中國粉體網(wǎng)訊 在半導體產(chǎn)業(yè)鏈中，以先進陶瓷為代表的關(guān)鍵零部件是支撐半導體設備實現(xiàn)先進制造的重要載體，也是目前國產(chǎn)化替代的重要領(lǐng)域。同時，以碳化硅為代表的第三代半導體材料已展現(xiàn)出極其重要的戰(zhàn)略性應用價值，其中碳化硅單晶制備占據(jù)價值鏈最核心位置。4月25日，由中國粉體網(wǎng)主辦的“第三屆半導體行業(yè)用陶瓷材料技術(shù)研討會暨第三代半導體SiC晶體生長技術(shù)交流會”在江蘇蘇州隆重召開，會議期間，我們邀請到眾多專家學者做客“對話”欄目，圍繞先進陶瓷在半導體行業(yè)的應用研究及碳化硅單晶生長技術(shù)及產(chǎn)業(yè)化進行了訪談交流。本期為您分享的是山西爍科晶體有限公司總經(jīng)理助理馬康夫的專訪。
中國粉體網(wǎng)：馬總，首先請您介紹一下山西爍科晶體有限公司在第三代半導體碳化硅單晶襯底領(lǐng)域的技術(shù)實力。
馬總：山西爍科在碳化硅單晶襯底領(lǐng)域，已經(jīng)有十幾年的研發(fā)歷程。我們先后突破了單晶生長設備的設計，還包括粉體合成、單晶生長，還有加工、檢測等全產(chǎn)業(yè)鏈的技術(shù)。設備設計，是我們的一個核心，我們的設計跟我們的工藝結(jié)合起來，這樣就有助于我們工藝的快速迭代，這也是我們的優(yōu)勢之一。
另外在粉體合成方面，我們突破了高純度碳化硅粉體合成技術(shù)，我們的粉體純度可以達到6個9甚至7個9以上，是達到了低于檢測限的程度。這為我們生長高質(zhì)量的晶體打下了良好的基礎(chǔ)。
在碳化硅單晶生長領(lǐng)域，我們有兩款產(chǎn)品，按導電性來分，一款是高純半絕緣的碳化硅單晶，另一款是N型的碳化硅單晶。我們在高純半絕緣碳化硅單晶方面，突破了很多關(guān)鍵性的技術(shù)，在國內(nèi)的市占率達到了領(lǐng)先的地位。
在N型碳化硅單晶方面，國內(nèi)是從22年的下半年開始，N型6英寸比較火，然后從22年、23年整個都是持續(xù)火熱的狀態(tài)。我們因為有前期的技術(shù)積累，也就很順利地搭上了這班車。無論是出貨還是營收，我們在6英寸N型碳化硅單晶襯底上都實現(xiàn)了非常好的躍遷。
爍科N型導電型碳化硅晶片
在8英寸方面，我們做了一些前瞻性的準備。我們在2020年就開始著手8英寸的研究，然后在2021年的9月就做出了國內(nèi)第一塊8英寸碳化硅單晶。然后在2022年的3月，我們又把晶錠加工成晶片，做出了碳化硅單晶襯底，當時也是國內(nèi)第一家被報道的企業(yè)。
然后在8英寸方面，我們在持續(xù)做一些技術(shù)改進和優(yōu)化。在2023年年初我們收到了客戶的一些需求。常規(guī)的8英寸N型碳化硅襯底，它的厚度是500微米，但是客戶提出來，為了提高材料利用率，延續(xù)碳化硅的成本優(yōu)勢，要求8英寸做到350微米。但是做到350微米有一些難度，在晶體生長這方面，應力控制是比較難的，而在加工這方面面型控制也是比較困難的。但是我們在2023年的二季度，就攻克了350微米的技術(shù)。然后我們在2023年下半年就開始給客戶出貨。
在晶體生長方面，特別是在缺陷控制方面，不管是六英寸還是八英寸，我們現(xiàn)在都達到了國際先進水平。
