碳化硅，究竟貴在哪里？
碳化硅，究竟貴在哪里？
原創(chuàng) 姚東來 半導(dǎo)體行業(yè)觀察 2022-02-18 09:55
碳化硅半導(dǎo)體，是新近發(fā)展的寬禁帶半導(dǎo)體的核心材料，以其制作的器件具有耐高溫、耐高壓、高頻、大功率、抗輻射等特點(diǎn)，具有開關(guān)速度快、效率高的優(yōu)勢，可大幅降低產(chǎn)品功耗、提高能量轉(zhuǎn)換效率并減小產(chǎn)品體積，主要應(yīng)用于以5G通信、國防軍工、航空航天為代表的射頻領(lǐng)域和以新能源汽車、“新基建”為代表的電力電子領(lǐng)域，在民用、軍用領(lǐng)域均具有明確且可觀的市場前景。我國“十四五”規(guī)劃已將碳化硅半導(dǎo)體納入重點(diǎn)支持領(lǐng)域，隨著國家“新基建”戰(zhàn)略的實(shí)施，碳化硅半導(dǎo)體將在5G基站建設(shè)、特高壓、城際高速鐵路和城市軌道交通、新能源汽車充電樁、大數(shù)據(jù)中心等新基建領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。因此，以碳化硅為代表的寬禁帶半導(dǎo)體是面向經(jīng)濟(jì)主戰(zhàn)場、面向國家重大需求的戰(zhàn)略性行業(yè)。
碳化硅在制造射頻器件、功率器件等領(lǐng)域具有明顯優(yōu)勢。但是在射頻器件、功率器件領(lǐng)域，碳化硅襯底的市場應(yīng)用瓶頸為其較高的生產(chǎn)成本。影響碳化硅襯底成本的制約性因素在于生產(chǎn)速率慢、產(chǎn)品良率低，主要系：目前主流商用的PVT 法晶體生長速度慢、缺陷控制難度大。相較于成熟的硅片制造工藝，碳化硅襯底短期內(nèi)依然較為高昂。例如，目前碳化硅功率器件的價(jià)格仍數(shù)倍于硅基器件，下游應(yīng)用領(lǐng)域仍需平衡碳化硅器件的高價(jià)格與因碳化硅器件的優(yōu)越性能帶來的綜合成本下降之間的關(guān)系，短期內(nèi)一定程度上限制了碳化硅器件的滲透率，其成本高限制了其在下端市場的應(yīng)用場景以及市場滲透，那么碳化硅具體貴在什么地方呢？
一、碳化硅襯底認(rèn)識
（一）襯底認(rèn)識
（1）材質(zhì)屬性
碳化硅襯底是新近發(fā)展的寬禁帶半導(dǎo)體的核心材料，碳化硅襯底主要用于微波電子、電力電子等領(lǐng)域，處于寬禁帶半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈的前端，是前沿、基礎(chǔ)的核心關(guān)鍵材料。4H-SiC具有3.2（eV）的禁帶寬度，2.00飽和電子漂移速率（107 cm/s），3.5擊穿電場強(qiáng)度（MV/cm）以及4.00熱導(dǎo)率（W·cm-1·K-1），具有數(shù)倍于硅基的優(yōu)勢。其中禁帶指在能帶結(jié)構(gòu)中能態(tài)密度為零的能量區(qū)間，常用來表示價(jià)帶和導(dǎo)帶之間的能量范圍；飽和電子漂移速率指電子漂移速率達(dá)到一定范圍后，不再隨著電場作用而繼續(xù)增加的極限值；電子漂移速率指電子在電場作用下移動的平均速度；熱導(dǎo)率指物質(zhì)導(dǎo)熱能力的量度，又稱導(dǎo)熱系數(shù)；擊穿電場強(qiáng)度指電介質(zhì)在足夠強(qiáng)的電場作用下將失去其介電性能成為導(dǎo)體，稱為電介質(zhì)擊穿，所對應(yīng)的電場強(qiáng)度稱為擊穿電場強(qiáng)度。以下為具體第一、二、三代部分材料性能指標(biāo)：
