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对标国际巨头,中国SiC材料再突破

2022-08-06 08:37资讯

简介 在第三代半导体材料中,SiC是商用化规模最大的一种,特别是在车用功率器件方面,SiC展现出了优异的性能,具备很大的发展潜力。然而,SiC材料制造过程中的一些限制和技术壁垒,特...

  

在第三代半导体材料中,SiC是商用化规模最大的一种,特别是在车用功率器件方面,SiC展现出了优异的性能,具备很大的发展潜力。然而,SiC材料制造过程中的一些限制和技术壁垒,特别是衬底的制备水平,阻碍了其应用发展。因此,包括中国厂商在内的各家SiC材料生产企业和相关机构都在进行相关研究工作,以期攻克难题。

  

SiC材料主要包括衬底和外延片,相关晶圆厂拿到外延片之后,就可以制造相应的SiC器件了。因此,衬底是所有SiC器件的底层材料,起到物理支撑、导热、导电等作用。外延片是在衬底材料上生长出新的半导体晶层,这些外延层是制造芯片的重要原料。

  

在SiC器件成本中,衬底占比45%左右。要降低单个器件的成本,主要有两个途径:一是进一步扩大SiC衬底尺寸,从而在单个衬底上增加器件的数量,目前,业界主流的SiC衬底尺寸为4英寸和6英寸,正在向8英寸进发,8英寸比6英寸SiC衬底有明显成本优势,但目前鲜有大规模的商用案例;二是增加SiC单晶的厚度,由于SiC衬底是从很厚的单晶晶锭上一片一片切割下来的,因此,单晶越厚,能够产出的衬底数量就越多,单个衬底的成本也就越低。

  

在自然界,SiC单晶极其稀有,不能满足工业化生产需求,只能依靠人工合成制备。目前,工业生产SiC单晶以物理气相传输法(PVT)为主。

  

PVT虽然是主流工艺,但其存在晶体生长过程中缺陷难以控制的缺点,另一种制备方法——

  

液相法——生长得到的SiC单晶品质更高,在大尺寸SiC单晶制备方面优势明显,未来更具发展潜力。

  

SiC单晶生长的难点

  

在制造高压大容量SiC功率器件时,要求晶体材料具有大直径、应力小、位错缺陷少,晶型单一等品质,这就必须解决异晶型夹杂和晶型间相互转化的问题。异晶型夹杂是指生长出的晶体,具有多种晶型结构,其成因源于生长条件及热动力学条件等限制,多型晶体相互间的转化,则是指晶体类型可以在一定条件下相互转化。

  

传统的第一、二代半导体材料Si、GaAs的制备均采用液相生长法,其特点是比较容易控制,生长过程简单,生长晶体的纯度和速度较高。但SiC晶体生长具有特殊性,使得液相生长得到单晶SiC的条件极为苛刻,特别是温度(T),当T>2830℃,才可以得到熔融态SiC,而在1412~2830℃区间,碳在硅中的溶解度很低,二者不能按照1:1的比例排序,难以得到单晶SiC材料。

  

物理气相传输法的基本长晶原理是:在高温真空环境下将粉料升华、合成,也就是将硅和碳按1:1比例合成SiC多晶颗粒,粉料是晶体生长的原料来源,其粒度、纯度都会直接影响晶体质量,特别是半绝缘衬底的制备过程中,对粉料的纯度要求极高(杂质含量低于0.5ppm)。籽晶也很重要,因为它是晶体生长的基底,为晶体生长提供基础晶格结构,是决定晶体质量的核心原料。对原料进行加热,通过气相升华和温场控制,使升华的组分在籽晶表面再结晶,从而获得较厚的SiC晶锭。

  

目前,制约SiC晶体品质的关键指标主要有:SiC粉料质量、籽晶的粘结、温场的设计和保温材料的选择,以及晶体生长工艺。每一项指标都会影响最终晶体的成品率和品质。

  

SiC粉料的制备多采用改进高温自蔓延法,在高温条件下,高纯度碳和硅混合加热,并清洗除杂后得到高纯SiC粉,合成工艺的选择、碳硅粉的颗粒度决定着最终得到SiC粉料的颗粒度、纯度。籽晶的粘结要确保和石墨锅盖之间贴合紧密,没有缝隙,否者会在晶体生长过程中影响籽晶表面的温场分布,从而影响晶体品质。温场设计要确保温场分布的均匀性,在加热过程中使粉料均匀受热,挥发气体能够在坩埚中平稳升华,保温材料的选择是确保温场稳定的关键因素之一,也是用来调节晶体生长时径向和纵向温度梯度的必要手段。晶体生长工艺的选择要与晶体生长炉匹配,由于SiC晶体生长尚未成熟,没有统一标准,各家企业和研究机构通常都是自行设计晶体炉,同时,由于SiC晶体长晶的特殊性,晶体生长过程中各参数难以实时掌控,所以晶体炉长晶需要根据经验推测。

  

市场格局

  

