簡(jiǎn)述碳化硅襯底制備的重點(diǎn)與難點(diǎn)
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(jì)與制造，再到器件的封裝，最終流向下游應(yīng)用市場(chǎng)。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(guò)程中更容易產(chǎn)生廢品，降低良品率。目前國(guó)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(biāo)。
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(lèi)型。一種是通過(guò)生長(zhǎng)碳化硅同質(zhì)外延，下游用于新能源汽車(chē)、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(lèi)功率器件；另一種是通過(guò)生長(zhǎng)氮化鎵異質(zhì)外延，下游應(yīng)用于5G通訊、國(guó)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(jìn)行分析。
碳化硅襯底 產(chǎn)業(yè)鏈核心材料，制備難度大
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(zhǎng)、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(diǎn)主要是晶體生長(zhǎng)和切割研磨拋光環(huán)節(jié)，是整個(gè)襯底生產(chǎn)環(huán)節(jié)中的重點(diǎn)與難點(diǎn)，成為限制碳化硅良率與產(chǎn)能提升的瓶頸。
01晶體生長(zhǎng)環(huán)節(jié)
該環(huán)節(jié)是多學(xué)科交叉知識(shí)的應(yīng)用，綜合生長(zhǎng)條件控制、生長(zhǎng)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(jiǎn)單、技術(shù)成熟等優(yōu)點(diǎn)。國(guó)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(zhǎng)難點(diǎn)：
● 長(zhǎng)晶速度慢。碳化硅生長(zhǎng)速度僅有0.3-0.5mm/h，且晶體最大長(zhǎng)度僅能達(dá)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(kuò)大，其生長(zhǎng)工藝難度呈幾何級(jí)增長(zhǎng)。
● 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(cuò)密度、電阻率、翹曲度、表面粗糙度等。其生產(chǎn)過(guò)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(jìn)行原子有序排列并完成晶體生長(zhǎng)、同時(shí)控制參數(shù)指標(biāo)，非常依賴廠商的工藝經(jīng)驗(yàn)。因此穩(wěn)定量產(chǎn)各項(xiàng)性能參數(shù)指標(biāo)波動(dòng)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(lèi)缺陷等問(wèn)題導(dǎo)致晶體生長(zhǎng)環(huán)節(jié)難度大、良率低、產(chǎn)量小。
● 碳化硅晶體結(jié)構(gòu)類(lèi)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(zhǎng)過(guò)程中，需精確控制硅碳比、生長(zhǎng)溫度梯度、晶體生長(zhǎng)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。
02 切割研磨拋光環(huán)節(jié)
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(guò)1mm的薄片，并通過(guò)不同顆粒粒徑的金剛石研磨液進(jìn)行研磨，去除刀痕及變質(zhì)層并控制厚度后，再進(jìn)行CMP拋光以實(shí)現(xiàn)全局平坦化后進(jìn)入最終的清洗環(huán)節(jié)。
切磨拋難點(diǎn)：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(guò)程中其曲翹開(kāi)裂等問(wèn)題嚴(yán)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(duì)整體材料利用率僅有50%，經(jīng)過(guò)拋光研磨環(huán)節(jié)后，切損耗比例則高達(dá)75%，可用部分比例較低。
發(fā)展趨勢(shì) 大尺寸&切割拋光技術(shù)升級(jí)，成本有望降低
01 大尺寸化
與硅基晶圓發(fā)展路徑相同，未來(lái)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(jìn)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(guò)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(shí)降低約7%的邊緣浪費(fèi)，帶來(lái)生產(chǎn)力和效率的大幅提升。伴隨著尺寸擴(kuò)張帶來(lái)的規(guī)模效應(yīng)以及自動(dòng)化產(chǎn)線帶來(lái)的相關(guān)成本的降低，Wolfspeed預(yù)計(jì)至2024年，8英寸襯底帶來(lái)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(guò)60%，這將持續(xù)推進(jìn)碳化硅產(chǎn)品的降價(jià)，加速對(duì)硅基器件的替代。
02 切割技術(shù)優(yōu)化
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(gòu)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(guò)75%，2021年對(duì)晶錠采用冷裂技術(shù)會(huì)降低損失比例50%，未來(lái)還可以對(duì)晶圓進(jìn)行冷裂，一片晶圓經(jīng)過(guò)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(jìn)一步發(fā)展中。
03 拋光技術(shù)提升
SiC的外延層生長(zhǎng)過(guò)程中的晶體缺陷和污染可能會(huì)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(duì)碳化硅后續(xù)順利加工至關(guān)重要。
目前，已開(kāi)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(shí)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(zhǎng)的需求。Wolfspeed碳化硅晶片經(jīng)過(guò)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(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。
技術(shù)升級(jí)帶動(dòng)襯底成本優(yōu)化。受益于襯底制備技術(shù)持續(xù)進(jìn)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(jià)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(jià)為5,000元/片，2024年MOS襯底價(jià)格為4750RMB/片，2025年MOS襯底價(jià)格為4510RMB/片；2024年SBD襯底價(jià)格為4275RMB/片，2025年SBD襯底價(jià)格為4060RMB/片。
未來(lái)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(jí)，碳化硅材料成本有望顯著下降，將有效降低整體器件價(jià)格，提升下游客戶的替代意愿，拉升碳化硅功率器件的市場(chǎng)滲透率。
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