碳化硅，技术及资本“密集”行业？

01. 概述

基于碳化硅(SiC)的产业链涵盖了从衬底材料的生产到器件的制造，以及其在各个领域的广泛应用。

具体来说，碳化硅衬底的生产过程始于碳化硅晶体的生长，这些晶体经过切割、磨削和抛光等工序，形成平整且高质量的衬底。这些衬底是后续工艺的基础，在其上将培育出单晶外延层。

进一步地，这些外延片将经历一系列复杂的微电子制造步骤，包括但不限于光刻、蚀刻、离子注入和薄膜沉积，以制造高性能的碳化硅功率器件和射频器件。这些步骤确保了器件的精确特性和优化性能。

完成上述工艺后，晶圆上的单个芯片(die)被分离并准备进行封装。封装过程保护了芯片，同时提供了电气连接和机械支撑。最终，这些封装后的器件可以被集成到更大规模的模块中，并根据需要装入特定的封装外壳。

02. 成本构成

在碳化硅(SiC)的产业链中，高附加值环节主要集中在上游，尤其是衬底材料和外延层的制造过程。

根据CASA的统计数据，碳化硅衬底和外延层的成本在器件总成本中占据了相当大的比例，分别高达47%和23%，成为整个产业链中最具价值的两个部分。这表明，在碳化硅器件的生产过程中，衬底和外延环节对成本的影响最大。

与基于硅材料的器件相比，碳化硅器件的成本结构呈现出明显的不同。碳化硅器件的价值量在上游环节更为集中，而硅基器件的价值则更多地分布在中下游的制造和封装环节。

这种价值量分布的差异，反映了碳化硅材料的独特性质和制造工艺的复杂性。碳化硅衬底和外延的高成本，部分原因在于其生产过程中对原材料的高纯度要求、复杂的晶体生长工艺以及对设备和环境的苛刻要求。

03. 技术及资本密集型行业（衬底）

衬底制造业是一个技术密集型领域，其生产技术直接关系到产品的成品率。碳化硅(SiC)衬底的生产流程包含多个精细的工艺步骤：首先，通过混合高纯度的碳粉和硅粉，合成SiC微粉；然后在专用的SiC单晶炉中培育SiC单晶，之后经过切割、磨抛、清洗等后续处理工序，最终制得SiC衬底。

衬底的品质是影响后续外延生长和器件性能的关键因素。高质量的SiC衬底有助于减少外延过程中的缺陷，维持器件性能的稳定性。然而，SiC衬底的生产过程控制难度大，对每个生产环节的技术要求都很高。在生产链的每个环节都可能发生良率损失，这些损失累积起来，会对最终的良率产生指数级的影响。例如，SiC衬底领域的领先企业Wolfspeed的良率大约为65%，其中晶体生长环节是技术难度最大的部分。

■ SiC功率器件成本构成（左）Si功率器件成本构成（右）

原料合成是SiC衬底生产中至关重要的一步，获得高纯度SiC粉末是一大挑战。在合成过程中，需要将高纯度的硅粉和碳粉按精确比例混合，并在超过2000℃的高温条件下进行反应，以形成SiC颗粒。合成后，还需经过破碎、清洗等步骤，以制备出满足晶体生长需求的高纯度SiC微粉。

■ 衬底加工流程

原料合成环节面临多个技术难题。首先，合成环境中的杂质可能会影响粉料的纯度。其次，硅粉和碳粉作为反应原料，可能发生不完全反应，导致硅和碳的比例失衡。此外，合成后SiC粉末的晶体形态和粒度也难以精确控制，这些都是SiC衬底生产过程中需要克服的关键技术障碍。

04. 晶体生长

碳化硅(SiC)晶体的生长是制备SiC衬底过程中最具挑战性的步骤，其技术水平直接关联到生产效率和产品良率。

目前，SiC晶体生长技术主要包括物理气相传输法(PVT)、溶液法和高温化学气相沉积法等。在商业应用中，PVT法因其成熟度和高效率而成为生长SiC单晶的主流技术。

■ 溶液法（左）物理气相传输法生长碳化硅晶体（右）

PVT法的基本原理涉及将高纯度的SiC微粉和籽晶分别放置在单晶生长炉内特制的石墨坩埚的底部和顶部。利用电磁感应技术，坩埚被加热至超过2000℃的高温。通过精确控制，保持籽晶端的温度略低于微粉端，以此在坩埚内部建立一个沿轴线方向的温度梯度。

在这个高温环境下，SiC微粉会经历升华过程，生成气态的Si2C、SiC2、Si等物质。这些气态物质随后在轴向温度梯度的作用下向较冷的籽晶端迁移，并在籽晶表面结晶沉积。经过一定时间的生长，逐渐形成圆柱形状的SiC晶体。

这一过程对温度控制、气氛保护、晶体生长速率和晶体质量的要求极为严格，任何微小的工艺波动都可能对晶体的完整性和均匀性产生显著影响。因此，晶体生长环节对技术水平的要求极高，是整个SiC衬底制备过程中最为关键的一环。

05. 长晶难点

1）热场控制难度高：

与传统的硅基晶体生长技术相比，碳化硅(SiC)晶体的生长在高温密闭环境中进行，这使得对生长环境的监控和控制面临更大挑战。

硅基晶体生长，如直拉法(Czochralski process)，通常在较为开放的环境中进行，且现代设备具有高度自动化，允许在生长过程中进行实时观察和调整。然而，SiC晶体生长需要在高温下进行，且通常在密闭的石墨坩埚内完成，这限制了对生长过程的直接观察和干预。

SiC晶体生长过程中，精确控制生长温度至关重要，但由于高温和密闭环境，这项任务的难度相对较高。此外，SiC晶体生长容易引入多种晶体缺陷，如微管、多晶型夹杂和位错等，这些缺陷可能会相互影响并随着生长过程演变。微管是一种严重的贯穿型缺陷，其尺寸可以从几微米到数十微米不等，对器件性能有显著影响。

2）晶型控制难度高：SiC单晶存在多种晶体结构，但仅有部分结构（例如4H-SiC）适合用于半导体器件的制造。在晶体生长过程中，晶型的转变可能导致多晶型夹杂缺陷的产生，因此需要精确控制硅和碳的比例、生长温度梯度、晶体生长速率以及气流气压等关键参数。

同时，SiC晶体生长的热场中存在显著的温度梯度，这会在晶体内部引起原生内应力，进而产生各类位错，如基平面位错(BPD)、螺旋位错(TSD)和刃型位错(TED)。这些位错的存在会影响晶体的完整性，进而影响后续的外延生长和器件的质量和性能。

3）掺杂控制难度高：为了培育具有特定掺杂水平的导电型碳化硅(SiC)晶体，必须精细调控掺杂元素的引入。在晶体生长过程中，精确控制掺杂剂的种类和浓度是实现所需电子特性的关键。这对掺杂工艺的准确性提出了高要求，尤其是考虑到SiC的掺杂机制与硅(silica)基材料存在本质区别。

4）生长速度慢：与硅材料相比，SiC的晶体生长速率显著较慢。例如，传统的硅单晶生长可能仅需3天即可完成，而SiC晶体则需长达7天的时间才能生长到相同尺寸。这一差异导致SiC的生产效率相对较低，且生产能力受限。

由于SiC晶体生长通常在密闭系统中进行，生长过程中产生的缺陷难以实时监测和调整。生长完成后才能对生长工艺进行评估和优化，这不仅要求对晶体生长原理有深刻的理解，还需要长期的经验积累。因此，SiC晶体生长是一个复杂且耗时的过程，涉及大量的试错和工艺调整。