中國(guó)粉體網(wǎng)訊  2022年4月26日，碳化硅（SiC）技術(shù)和制造的全球引領(lǐng)者 Wolfspeed, Inc. （美國(guó)紐約證券交易所上市代碼：WOLF）宣布其位于美國(guó)紐約州莫霍克谷（Mohawk Valley）的采用領(lǐng)先前沿技術(shù)的 SiC 制造工廠(chǎng)正式開(kāi)業(yè)。這座 200mm （8英寸）晶圓工廠(chǎng)將助力推進(jìn)諸多產(chǎn)業(yè)從 Si 基產(chǎn)品向 SiC 基半導(dǎo)體的轉(zhuǎn)型。

圖片來(lái)源：Wolfspeed

莫霍克谷這座全自動(dòng)新工廠(chǎng)將是全球首座且最大的 200mm SiC 工廠(chǎng)，將提供高品質(zhì)和更高良率晶圓。在莫霍克谷開(kāi)發(fā)的器件對(duì)于滿(mǎn)足 Wolfspeed 200+ 億美元銷(xiāo)售管道（pipeline）和全球半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的需求至關(guān)重要。首批 SiC 已于這個(gè)月早些時(shí)候在這座新工廠(chǎng)開(kāi)始制造。

Wolfspeed 全球運(yùn)營(yíng)高級(jí)副總裁 Rex Felton 表示：“Wolfspeed 在北卡羅來(lái)納州同樣在擴(kuò)大運(yùn)營(yíng)。位于北卡羅來(lái)納州達(dá)勒姆市的材料工廠(chǎng)計(jì)劃將于今年晚些時(shí)候竣工。通過(guò)這些工廠(chǎng)的建設(shè)與協(xié)同發(fā)力，并綜合 Wolfspeed 30 多年的研發(fā)歷史、強(qiáng)有力的技術(shù)基礎(chǔ)、豐富的制造經(jīng)驗(yàn)和高端的人才，我們將在美國(guó)東海岸打造國(guó)家級(jí)的 SiC 走廊。”

至此，碳化硅世界龍頭已是天下無(wú)敵！

巨頭搶灘8英寸碳化硅

從目前全球市場(chǎng)情況來(lái)看，目前SiC半導(dǎo)體市場(chǎng)主要由Wolfspeed、英飛凌、羅姆半導(dǎo)體旗下SiCrystal、II－IV、新日鐵住金及道康寧等國(guó)外廠(chǎng)商占據(jù)著。同時(shí)，根據(jù)市場(chǎng)的公開(kāi)資料顯示，這些廠(chǎng)商在進(jìn)入6英寸生產(chǎn)后，在近兩年來(lái)，其中一部分廠(chǎng)商又對(duì)其6英寸產(chǎn)線(xiàn)進(jìn)行了擴(kuò)產(chǎn)，并在積極推動(dòng)SiC向8英寸發(fā)展。

在國(guó)際知名大廠(chǎng)中，據(jù)“三代半風(fēng)向”統(tǒng)計(jì)，目前有7家企業(yè)能夠生產(chǎn)8英寸SiC晶圓襯底，包括英飛凌、Wolfspeed、羅姆、II-VI、Soitec，意法半導(dǎo)體以及中國(guó)的爍科晶體。

2015年，Wolfspeed和羅姆都展示了8英寸SiC襯底。2019年5月，Wolfspeed宣布投入10億美元（約64.6億人民幣）建設(shè)新工廠(chǎng)，將于2024年量產(chǎn)8英寸碳化硅等產(chǎn)品。

2015年7月，II-VI也展示了8英寸導(dǎo)電型SiC襯底，2019年又推出了半絕緣8英寸SiC襯底。2021年4月，II-VI表示，未來(lái)5年內(nèi)，將SiC襯底的生產(chǎn)能力提高5至10倍，其中包括量產(chǎn)直徑200mm（8英寸）的襯底。

2020年9月24日，英飛凌表示200mmSiC晶圓生產(chǎn)線(xiàn)已經(jīng)建成。

2021年，Soitec宣布計(jì)劃在五年內(nèi)投資11億歐元（87.57億人民幣），將其年產(chǎn)能翻一番，達(dá)到400萬(wàn)片晶圓。同時(shí)，還將新建2家工廠(chǎng)，其中一家工廠(chǎng)將生產(chǎn)6英寸和8英寸SiC晶圓，該廠(chǎng)計(jì)劃在2023/2024財(cái)年投入使用。

