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摘要: 市场动态:2022 年 4 月 8 日上市公司金博股份公告与天科合达签订战略合作协议。双方共同就【高纯热场材料】【高纯保温材料】【高纯粉体材料】在第三代半导体领域的开发和应用,达成深度战略合作伙伴关系,合作期 5 ...

市场动态:2022 年 4 月 8 日上市公司金博股份公告与天科合达签订战略合作协议。双方共同就【高纯热场材料】【高纯保温材料】【高纯粉体材料】在第三代半导体领域的开发和应用,达成深度战略合作伙伴关系,合作期 5 年,结束后可续签。

PVT法合成长晶 热场成本占比较高

碳化硅衬底经多道加工工序制成,技术壁垒较高。相比半导体级硅片,碳化硅衬底的制造工艺更为复杂,壁垒较高,需要长时间的技术积累。不同于硅及砷化镓的拉晶工艺,碳化硅衬底制备通常需要先将高纯硅粉与碳粉化合以制成高纯碳化硅微粉原料,然后在单晶炉中生长,成为晶锭,随后经过一系列切片、研磨、抛光等步骤制成衬底。

碳化硅衬底生产流程

天科合达牵手金博股份,意在衬底降本?

资料来源:天科合达招股说明书,天岳先进招股说明书,中金公司研究部


► 原料合成:按一定配比混合高纯硅粉与碳粉,在2000℃的高温环境下经化学反应合成碳化硅颗粒,通过后续破碎、清洗等工艺制成满足长晶要求的高纯碳化硅微粉原料。

► 晶体生长:将高纯碳化硅微粉原料导入晶体生长炉内,生长为碳化硅晶锭。

► 晶锭加工:将制得的碳化硅晶锭进行定向,之后磨平、滚磨,加工成标准直径尺寸的碳化硅晶体。

► 晶棒切割:使用切割设备将碳化硅晶体切割成厚度不超过1mm的薄片。

► 晶片研磨:通过配比好的研磨液将晶片研磨到所需的平整度和粗糙度。

► 晶片抛光:通过配比好的抛光液对研磨片进行机械抛光和化学抛光,用来消除表面划痕、 降低表面粗糙度及消除加工应力等。

► 晶片检测:检测碳化硅晶片的微管密度、结晶质量、表面粗糙度、电阻率、翘曲度、弯曲度、厚度变化、表面划痕等各项参数指标,据此判定晶片的质量等级。

► 晶片清洗:通过特定配比的化学试剂及去离子水对清洗机内的抛光片进行清洗,去除抛光片表面的微尘颗粒、金属离子、有机沾污物等,再将晶片吹干、甩干、封装。

目前,国内现在成熟的、主流的长晶工艺是PVT,或者叫气相法,现在几乎是刚才所有提到的知名公司都是用这种技术。

基本的工艺流程首先就是合成原材料。目前,各大企业都是自己合成原材料,基本上没有企业去采购原材料,采购原材料太贵了。合成是用高纯的碳粉和高纯的硅粉,硅粉是多晶硅料,就是电子界的多晶硅,11个9,即99.999999999%这样一个程度。

硅粉以前国内主要是买德国瓦克的,碳粉是买东洋碳素或德国西格里的,但现在这几年国内都可以做。碳粉和硅粉在高温下固相烧制成碳化硅,烧制过程中的温度、烧制时间最终会决定制成的多晶料。然后要将它粉碎成颗粒,对颗粒度的要求不能太细,也不能太粗。大概按颗粒度筛选后放到单晶炉里长晶,也就是我们说的PVT气相法长晶。

长晶这个环节就是各家公司最大一个技术差异。长晶这个环节基本上是2300度到2500度这个区间,一般都用感应加热。然后从一开始的碳化硅粉末固相,在2300度下,它不会经历液态,而是直接到气态。碳化硅在高温下他不会有液态,要产生液态必须要在1万个大气压以上的环境下,所以这个是碳化硅的独特性。

这个过程可以理解成升华,升华后变成气体,然后在上端的籽晶就是碳化硅。然后籽晶会重新承接,按照它的晶体结构一列列的排列,可以理解成凝华。所以这是一个“固——气——固”这样一个过程,从本质上讲它气相生产方法。气相生产方法是适合做外延的、适合做薄膜的一种方法。原因是它长得非常慢。