表一、材料的性能對比
注1：碳化硅有200多種結(jié)構(gòu)，以上為常見的4H-SiC
基于以上優(yōu)良的材料屬性特性，碳化硅襯底的使用極限性能優(yōu)于硅襯底，可以滿足高溫、高壓、高頻、大功率等條件下的應(yīng)用需求，已應(yīng)用于射頻器件及功率器件。
（2）碳化硅襯底分類
碳化硅襯底可分為半絕緣型與導(dǎo)電性兩種，其中，半絕緣型碳化硅襯底是具有高電阻率（電阻率≥105Ω·cm），半絕緣型襯底加之異質(zhì)氮化鎵外延片可以作為射頻器件的材料，主要應(yīng)用與上述所述場景的5G通訊、國防軍工等領(lǐng)域；另一類是低電阻率（電阻率區(qū)間為 15~30mΩ·cm）的導(dǎo)電型碳化硅襯底，導(dǎo)電性碳化硅襯底配之碳化硅的同質(zhì)外延可以用來做功率器件的材料，主要的應(yīng)用場景為電動汽車、系能源等領(lǐng)域，兩者均具備應(yīng)用場景廣泛、波及行業(yè)眾多、市場范圍廣闊等特點(diǎn)。其材質(zhì)至應(yīng)用的主要流程如下圖所示：
圖二、碳化硅襯底分類
注1：圖片來源于巨浪資訊
注2：射頻器件指利用射頻技術(shù)形成的一類元器件，常用于無線通信等領(lǐng)域
注3：功率器件指用于電力設(shè)備的電能變換和控制電路的分立器件，也稱電力電子器件
二、成本貴在以下幾個(gè)方面
（一）一次性價(jià)格高昂耗材占比重
圖三、某公司碳化硅襯底制備原料清單
注：單位：萬元
由圖三可知：（1）由原料支出總體金額來看，該公司的原料支出金額從2018年的3250萬元漲到了2021年的19926.9萬元，由此可看出碳化硅的市場熱度以及市場發(fā)展前景，從3250萬元到19926.9復(fù)合增長率高達(dá)6%以上，可見市場對于碳化硅的認(rèn)可度以及碳化硅的市場熱度；（2）在碳化硅襯底的制備原料里，以2021年為例，石墨件成本占比為45.21%，石墨氈占比為41.32%，占據(jù)了原料成本的86.53%，相對比與碳粉、硅粉占比0.97%、1.99%可謂差別巨大，相較于其余一些拋光液2.01%，拋光墊1.75%，金剛石粉2.34%，其他占比為4.18%等也是相差巨大，其中占比最大的原料是石墨件45.21%，占比最低的原料是切割鋼絲0.22%；（3）在2018—2021年碳化硅襯底制備的原料中根據(jù)其成本占比波動趨勢可以將原料分為三類：第一類是占比呈現(xiàn)上升趨勢的如石墨件從32.98%上升至45.21%，石墨氈從37.06%上升至41.32%；第二類是占比基本保持穩(wěn)定的原料如切割鋼絲占比一直維持在0.25（±0.5之內(nèi)），拋光液占比一直維持在1%（±1%左右）以及拋光墊占比一直維持在2%（±0.5%之內(nèi)）；第三類是呈現(xiàn)占比下降趨勢的原料如碳粉從2018年占比5.71%下降至2021年0.97%，硅粉2018年的占比5.47%到2021年的占比1.99%以及其他占比從2018年的8.75%下降至2021年的4.18%；