在晶體加工方面，主要涉及8英寸，因為8英寸的加工技術(shù)路線的不同，有可能會對未來的發(fā)展產(chǎn)生比較大的影響。目前我們在8英寸方面，能把350微米的這個面型控制得非常好，而且經(jīng)過后道外延測試之后，外延前后的面型變化不大，然后我們順利進入了器件端的視野，跟他們?nèi)ヅ浜献鲆恍炞C的工作�，F(xiàn)在每個月都在穩(wěn)定地輸出一些350微米的產(chǎn)品。
中國粉體網(wǎng)：剛才馬總您也提到了8英寸碳化硅襯底的一些技術(shù)難點。請問在所有的難點當中，您認為哪些具有更高的技術(shù)壁壘呢？
馬總：8英寸的技術(shù)壁壘相對于6英寸有以下幾個，第一個就是大尺寸籽晶的獲得，首先生長碳化硅單晶跟硅單晶是不太一樣的，硅單晶的生長可以用一個小的籽晶通過擴徑放肩技術(shù)，能夠拉出8甚至12英寸的硅單晶。但是碳化硅不是這樣的，碳化硅如果要長幾寸的單晶，就需要幾寸甚至更大一點直徑的材料作為籽晶。
我們當時研發(fā)8英寸碳化硅單晶襯底的時候，是買不到8英寸的籽晶的，我們只能從6英寸一點一點擴到8英寸。但是碳化硅單晶生長主流的方法是物理氣相傳輸法（PVT），物理氣相傳輸法去擴徑，相對難度還是比較大的，每次只能擴3到5毫米，因為它是氣相，不是液相。碳化硅從長晶到加工成片大概需要一個月的時間。比如說從150成功擴到155，你大概需要一個月的時間。但如果是不成功，有可能你還得從頭再來。所以光是大尺寸籽晶的獲得，我們就經(jīng)歷了很長的時間。
另外，碳化硅本身它晶體里面的缺陷，特別是位錯、微管等缺陷，是跟籽晶有很大的關(guān)系的，我們在碳化硅單晶生長的過程中也可以發(fā)現(xiàn)，隨著生長次數(shù)的增加，相當于是籽晶的迭代，那么籽晶的質(zhì)量是會變好的，所以要獲得這個高質(zhì)量的籽晶，除了優(yōu)化工藝之外，要經(jīng)歷迭代的時間也是少不了的。這是大尺寸高質(zhì)量籽晶這塊的技術(shù)壁壘。
另外就是晶體缺陷的控制，包括應力的控制，這兩者可以合在一起來講。因為生長碳化硅單晶是用氣相法，氣相法對熱場的敏感度是非常高的，稍微有一些擾動，都可能對生長過程造成波動，從而對晶體質(zhì)量造成影響。尺寸越大，它對這個熱場的敏感性越高。尺寸越大，不管是徑向梯度的穩(wěn)定性，還是軸向梯度的穩(wěn)定性，它控制起來難度都是比較大的，稍微有些擾動，可能會在晶體生長的過程中產(chǎn)生應力。那么應力怎么釋放？如果是比較小的應力，有可能會通過比如說是轉(zhuǎn)化成位錯缺陷去釋放；如果是比較大的應力，有可能會生成微管，或者是導致晶體開裂。所以在大尺寸的應力控制跟缺陷控制方面，也是比較大的一個技術(shù)難點。
第三個就是加工。剛才我也講到，尺寸大了，它有幾個問題。一個是加工的良率，一個是加工的效率，還有一個是面型控制。因為尺寸越大，越容易導致面型會比較大，但是也看工藝路線的選擇。我們現(xiàn)在做了一些工藝方案，在大尺寸、350微米厚度的層面上，我們的面型控制點是相對比較好的。
爍科碳化硅晶錠
中國粉體網(wǎng)：與美國、日本等國家的碳化硅企業(yè)相比，我國企業(yè)的8英寸碳化硅襯底進展情況如何？
