碳化硅襯底制備的重點與難點

碳化硅生產(chǎn)流程包含材料端襯底與外延的制備，以及后續(xù)芯片的設(shè)計與制造，再到器件的封裝，最終流向下游應(yīng)用市場。其中襯底材料是碳化硅產(chǎn)業(yè)中最具挑戰(zhàn)性的環(huán)節(jié)。碳化硅襯底既硬且脆，切割、研磨、拋光的難度都很高，這導(dǎo)致加工過程中更容易產(chǎn)生廢品，降低良品率。目前國際碳化硅大廠多在籌劃將碳化硅晶圓從6英寸轉(zhuǎn)向8英寸。而如何克服8英寸襯底難關(guān)成為衡量碳化硅產(chǎn)業(yè)的重要指標。

▲碳化硅襯底類型及應(yīng)用領(lǐng)域

碳化硅按襯底制備方式以及面向的下游應(yīng)用分可為兩種類型。一種是通過生長碳化硅同質(zhì)外延，下游用于新能源汽車、光伏、工控、軌交等功率領(lǐng)域的導(dǎo)電型襯底，外延層上制造各類功率器件；另一種是通過生長氮化鎵異質(zhì)外延，下游應(yīng)用于5G通訊、國防等射頻領(lǐng)域的半絕緣型襯底，主要用于制造氮化鎵射頻器件。我們將聚焦于碳化硅襯底層面進行分析。

碳化硅襯底制備環(huán)節(jié)主要包括原料合成、碳化硅晶體生長、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)，其中制備重難點主要是晶體生長和切割研磨拋光環(huán)節(jié)，是整個襯底生產(chǎn)環(huán)節(jié)中的重點與難點，成為限制碳化硅良率與產(chǎn)能提升的瓶頸。

該環(huán)節(jié)是多學(xué)科交叉知識的應(yīng)用，綜合生長條件控制、生長效率、缺陷控制等因素，物理氣相傳輸法(PVT)是技術(shù)成熟度最高、應(yīng)用最廣泛的方法，具有設(shè)備成本低、結(jié)構(gòu)簡單、技術(shù)成熟等優(yōu)點。國際龍頭Wolfspeed、II-VI公司、SiCrystal(Rohm子公司)等襯底生產(chǎn)企業(yè)均采用物理氣相傳輸法。

晶體生長難點：

●?長晶速度慢。碳化硅生長速度僅有0.3-0.5mm/h，且晶體最大長度僅能達到2-5cm，與硅基襯底有著較大的差異。并且隨著碳化硅晶體尺寸擴大，其生長工藝難度呈幾何級增長。

●?黑箱操作良率低。碳化硅襯底核心參數(shù)包括微管密度、位錯密度、電阻率、翹曲度、表面粗糙度等。其生產(chǎn)過程完全處于高溫的密閉石墨腔體中完成，需要在密閉高溫腔體內(nèi)進行原子有序排列并完成晶體生長、同時控制參數(shù)指標，非常依賴廠商的工藝經(jīng)驗。因此穩(wěn)定量產(chǎn)各項性能參數(shù)指標波動幅度較低的高品質(zhì)碳化硅晶片的技術(shù)難度很大，易產(chǎn)生各類缺陷等問題導(dǎo)致晶體生長環(huán)節(jié)難度大、良率低、產(chǎn)量小。

●??碳化硅晶體結(jié)構(gòu)類型眾多，但僅其中少數(shù)幾種晶體結(jié)構(gòu)的碳化硅為所需材料，?雜質(zhì)控制難度高，故在晶體生長過程中，需精確控制硅碳比、生長溫度梯度、晶體生長速度以及氣流氣壓等參數(shù)，否則容易產(chǎn)生多晶型夾雜，降低產(chǎn)品良率。

碳化硅晶體制備完畢后，需要將其沿著一定方向切割成厚度不超過1mm的薄片，并通過不同顆粒粒徑的金剛石研磨液進行研磨，去除刀痕及變質(zhì)層并控制厚度后，再進行CMP拋光以實現(xiàn)全局平坦化后進入最終的清洗環(huán)節(jié)。