现在主流的生产速度,也就是每小时大概0.2毫米。而且它不容易连续生长,因为它是固体,温场的各个地方温度不一样,温度不一样意味着蒸发的速度不一样。且碳化硅粉末还有一个很大问题,硅会更容易出来,碳基不容易打进去,缺陷率就会高。而且因为温度分布不均的情况下,中间温度低,外围温度高,外围蒸发的更快,容易导致整个界面不平衡。界面一旦不平,再生长下去就会不稳定。所以碳化硅最多也就长两个礼拜,长度大概2厘米。

所以PVT长晶的三大缺点,长不快;长不厚;长不大(直径)。都跟长晶过程中的热场及粉料质量的关联性非常强。目前看,碳化硅衬底占全产业价值链 47%,进口热场&保温占衬底成本的40%。

国产化后将有望进一步降低成本

金博股份在此次与天科合达达成的合作内容主要体现在两个方面,一方面,双方将共同研发用于第三代半导体的热场材料、保温材料与粉体材料;另一方面,金博将以优于市场的价格、优先保供天科合达;天科合达在同等性价比条件下,优先采购金博的热场、保温与粉体材料。通过增强上下游之间的联系,双方有望相互提升在SiC领域的市场竞争力。

同时,公告中也提出公司主要目标是实现SiC PVT热场的国产化降本。目前金博股份在 SiC 热场领域已经做到 50PPM以内,预计 4 月给客户进行送样,技术路线适配的是主流的 PVT 法长晶路线,核心在于找到和光伏一样的技术突破口,不同位置的热场材料,需要满足的是性能是不同的,等静压石墨没法做到这点,碳纤维可以通过不同的编制结构达到这一目的。

目前东洋碳素和西格里的策略都是退出光伏市场,全部重心在半导体尤其是 SiC,我们判断随着公司技术积累,有望延续光伏热场的逻辑,在半导体领域实现进口替代。

同时 ,他们也表示在制备碳化硅衬底的关键原材料--高纯碳化硅粉体方面,目前公司碳化硅粉正在研发试制阶段。碳化硅粉的纯度以及颗粒度、晶型等,对碳化硅衬底生长质量&电学性能,甚至碳化硅器件的质量都有重要影响。碳粉作为气相沉积工艺副产品,具有纯度高、成本低等优势;目前公司已进行试制高纯碳粉、高纯碳化硅粉,加速推进国产化。

据悉,天科合达成立于2006年9月,作为最早布局碳化硅衬底的厂商之一,其导电型碳化硅衬底的市占率在国内排名第一,也是目前国内导电型碳化硅衬底know how积累较为充分的企业,此次与金博股份的携手,有望进一步降低产品成本,使公司衬底产品在各大应用市场更具有竞争优势。

成本下降是 SiC 碳化硅产业化推广的核心,而衬底是 SiC 产业化降本重中之重,目前看起来,衬底降本的几个有效方案一个是扩大衬底尺寸,目前用于功率器件的N型衬底仍以6英寸为主,且未来3-5年内都以6英寸为主流,国产衬底往8英寸过渡仍有一段路要走。所以另外的方案就是在衬底原材料、长晶炉配件、热场材料、保温材料等方面尽快国产化。据东吴证券测算,热场材料等实现本土化后,保守估计占碳化硅整体投资价值的15%。

除此之外,以下几种也是降本的有效手段:

1)增加产能规模摊薄研发成本及人力成本 ;

2)引入智能制造手段,增加生产效率 ;

3)继续改善切磨抛工艺,提高碳化硅衬底综合良率 ;

4) 开发颠覆性创新技术(如液相熔体长晶技术、激光切割技术、Grinding 技术等),突破现有传统技术的极限瓶颈,实现成本的显著下降。

天科合达牵手金博股份,意在衬底降本?

预计未来几年,碳化硅衬底成本每年以 10%-20%的速度下行,产品价格不断下降叠加新能源汽车拉动,碳化硅上车应用将迎来增长拐点。

来源:碳化硅芯观察


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