綜合以上分析可知，在碳化硅的制備過程中，一次性價(jià)格高昂耗材占比過重是導(dǎo)致碳化硅襯底生產(chǎn)成本高的原因之一。坩堝（石墨件）指以一定粒徑的石墨粉高壓壓制后高溫長時(shí)間煅燒制成的器皿，具有耐高溫、導(dǎo)熱性能強(qiáng)、抗腐蝕性能好、壽命長等特點(diǎn)，是碳化硅晶體生長過程中的耗材之一，其在碳化硅襯底生產(chǎn)原料中到2021年占比達(dá)到45%以上，而且其占比還呈現(xiàn)一種上升趨勢，這是碳化硅制備成本高昂的很大一個(gè)原因。
（二）制備工藝條件要求高
PVT 法指 Physical Vapor Transportation，物理氣相傳輸法，一種常見的碳化硅晶體生長方法，在2,300°C以上高溫、接近真空的低壓下加熱碳化硅粉料，使其升華產(chǎn)生包含Si、Si2C、SiC2等不同氣相組分的反應(yīng)氣體；由于固相升華反應(yīng)形成的 Si、C 成分的氣相分壓不同，Si/C 化學(xué)計(jì)量比隨熱場分布存在差異，需要使氣相組分按照設(shè)計(jì)的熱場和溫梯進(jìn)行分布和傳輸，使組分輸運(yùn)至生長腔室既定的結(jié)晶位置；為了避免無序的氣相結(jié)晶形成多晶態(tài)碳化硅，在生長腔室頂部設(shè)置碳化硅籽晶（種子），輸運(yùn)至籽晶處的氣相組分在氣相組分過飽和度的驅(qū)動下在籽晶表面原子沉積，生長為碳化硅單晶。以上碳化硅單晶制備的整個(gè)固-氣-固反應(yīng)過程都處于一個(gè)完整且密閉的生長腔室內(nèi)，反應(yīng)系統(tǒng)的各個(gè)參數(shù)相互耦合，任意生長條件的波動都會導(dǎo)致整個(gè)單晶生長系統(tǒng)發(fā)生變化，影響碳化硅晶體生長的穩(wěn)定性；此外，碳化硅單晶在其結(jié)晶取向上的不同密排結(jié)構(gòu)存在多種原子連接鍵合方式，從而形成200多種碳化硅同質(zhì)異構(gòu)結(jié)構(gòu)的晶型，且不同晶型之間的能量轉(zhuǎn)化勢壘極低。因此，在PVT單晶生長系統(tǒng)中極易發(fā)生不同晶型的轉(zhuǎn)化，導(dǎo)致目標(biāo)晶型雜亂以及各種結(jié)晶缺陷等嚴(yán)重質(zhì)量問題。故需采用專用檢測設(shè)備檢測晶錠的晶型和各項(xiàng)缺陷。
由以上可以看出，碳化硅制備的工藝實(shí)現(xiàn)條件要求極高有以下幾點(diǎn)：（1）碳化硅粉料合成過程中的環(huán)境雜質(zhì)多，難以獲得高純度的粉料；作為反應(yīng)源的硅粉和碳粉反應(yīng)不完全易造成 Si/C 比失衡；碳化硅粉料合成后的晶型和顆粒粒度難控制；（2）2,300°C以上高溫、接近真空等在密閉石墨腔室內(nèi)完成“固-氣-固”的轉(zhuǎn)化重結(jié)晶過程，生長周期長、控制難度大，易產(chǎn)生微管、包裹物等缺陷；（3）碳化硅包括200多種不同晶型，但生產(chǎn)一般僅需一種晶型，生長過程中易產(chǎn)生晶型轉(zhuǎn)變造成多型夾雜缺陷，制備過程中單一特定晶型難以穩(wěn)定控制，且不同晶型之間的能量轉(zhuǎn)化勢壘極低又給控制增加了難度，期間的參數(shù)控制、相關(guān)研究需要巨大的研發(fā)成本，這又是導(dǎo)致合規(guī)的碳化硅成本高昂的又一大原因。
（三）污染處理