切磨拋難點：由于碳化硅是高硬度的脆性材料，期切磨拋的加工難度增加，加工過程中其曲翹開裂等問題嚴重，損耗巨大，根據(jù)英飛凌的數(shù)據(jù)，在傳統(tǒng)的往復(fù)式金剛石固結(jié)磨料多線切割方法下，在切割環(huán)節(jié)對整體材料利用率僅有50%，經(jīng)過拋光研磨環(huán)節(jié)后，切損耗比例則高達75%，可用部分比例較低。

與硅基晶圓發(fā)展路徑相同，未來碳化硅襯底也將持續(xù)提升晶片尺寸，降低單位面積芯片成本，推進碳化硅器件的成本下降。海內(nèi)外襯底廠商以6寸為主流，目前正在向8寸過渡。

襯底尺寸的提升，芯片成本有望顯著下降。根據(jù)Wolfspeed數(shù)據(jù)，在相同尺寸的芯片下，8英寸襯底片可切出的芯片數(shù)量相比6英寸襯底片提高約90%，同時降低約7%的邊緣浪費，帶來生產(chǎn)力和效率的大幅提升。伴隨著尺寸擴張帶來的規(guī)模效應(yīng)以及自動化產(chǎn)線帶來的相關(guān)成本的降低，Wolfspeed預(yù)計至2024年，8英寸襯底帶來的單位芯片成本相較于2022年6英寸襯底的單位芯片成本降低超過60%，這將持續(xù)推進碳化硅產(chǎn)品的降價，加速對硅基器件的替代。

以英飛凌冷裂技術(shù)為例，英飛凌在2018年斥資1.39億美元收購Siltectra獲得其ColdSplit冷裂技術(shù)，作為激光切割的一種形式，ColdSplit冷裂技術(shù)是一種高效的晶體材料加工工藝，能夠?qū)⒉牧蠐p失降到最低。根據(jù)英飛凌的披露，傳統(tǒng)的線切割造成SiC晶錠損失比例超過75%，2021年對晶錠采用冷裂技術(shù)會降低損失比例50%，未來還可以對晶圓進行冷裂，一片晶圓經(jīng)過冷裂可以變成兩片晶圓，這將顯著提升公司材料的利用效率與總體產(chǎn)量，目前該技術(shù)仍在進一步發(fā)展中。

SiC的外延層生長過程中的晶體缺陷和污染可能會延伸到外延層和晶圓表面，形成各種表面缺陷，從而影響其性能參數(shù)。上述表面缺陷出現(xiàn)的部分原因與拋光劃痕息息相關(guān)，因此正確的拋光技術(shù)對碳化硅后續(xù)順利加工至關(guān)重要。

目前，已開發(fā)出批量晶片和單面CMP、批量晶片和雙面CMP、單晶片和單面CMP三種CMP方式以實現(xiàn)更高的材料去除率、更低的表面粗糙度、更少的劃痕和更均勻的表面形貌，以滿足更穩(wěn)定的外延生長的需求。Wolfspeed碳化硅晶片經(jīng)過CMP加工后，晶片表面缺陷較低，可獲得的質(zhì)量較高的碳化硅襯底，為后續(xù)的外延與晶圓制造打下堅實基礎(chǔ)。

技術(shù)升級帶動襯底成本優(yōu)化。受益于襯底制備技術(shù)持續(xù)進步，碳化硅襯底成本將有望得到優(yōu)化，根據(jù)英飛凌數(shù)據(jù)，2023年至2027年襯底價格將得到顯著下降。根據(jù)東尼電子公告披露數(shù)據(jù)，2023年向客戶交付6英寸碳化硅襯底單價為5,000元/片，2024年MOS襯底價格為4750RMB/片，2025年MOS襯底價格為4510RMB/片；2024年SBD襯底價格為4275RMB/片，2025年SBD襯底價格為4060RMB/片。

未來隨著襯底尺寸從6寸向8寸提升，持續(xù)優(yōu)化良率以及相關(guān)生產(chǎn)切割、拋光工藝的的升級，碳化硅材料成本有望顯著下降，將有效降低整體器件價格，提升下游客戶的替代意愿，拉升碳化硅功率器件的市場滲透率。

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