意法半導(dǎo)體在碳化硅晶圓的研發(fā)上已經(jīng)投入了25年之久，擁有70多項(xiàng)專(zhuān)利，2019年還收購(gòu)了Norstel，并改名為意法半導(dǎo)體碳化硅公司，獲得了碳化硅硅錠生長(zhǎng)技術(shù)開(kāi)發(fā)方面的技術(shù)積累。2021年，意法半導(dǎo)體在一次會(huì)議中發(fā)布了消息——他們最近已經(jīng)量產(chǎn)了8英寸SiC晶圓。

2020年10月，據(jù)山西日?qǐng)?bào)報(bào)道，山西爍科晶體公司完全掌握4-6英寸襯底片“切、磨、拋”工藝，同時(shí)8英寸襯底片已經(jīng)研發(fā)成功。2022年1月，爍科晶體實(shí)現(xiàn)8英寸N型碳化硅拋光片小批量生產(chǎn)，向8英寸國(guó)產(chǎn)N型碳化硅拋光片的批量化生產(chǎn)邁出關(guān)鍵一步。

圖源：爍科晶體

SiC的研究一度被擱淺

相比于第一代和第二代半導(dǎo)體材料，SiC具有一系列優(yōu)良的物理化學(xué)特性，除了禁帶寬度，還具有高擊穿電場(chǎng)、高飽和電子速度、高熱導(dǎo)率、高電子密度和高遷移率等特點(diǎn)。SiC的臨界擊穿電場(chǎng)是Si的10倍，GaAs的5倍，這提高了SiC基器件的耐壓容量、工作頻率和電流密度，降低了器件的導(dǎo)通損耗。加上比Cu還高的熱導(dǎo)率，器件使用時(shí)無(wú)需額外散熱裝置，減小了整機(jī)體積。這些均是SiC材料的極大優(yōu)勢(shì)。

此外，SiC器件具有極低的導(dǎo)通損耗，而且在超高頻率時(shí)，可以維持很好的電氣性能。例如從基于Si器件的三電平方案改為基于SiC的兩電平方案，效率可以從96%提高到97.6%，功耗降低可達(dá)40%。因此SiC器件在低功耗、小型化和高頻的應(yīng)用場(chǎng)景中具有極大的優(yōu)勢(shì)。

Si、GaAs、SiC和GaN基本性質(zhì)

Si和SiC作為半導(dǎo)體材料幾乎同時(shí)被提出，但由于SiC生長(zhǎng)技術(shù)的復(fù)雜和缺陷、多型現(xiàn)象的存在，其發(fā)展曾一度被擱淺。SiC的發(fā)展歷經(jīng)了多個(gè)重要階段。第一個(gè)階段是結(jié)構(gòu)基本性質(zhì)和生長(zhǎng)技術(shù)的探索階段，時(shí)間跨度從1924年發(fā)現(xiàn)SiC結(jié)構(gòu)至1955年Lely法的提出。第二階段是物理基本性質(zhì)研究和英寸級(jí)別單晶生長(zhǎng)的技術(shù)積累階段。在此階段物理氣相傳輸(PVT)生長(zhǎng)方法基本確定、摻雜半絕緣技術(shù)被提出，至1994年Wolfspeed推出了商用的2英寸(50.8mm)SiC襯底材料。從1994年以后，隨著國(guó)際上半導(dǎo)體照明及2英寸SiC單晶襯底的突破性進(jìn)展，掀起了全球SiC器件及相關(guān)技術(shù)的研究熱潮。

SiC單晶技術(shù)研發(fā)歷史

2015年美國(guó)Ⅱ-Ⅵ公司首次研制成功8英寸SiC單晶襯底，美國(guó)Wolfspeed、Ⅱ-Ⅵ公司均于2019年宣布開(kāi)始建設(shè)8英寸SiC單晶襯底生產(chǎn)線(xiàn)。美國(guó)Wolfspeed公司最早研究和生產(chǎn)SiC晶體和晶片，1991年推出商品化2英寸6H-SiC單晶片，并于1994年研發(fā)出2英寸4H-SiC單晶，1999年推出商品化3英寸6H-SiC單晶片，并于2004年研發(fā)出3英寸4H-SiC單晶，2007年推出4英寸“零微管”4H-SiC單晶片，2010年發(fā)布6英寸SiC單晶襯底試樣，并于2013年推出商品化6英寸SiC單晶襯底，2015年在ICSCＲM國(guó)際會(huì)議上展示了其8英寸SiC單晶襯底試樣，于2019年10月在紐約州立理工學(xué)院奧爾巴尼分校完成了首批8英寸SiC晶圓樣品的制備。