眾所周知，在國家加強(qiáng)生態(tài)建設(shè)、碳中和、碳達(dá)峰的大環(huán)境下，材料制備的污染問題無疑會給材料的成本增加一筆隱形投入。碳化硅襯底材料，主要工序涉及原料合成、晶體生長、晶錠加工、晶棒切割、切割片研磨、研磨片拋光、拋光片清洗等環(huán)節(jié)，不屬于重污染行業(yè)；產(chǎn)生的主要污染物為廢水（主要包括酸洗清洗廢水、廢氣凈化廢水、倒角清洗廢水、研磨清洗廢水、機(jī)械拋光清洗廢水、生活污水等）、一般固廢（主要包括提純雜質(zhì)、加工下腳料、生活垃圾等）、危險(xiǎn)廢物（主要包括廢研磨液、廢切削液、廢拋光液等）、廢氣（主要包括酸洗廢氣、乙醇清洗廢氣、有機(jī)廢氣等）、噪聲等。污染物處理主要方式為：廢水通過經(jīng)污水處理站處理達(dá)標(biāo)后排入市水質(zhì)凈化廠進(jìn)一步處理；一般固廢中生活垃圾委托環(huán)衛(wèi)部門處理，其他通過回收單位進(jìn)行資源再利用；危險(xiǎn)廢物通過委托有資質(zhì)第三方機(jī)構(gòu)處理；廢氣通過排污裝置合規(guī)排放；噪音通過車間隔音措施等方式處理。
雖然碳化硅的制造企業(yè)不屬于重污染企業(yè)，但中國高質(zhì)量經(jīng)濟(jì)發(fā)展無疑是伴隨著國家加強(qiáng)生態(tài)建設(shè)、碳中和、碳達(dá)峰的大環(huán)境下進(jìn)行的，所以制備材料的污染處理是一個(gè)不可忽視的重要因素。污染的處理費(fèi)用雖然是材料制備環(huán)節(jié)中的間接費(fèi)用，但是作為一種新型材料，其污染問題的處理也一直是大家關(guān)注的焦點(diǎn)問題，污染物的處理無疑又是高昂的碳化硅成本的助推者之一。
（四）以微觀密度為例解釋良率低
碳化硅核心技術(shù)參數(shù)包括直徑、微管密度、多型面積、電阻率范圍、總厚度變化、彎曲度、翹曲度、表面粗糙度。上述技術(shù)參數(shù)指標(biāo)的具體含義如下：
表二、技術(shù)參數(shù)指標(biāo)的具體含義
碳化硅晶體中最重要的結(jié)晶缺陷之一是微管，其是導(dǎo)致產(chǎn)品良率低以及合規(guī)碳化硅成本高昂的又一大因素。微管是延伸并貫穿整個(gè)晶棒的中空管道。微管的存在對于器件的應(yīng)用是致命的，襯底中的微管存在的密度將直接決定外延層的結(jié)晶質(zhì)量，器件區(qū)存在微管時(shí)將導(dǎo)致器件過高的漏電流甚至器件擊穿，造成器件失效。因此，降低微管密度是碳化硅產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用的重要技術(shù)方向。隨著微管缺陷改進(jìn)技術(shù)的不斷進(jìn)步，國際領(lǐng)先的碳化硅企業(yè)可以將微管密度穩(wěn)定地控制在1cm-2以下。這只是其中一種指標(biāo)的評判，可想而知，制造出以上諸多核心指標(biāo)納米級別范圍內(nèi)的優(yōu)質(zhì)襯底可見成本控制之難。
綜合以上信息可知，碳化硅制備過程中一次性價(jià)格高昂耗材占比過重、制備工藝實(shí)現(xiàn)條件難度大、制備污染處理費(fèi)用高以及晶體微管密度高等等原因是綜合導(dǎo)致碳化硅成本高昂的重要原因。由于以上幾點(diǎn)的都具有很高的技術(shù)壁壘、資金壁壘，突破需要巨大的研發(fā)投入以及長時(shí)間的人才培養(yǎng)，所以對于碳化硅的具體市場滲透來說，降成本、擴(kuò)尺寸，加大市場滲透率還需要很長的路要走！
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