馬總：碳化硅單晶襯底領(lǐng)域，有這么幾個企業(yè)，美國主要是Wolfspeed跟Coherent，這兩家企業(yè)在8英寸方面的布局是相對比較早的，在2015年就相繼發(fā)布了8英寸的襯底產(chǎn)品。但是經(jīng)過這么多年，直到2022年，相關(guān)應用的報道都基本上沒有看到。在日本很少聽說這些新聞，因為日本的長晶企業(yè)本來就很少。
國內(nèi)碳化硅長晶企業(yè)還是比較多的。國內(nèi)22年相當于是8英寸碳化硅爆發(fā)的元年。據(jù)媒體統(tǒng)計，2022年我們國內(nèi)就有8家襯底企業(yè)，發(fā)布了8英寸的產(chǎn)品。從這個層面上來講，實際上我們中國跟美國及國際上其他企業(yè)，在8英寸方面的差距是非常小的。而且在經(jīng)過驗證之后，可能在質(zhì)量方面還有趕超的趨勢。所以我們相信在8英寸方面，在材料端，中國可能后邊會追平國際先進水平，或者說略有趕超的態(tài)勢。
中國粉體網(wǎng)：碳化硅粉體會對碳化硅襯底的性能有怎樣的影響？碳化硅襯底對于碳化硅粉體的性能有怎樣的要求？
馬總：碳化硅單晶襯底制備分為幾段，一個是粉體合成，一個是單晶生長，一個是襯底加工。我重點講一下碳化硅長晶過程中用到的原料碳化硅粉體。碳化硅長晶是用物理氣相傳輸法，簡單的說就是把固相的碳化硅粉體放到石墨坩堝的底部，然后把籽晶片放到頂部，然后碳化硅粉體在高溫下分解升華，在一定的溫度梯度，包括其它條件下，它分解成碳硅組分，然后在籽晶片上進行有序的原子堆垛，去長碳化硅單晶。
碳化硅粉體的各項指標，對碳化硅長晶的質(zhì)量，還是有一定的影響的。各家的工藝不太一樣，對碳化硅粉體的要求可能也略有一些差異。有的廠家，可能在粒度選擇上，喜歡更細一點的粉體，但是有的廠家可能選擇更粗一點的粉體。
另外在晶型上的選擇方面，有的廠家可能選擇β相的碳化硅粉體去作為原料，但是有的廠家用α相的粉體作為原料。有一項比較統(tǒng)一的，就是在純度方面要求都是挺高的，碳化硅粉體純度最少要達到6個9以上，才能去進行碳化硅晶體生長的工作。所以根據(jù)各家長晶工藝的不同，他們對碳化硅粉體的選擇其實沒有一個非常標準的要求。
爍科碳化硅粉料
中國粉體網(wǎng)：請問山西爍科所使用的碳化硅粉體，是自己生產(chǎn)的嗎？
馬總：是自己生產(chǎn)的。
中國粉體網(wǎng)：碳化硅粉體的產(chǎn)業(yè)化制備方法有哪些？
馬總：碳化硅粉體制備方法從大的類來講，有固相法、液相法和氣相法。固相法有碳熱還原法，還有自蔓延法。碳熱還原法主要是碳跟二氧化硅，生成碳化硅跟一氧化碳。碳熱還原法這種傳統(tǒng)方法中用到的爐子比較大，然后溫度也比較高。它合成的碳化硅粉體，是有塊兒狀的，粒度不是很均勻。如果要達到碳化硅長晶使用的水平，肯定要經(jīng)過破碎，需要對它的粒度做均勻化處理。那在破碎及后處理這個過程中，不可避免地會引入一些雜質(zhì)，這就需要一個比較好的工藝去配合。
另外就是自蔓延法，自蔓延法就是高純碳粉跟高純硅粉直接反應合成碳化硅粉體。這種方法就是通過卡控原材料的純度，可以卡控基礎(chǔ)純度。另外它本身也是個高溫反應的過程，在反應過程中也有一些比如說是表面雜質(zhì)，或者是其它的雜質(zhì)，可能也會以揮發(fā)態(tài)的形式去溢出這個腔體，也會使得最終合成的粉體的純度比較高。這種粉體合成方法，還有一個優(yōu)勢就是它是直接合成的粉體，其顆粒度是相對比較均勻的，不需要經(jīng)過一些后續(xù)處理，這樣就省去了很多后處理的工藝，相對來說是比較簡便的一種方法，而且它的成本也可以做到比較低的狀態(tài)。我們內(nèi)部也是采用這種自蔓延方法生產(chǎn)的碳化硅粉體，去生長碳化硅單晶的。市面上很多長晶企業(yè)其實都是采用這種方法去做的。