目前國(guó)內(nèi)已實(shí)現(xiàn)了6英寸SiC襯底的量產(chǎn)，山東天岳、天科合達(dá)、河北同光、中科節(jié)能等公司通過(guò)與山東大學(xué)、中科院物理所和中科院半導(dǎo)體所等科研院所的“產(chǎn)學(xué)研用”合作，均已完成6英寸SiC襯底的研發(fā)，天科合達(dá)已于2020年啟動(dòng)8英寸SiC單晶襯底的研發(fā)工作，我國(guó)在SiC單晶襯底技術(shù)上已初步形成自主技術(shù)體系。

做一片八英寸SiC晶圓難在哪？

進(jìn)入八英寸，每片晶圓中理論上可用的裸片數(shù)量（GDPW，又稱(chēng)PDPW）大大增加。Wolfspeed方面在去年十月底的財(cái)報(bào)說(shuō)明上也表示，單從晶圓加工成本來(lái)看，從六英寸升級(jí)到八英寸，成本是增加的，但是八英寸晶圓得到的優(yōu)良die數(shù)量增加了20-30%，產(chǎn)量更高，所以芯片成本更低。

我們知道，以硅基為材料的晶圓已經(jīng)開(kāi)始從8英寸邁向了12英寸，硅晶圓的生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)是否可以助力SiC晶圓向更大面積發(fā)展，與硅晶圓相比，SiC晶圓的生產(chǎn)難點(diǎn)又在哪里？

包括SiC在內(nèi)的第三代半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈包括包括襯底→外延→設(shè)計(jì)→制造→封裝。其中，襯底是所有半導(dǎo)體芯片的底層材料，起到物理支撐、導(dǎo)熱、導(dǎo)電等作用；外延是在襯底材料上生長(zhǎng)出新的半導(dǎo)體晶層，這些外延層是制造半導(dǎo)體芯片的重要原料，影響器件的基本性能；設(shè)計(jì)包括器件設(shè)計(jì)和集成電路設(shè)計(jì)，其中器件設(shè)計(jì)包括半導(dǎo)體器件的結(jié)構(gòu)、材料，與外延相關(guān)性很大；制造需要通過(guò)光刻、薄膜沉積、刻蝕等復(fù)雜工藝流程在外延片上制作出設(shè)計(jì)好的器件結(jié)構(gòu)和電路；封裝是指將制造好的晶圓切割成裸芯片。

SiC器件成本高的一大原因就是SiC襯底制造困難。數(shù)據(jù)顯示，襯底成本大約占晶片加工總成本的50%，外延片占25%，器件晶圓制造環(huán)節(jié)20%，封裝測(cè)試環(huán)節(jié)5%。SiC襯底成本高昂，生產(chǎn)工藝還復(fù)雜，與硅相比，SiC很難處理。

“在功率半導(dǎo)體制造的離子注入、薄膜沉積、介質(zhì)刻蝕、金屬化等環(huán)節(jié)，8英寸碳化硅與6英寸SiC的差距不大�！鄙钲诨�本半導(dǎo)體有限公司總經(jīng)理和巍巍博士指出：“8英寸SiC的制造難點(diǎn)主要集中在襯底生長(zhǎng)、襯底切割加工、氧化工藝。

在單晶生長(zhǎng)方面

與傳統(tǒng)的單晶硅使用提拉法制備不同，目前規(guī)�；�生長(zhǎng)SiC單晶主要采用物理氣相輸運(yùn)法(PVT)或籽晶的升華法。這也就帶來(lái)了SiC晶體制備的兩個(gè)難點(diǎn)：

1、生長(zhǎng)條件苛刻，需要在高溫下進(jìn)行。一般而言，SiC氣相生長(zhǎng)溫度在2300℃以上，壓力350MPa，而硅僅需1600℃左右。高溫對(duì)設(shè)備和工藝控制帶來(lái)了極高的要求，生產(chǎn)過(guò)程幾乎是黑箱操作難以觀(guān)測(cè)。如果溫度和壓力控制稍有失誤，則會(huì)導(dǎo)致生長(zhǎng)數(shù)天的產(chǎn)品失敗。

2、生長(zhǎng)速度慢。PVT法生長(zhǎng)SiC的速度緩慢，7天才能生長(zhǎng)2cm左右。而硅棒拉晶2-3天即可拉出約2m長(zhǎng)的8英寸硅棒。

