全球“雙碳”背景下,綠色能源的普及和汽車電動化已經逐漸成為了趨勢。特斯拉首次將意法半導體生產的24個SiC MOSFET功率模塊引入其Model 3的主逆變器中,推動了碳化硅功率器件市場的增長。
我國SiC襯底技術發展現狀(來源:CASA)
在SiC器件構造中,襯底(47%)的占比最高,而且襯底相關的技術壁壘非常高。國內碳化硅襯底目前暫時止步于6英寸及以下水平,對比國外:美國半導體廠商Wolfspeed已經研發出8英存襯底產品并開始建設生產線;法國Soitec也于今年5月4號發布了新型20mm的8英寸碳化硅襯底,II-VI公司成功研制出8英寸導電型碳化硅襯底。我國預計在十四五時期(預計在2025年前)突破8英寸襯底的關鍵技術。
SiC襯底制作工藝流程(來源:五礦證券研究所)
碳化硅襯底的生產成本高,而且制作工藝技術密集,生產難度大,在制作流程中存在很多還沒有被解決的問題:
制作流程的第一步是將合成的碳化硅粉在氬氣環境下加熱到2500℃以上,破碎、清洗之后得到適合生長的高純度的碳化硅微粉原料。
再采用PVT(物理氣相傳輸)法生長,難點大多存在于這個過程中。第一是要精準控制生長溫度梯度,因為SiC需要在2300℃以上的高溫環境中生長,第二:碳化硅生長周期很長,Si晶綻2至3天就能拉出約2m長的8英寸硅晶棒,但是碳化硅需要7天才能拉一個約2cm的碳化硅晶棒,冗長的時間也是SiC MOSFET現在無法在電動車上廣泛普及的重要因素。
第三是由于晶體的類型繁雜,生長過程中要嚴格控制硅碳比,晶體生長速率,氣流氣壓等參數,否則容易產出失敗晶體,工程師在檢查晶體的過程中經常會識別到晶體內部出現的大量“死區”,原因為堆垛錯層(正常堆垛順序中引入不正常順序堆垛的原子面而產生的一類面缺陷,或者晶體結構正常的周期重復堆垛順序在某二層間出現了錯誤)。
除此之外,晶體由6英寸向8英寸擴徑的難度也很大,由于物理氣相傳輸法(physical vapor transport, PVT)是目前最成熟的晶體生長技術,通俗來說:PVT技術類似于蒸鍋鍋蓋上水蒸氣的凝結,凝結長大的籽晶成品率低,確限度高,隨著晶體尺寸擴大,生長難度工藝更是呈幾何級增長。
目前有望取代PTV法的技術是頂部籽晶溶液生長法(TSSG),它成本更低,對高溫環境要求小,可以讓碳化硅晶體在低于2000℃的環境下生長,而且晶體的質量更高,易擴徑,能更好的實現穩定的p型摻雜,不過其缺點在于籽晶生長周期過慢,晶體生長的尺寸小。
導電型SiC襯底
碳化硅晶棒形成之后由于其硬度高(SiC的莫氏硬度:9.2-9.6),與金剛石(相對硬度:10)非常接近,切割時要嚴格把關晶片翹曲度(warp),因為切割后得到的晶片翹曲度基本無法修復,所以對晶棒切割的技術要求也很高。晶棒切割現在廣泛采用多線切割法:使用高速運動的鋼線對晶棒進行摩擦切割,不過產出的晶片的翹曲度大多不符合要求,浪費原料增加成本。不過目前公開了一種新的粘棒方法,在碳化硅的端面粘貼陪片后再切割,這樣能提高碳化硅晶棒端面鏡片的質量和良品率。