另外還有液相法，比如說溶膠凝膠法去做碳化硅粉體，但是這種方法做碳化硅粉體，它的粒度相對是比較小的，基本上是在納米級。那這種粉體在碳化硅長晶領(lǐng)域不是很適合，因為它比較容易在長晶的過程中形成一些包體缺陷。
此外就是氣相法，現(xiàn)在比較普遍的是化學氣相沉積法（CVD法）。這種方法它純度可以做到比較高，但是它跟碳熱還原法一樣，生產(chǎn)出來的是塊體，還需要經(jīng)過破碎、酸洗等后處理的過程，工序相對還是復雜一點。再一個是CVD方法合成的粉體，它基本上也是β相的粉體�，F(xiàn)在大家也在研究這個β相的粉體跟α相的粉體到底對長晶有沒有什么影響，這有待進一步的結(jié)論的得出。
中國粉體網(wǎng)：最后請馬總和我們分享一下，您對未來五年碳化硅襯底技術(shù)的發(fā)展和大的市場趨勢的看法。
馬總：技術(shù)領(lǐng)域，首先大尺寸必然是一個趨勢。在8英寸方面，它還是有很長的一個生命周期的，所以在未來很長一段時間，可能8英寸應該會是主流。隨著技術(shù)的發(fā)展，大家對碳化硅單晶的體缺陷，特別是位錯，要求會越來越苛刻，比如說之前都是四位數(shù)的量級，然后現(xiàn)在到三位數(shù)的量級，未來是不是繼續(xù)往下再去做，這是一個技術(shù)發(fā)展的趨勢。
在市場發(fā)展趨勢方面，碳化硅現(xiàn)在的應用領(lǐng)域還是比較窄的。相對于硅，碳化硅有非常明顯的物理優(yōu)勢，但是碳化硅成本比較高。其實它在功率器件的滲透率是相對比較低的。目前比較明晰的兩個應用場景是光伏跟新能源汽車。但是它在光伏領(lǐng)域的滲透率也是因為價格的原因，所以遲遲沒有很明顯的提升，處于比較低的狀態(tài)。
最主要的應用其實就是新能源汽車。碳化硅可以用到新能源汽車領(lǐng)域的三個部分，包括OBC、DC/DC轉(zhuǎn)換器、主驅(qū)逆變器。據(jù)我們了解，碳化硅在新能源汽車里面，應用占比最大的還是主驅(qū)逆變器。
總體來講，目前碳化硅的應用的面還是相對比較窄。未來在軌道交通跟高壓輸配電方面，通過技術(shù)的提升，碳化硅可以有一個潛在的應用，完全可以發(fā)揮它高壓的優(yōu)勢。再一個就是現(xiàn)在供需關(guān)系可能有一點轉(zhuǎn)變，這個也會倒逼產(chǎn)業(yè)鏈整體去降本。
在碳化硅跟硅的價格差異不是很大的情況下，可能在很多領(lǐng)域都會拓寬碳化硅的應用，比如說白色家電，比如說光伏跟儲能。還有新能源汽車里面，雖然說是有碳化硅的車型，但是碳化硅的車型基本上都是在B級甚至以上的車，都是在二三十萬以上價格的車。十幾萬的車很少用到碳化硅的，大部分還是硅的，但是這部分其實在新能源汽車里面占比是非常大的，所以說碳化硅價格下降之后，能把這塊領(lǐng)域也覆蓋，那碳化硅未來的市場空間是非常大的。
中國粉體網(wǎng)：非常感謝馬總接受我們的采訪。
（中國粉體網(wǎng)采訪/梧桐、編輯/平安；經(jīng)馬總審閱）
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