還有一個(gè)令人頭疼的問(wèn)題，SiC存在200多種晶體結(jié)構(gòu)類(lèi)型，其中六方結(jié)構(gòu)的4H型(4H-SiC)等少數(shù)幾種晶體結(jié)構(gòu)的單晶型SiC才是所需的半導(dǎo)體材料，在晶體生長(zhǎng)過(guò)程中需要精確控制硅碳比、生長(zhǎng)溫度梯度、晶體生長(zhǎng)速率以及氣流氣壓等參數(shù)，否則容易產(chǎn)生多晶型夾雜，導(dǎo)致產(chǎn)出的晶體不合格。

在晶圓加工方面

SiC是世界上硬度排名第三的物質(zhì)，不僅具有高硬度的特點(diǎn)，高脆性、低斷裂韌性也使得其磨削加工過(guò)程中易引起材料的脆性斷裂從而在材料表面留下表面破碎層，且產(chǎn)生較為嚴(yán)重的表面與亞表層損傷，影響加工精度。所以在研磨、鋸切和拋光階段，挑戰(zhàn)也非常大，其加工難主要體現(xiàn)在：

(1)硬度大，莫氏硬度分布在9.2～9.6；

(2)化學(xué)穩(wěn)定性高，幾乎不與任何強(qiáng)酸或強(qiáng)堿發(fā)生反應(yīng)；

(3)加工設(shè)備尚不成熟。

一句話(huà)就是——SiC襯底的劃切非常棘手，并且晶圓尺寸越大越棘手。

此外，在氧化工藝方面，氧化工藝一直是碳化硅工藝中的核心難點(diǎn)，8英寸、6英寸對(duì)氣流和溫場(chǎng)的控制有不同需求，工藝需各自獨(dú)立開(kāi)發(fā)。

國(guó)內(nèi)狀況

就國(guó)內(nèi)8英寸SiC產(chǎn)線(xiàn)的發(fā)展進(jìn)程上看，國(guó)內(nèi)已有一些公司和單位取得了量產(chǎn)突破或作為預(yù)研項(xiàng)目進(jìn)行立項(xiàng)。這其中就包括：中電科半導(dǎo)體持股的山西爍科晶體公司8英寸襯底片已經(jīng)研發(fā)成功，并小批量生產(chǎn)；天科合達(dá)在2020年也啟動(dòng)了8英寸SiC晶片的研發(fā)。

外延方面，4月13日，松山湖管委會(huì)官網(wǎng)公布了《東莞市生態(tài)園2022年度土地征收成片開(kāi)發(fā)方案》征求意見(jiàn)稿。擬征收地塊面積6.316公頃，合計(jì)94.7畝，后續(xù)將用于保障東莞市天域半導(dǎo)體科技有限公司半導(dǎo)體項(xiàng)目的落地。項(xiàng)目主要內(nèi)容為新增產(chǎn)能達(dá)100萬(wàn)片/年的6英寸/8英寸碳化硅外延晶片生產(chǎn)線(xiàn)；8英寸碳化硅外延晶片產(chǎn)業(yè)化關(guān)鍵技術(shù)的研發(fā)；6英寸/8英寸碳化硅外延晶片的生產(chǎn)和銷(xiāo)售。

在國(guó)內(nèi)與8英寸SiC產(chǎn)業(yè)鏈相關(guān)的設(shè)備和材料方面，2020年11月合肥露笑科技投資100億元建設(shè)的SIC設(shè)備制造、長(zhǎng)晶生產(chǎn)、襯底加工、外延制作等產(chǎn)業(yè)鏈的研發(fā)和生產(chǎn)基地開(kāi)工，按照他們的計(jì)劃，將在第二期、第三期分別達(dá)成年產(chǎn)10萬(wàn)片8英寸襯底片（二期）、年產(chǎn)10萬(wàn)片8英寸外延片和年產(chǎn)15萬(wàn)片8英寸襯底片（三期）的建設(shè)。

參考來(lái)源：

[1]彭燕等.半絕緣碳化硅單晶襯底的研究進(jìn)展

[2]麥玉冰等.第三代半導(dǎo)體材料碳化硅(SiC)

[3]這家廠(chǎng)商表示，SiC產(chǎn)能大增7倍，將進(jìn)入八英寸.半導(dǎo)體行業(yè)觀(guān)察

[4]碳化硅產(chǎn)業(yè)鏈！.碳化硅產(chǎn)業(yè)鏈

[5]8英寸碳化硅晶圓，這么難的嗎？.電子工程專(zhuān)輯

[6]又一企業(yè)量產(chǎn)8寸SiC，全球已有7家.第三代半導(dǎo)體風(fēng)向

[7]Wolfspeed

（中國(guó)粉體網(wǎng)編輯整理/山川）

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