谈完SiC材料的制备,下面看一下主导厂商。无论是衬底、外延片,还是相关芯片和器件,全球SiC市场由欧美日企业主导,这些领先企业中,很多都是以IDM形式存在着,它们既制造SiC衬底、外延片,也生产相关芯片和器件。目前,美国Wolfspeed(原Cree)是领头羊,市占率超过45%,排在二、三位的厂商是SiCrystal(日本Rohm子公司)、II-VI,这两家的全球市占率分别为20%和13%。

  

此外,日本昭和电工在全球SiC材料市场占比为8%。近些年,中国企业进步速度也很快,例如天科合达,市占率超过5%,山东天岳市占率也达到3%左右。

  

目前,中国已有近30个SiC衬底项目,其中,中电科半导体材料公司旗下的山西烁科晶体有限公司SiC产业基地一期的300台单晶生产设备,具备年产7.5万片SiC衬底的产能;天科合达拥有一个研发中心和一个晶体生长、晶体加工、晶片加工、清洗检测的全套SiC生产基地。

  

  

中国SiC衬底产线投资情况(来源:中国电子材料行业协会半导体材料分会)

  

8英寸SiC单晶研究取得进展

  

目前,全球SiC外延片年产能约为40~60万片,但其主流尺寸一直是6英寸,每片晶圆能制造的芯片数量不大,成本较高,且难以满足下游需求。产业迫切希望SiC单晶从6英寸过渡到8英寸或更大尺寸。

  

8英寸SiC晶体生长的难点在于:首先要研制出8英寸籽晶,其次要解决大尺寸带来的温场不均匀和气相原料分布和输运效率问题,另外,还要解决应力加大导致晶体开裂问题。

  

目前,能实现8英寸量产的厂商并不多,大概有7家,包括英飞凌、Wolfspeed、Rohm、II-VI、Soitec、意法半导体(ST),以及中国的烁科晶体。

  

Wolfspeed位于纽约Marcy的8英寸SiC材料工厂于2020年2月开工,2021年4月设备开始搬入,在2022年启用生产,到2024年满产时,将达到2017年4~6英寸产能的30倍,同时,产品符合车规级要求。

  

意法半导体已经在它们位于瑞典的工厂成功制造出首批8英寸SiC衬底,用于生产下一代电力电子器件。意法半导体已经在SiC材料研发上投入了25年之久,2019年还收购了Norstel,并改名为意法半导体SiC公司,积累了大量SiC晶锭生长方面的技术。

  

中国于2000年前后开始SiC单晶生长研究,代表机构包括中科院物理所、中科院上硅所、山东大学等。中科院物理所团队于2005年生长出2英寸SiC单晶,2014年生长出6英寸单晶。天科合达与中科院物理所合作,将后者的研究成果商业化,具备4英寸、6英寸SiC单晶量产能力

  

中科院物理所团队已经掌握了8英寸生长室温场分布和高温气相输运特点,以6英寸SiC为籽晶,设计了有利于SiC扩径生长的装置,解决了扩径生长过程中籽晶边缘多晶形核问题,并设计了新型生长装置,提高了原料输运效率。通过多次迭代,逐步扩大SiC晶体的尺寸;通过改进退火工艺,减小了晶体中的应力,抑制了晶体开裂。2021年10月,中科院物理所团队在自研衬底上生长出8英寸SiC单晶。

  

不断加厚的SiC单晶

  

如前文所述,要降低SiC器件成本,同时增加产量,除了增大SiC单晶直径尺寸,生长出更厚的单晶也是一个途径。增加厚度,一方面节约了昂贵的SiC籽晶用量,另一方面,一个晶锭切片所获得的衬底片数量能够大幅增加,从而降低衬底成本。

  

增加SiC单晶厚度的主要挑战在于其生长时厚度的增加及源粉的消耗对生长室内部热场的改变。

  

近两年,中国在大厚度SiC单晶生长方面不断取得突破。

  

2022年5月,中科院物理研究所科研人员通过优化生长工艺,改善晶体结晶质量,成功制备出厚度接近19.6mm的单一4H(4H具有禁带宽度大、临界击穿电场高、热导率高、饱和速度大等优势,适用于功率电子)晶型的8英寸SiC晶锭。

  

6月17日,哈尔滨科友半导体宣布,其实验线英寸SiC晶体在厚度上实现突破,达到32.146mm。此前的2月突破20mm,4月突破28mm。此外,其自研的SiC长晶炉已有99%的部件实现国产替代。

  

近日,浙江大学杭州国际科创中心先进半导体研究院-乾晶半导体联合实验室和浙江大学硅材料国家重点实验室,成功生长出了厚度达到50mm的6英寸SiC单晶,这在国内尚属首次。

  

针对生长时厚度增加及源粉消耗对生长室内部热场改变等挑战,该研究团队通过设计SiC单晶生长设备的新型热场、研发源粉新技术、开发SiC单晶生长新工艺,显著提升了单晶的生长速率,得到了50mm厚的SiC单晶。

  

SiC属于新兴半导体材料技术,这方面,中国与国际领先水平之间的差距不像第一、二代半导体那么大,有望在不久的将来赶上国际先进水平。

  微软原文标题!对标国际巨头,中国SiC材料再突破

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