的厚度（或高度）做大，那么每个晶锭切割出来的晶圆片就会相应增加。对硅来说，这不算什么问题，但要把碳化硅晶锭厚度做到和硅一样是不可能的。所以，半导体行业的主攻方向还是想把当前主流6英寸晶圆扩大到8英寸，而在晶体生长厚度方面虽然也有进展，但还是有很长的路要走。
成品碳化硅晶锭
那么，碳化硅晶体长不“高”到底难在哪儿？
硅晶锭可以长得很长，而碳化硅则不然。对于硅、锗及砷化镓、磷化铟等半导体材料，晶体材料都是在熔体中生长出来的。首先用横截面通常为10mm×10mm的籽晶生长晶体，并使用籽晶和熔体界面之间形成的细颈放肩将晶体的直径扩大到所需水平。扩径完成后，晶体就会以既定的速率从熔体中拉出。其生长速率为1mm/h到150mm/h。目前，单晶硅棒长度已超过2米，直径达12英寸。
由于碳化硅材料不存在于常压液相，因此无法从熔体中生长晶体。如果将碳化硅保持在高温和低压下，它会不经过液相而分解成气态物质。由于这种特性，碳化硅晶体要使用升华或物理气相传输（PVT）技术生长。这种方法的首要条件是需要有同等直径的籽晶。PVT生长速率通常在0.1mm～0.5mm/h。目前碳化硅晶锭的长度仅为50mm左右，直径8英寸已经是最大尺寸了。
为了将碳化硅的质量提升到新的高度，同时更精确地控制材料生长，研究人员已经实现了PVT工艺的诸多改进，并探索了其他可行的方法，比如不用固体碳化硅粉末，而用气体裂解供应碳和硅源的高温化学气相沉积（HT-CVD）；掺杂氮气或其他气体的改良PVT（M-PVT）；以及采用气态或易挥发物质的卤化物CVD和HT-CVD和PVT的组合等。
生产碳化硅晶体的几种技术
近年来，人们对在溶液中生长碳化硅晶体产生了浓厚的兴趣，因为它具有生产大尺寸、高质量碳化硅衬底的潜力。但这项技术仍在研究中，尚不能实现商业化。其缺点之一是在大气压下缺乏化学计量的碳化硅液相，因此不可能实现一致熔融的熔体生长。
碳化硅晶锭厚度到底是多少？
此前有报道称，当下国内主流碳化硅晶体生长速度在0.1～0.2mm/h，晶体厚度在15～25mm，晶体尺寸在从4英寸向6英寸切换。国际上主流碳化硅晶体生长速度在0.2～0.3mm/h，晶体厚度在30～40mm，晶体尺寸在由6英寸转向8英寸。
专家指出，碳化硅晶圆昂贵的主要原因是缺乏高效的晶体制备技术，“谁能真正更快地解决此类问题，将能抢占市场，成为真正的行业龙头。”经与国内几家碳化硅晶锭厂商交流，普遍说法是：国内仍以6英寸为主，8英寸在研，厚度一般在20mm左右。国际上，晶锭厚度到底是多少，皆讳莫如深。
国内碳化硅晶锭寻求突破
国际上，晶锭厚度到底是多少，皆讳莫如深。但国内企业并无避讳。下面我们来看看过去一年在晶体直径和厚度方面科研和企业有哪些进展？
2022年5月，中科院物理研究所科研人员通过优化生长工艺，改善了晶体结晶质量，成功制备出厚度接近19.6mm的单一4H（4H具有禁带宽度大、临界击穿电场高、热导率高、饱和速度大等优势，适用于功率电子）晶型的8英寸碳化硅晶锭，实现了国产大尺寸碳化硅单晶衬底的突破。请注意，这可是8英寸碳化硅晶锭。
中科院物理研究所厚度19.6mm的8英寸碳化硅晶锭
6英寸方面，2022年6月，科友半导体宣布，其实验线实现生长6英寸碳化硅晶体厚度的突破，达到32.146mm的“业内领先水平”。此前的2月突破20mm，4月突破了28mm。2022年7月，浙江大学杭州国际科创中心先进半导体研究院-乾晶半导体联合实验室和浙江大学硅材料国家重点实验室在浙江省“尖兵计划”等研发项目的资助下，成功生长出厚度达到50mm的6英寸碳化硅单晶。50mm应该是目前已知最大的尺寸，不过还是6英寸。实现突破的还有8英寸，2022年12月，科友半导体通过自主设计制造的电阻长晶炉产出直径超过8英寸的碳化硅单晶，晶体表面光滑无缺陷，最大直径超过204mm。这是继6英寸碳化硅晶体厚度上实现40mm突破后，在碳化硅晶体生长尺寸上取得的又一次重大突破。这应该是目前尺寸最大的碳化硅晶锭。
厚度达50mm的6英寸碳化硅单晶
2022年8月，晶盛机电成功研发出8英寸N型碳化硅晶体，自此迈入了8英寸时代。其8英寸碳化硅晶体晶坯厚度25mm，直径214mm，是为大尺寸碳化硅晶体研发上取得的重大突破。它不但成功解决了8英寸碳化硅晶体生长过程中温场不均、晶体开裂、气相原料分布等难点问题，同时还破解了碳化硅器件成本中衬底占比过高的难题，为大尺寸碳化硅衬底广泛应用打下了基础。
实际上，截至目前，没有西方碳化硅供应商向中国出口碳化硅晶锭，这是因为晶圆供应商更倾向于保留他们自己的“独门秘诀”，以便支持其持续的发展。在中美的技术对抗和知识产权保护问题上，国内晶圆制造商必须自主掌握自己的技术配方和知识产权。
如今，国内生产的碳化硅单晶直径已广泛达到6英寸，但其厚度通常在20到30mm之间，这就导致我们从一个碳化硅晶锭中切割得到的衬底数量相当有限。如果能够突破这一厚度问题，一方面我们可以节省宝贵的碳化硅种晶，另一方面也能大幅提升从一个碳化硅晶锭切割得到的衬底数量，从而有效降低碳化硅器件的制造成本。
其中，碳化硅商业应用的一个主要难题便是其高昂的成本，这主要由于每单位面积衬底所能生产的芯片过少，从而阻碍了产能的扩大。现在的目标就是：在直径能扩大的地方最大程度地扩大，在厚度能增加的地方尽量增加。可能有一天，某个方向就会取得惊人的突破。
行业普遍认为，碳化硅功率器件有助于显著提高电能的利用率，已经成为功率半导体行业的关键发展趋势。在可见的未来，电动汽车将会是碳化硅功率器件的主要应用领域。随着碳化硅器件制造工艺技术的进一步成熟，限制碳化硅大规模应用的高成本也将逐步降低，因此，我们对碳化硅功率器件的未来充满了期待。
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