黑碳化硅 碳化硅晶圓產(chǎn)能有限，供不應(yīng)求將成常態(tài)？

內(nèi)容來(lái)自「CTIMES」

相較于硅（Si），采用碳化硅（SiC）基材的元件性能優(yōu)勢(shì)十分的顯著，尤其是在高壓與高頻的性能上，然而，這些優(yōu)勢(shì)卻始終未能轉(zhuǎn)換成市場(chǎng)規(guī)模，主要的原因就出在碳化硅晶圓的制造和產(chǎn)能的不順暢。

由于碳化硅需要在2000°C以上高溫（硅晶僅需在1500°C），以及350MPa以上才能達(dá)成。若透過(guò)添加一些特殊的助燒劑，或者氣體沉積的方式，則可使碳化硅燒成溫度降到2000°C左右，且在常壓就能進(jìn)行。

依據(jù)目前的硅晶業(yè)者的生產(chǎn)情況，一般而言，生產(chǎn)8吋的硅晶棒，需要約2天半的時(shí)間來(lái)拉晶黑碳化硅，6吋的硅晶棒則需要約一天。接著，待晶棒冷卻之后，再進(jìn)行晶圓的切片和研磨。

至于碳化硅晶圓，光長(zhǎng)晶的時(shí)間，就約需要7至10天，而且生成的高度可能只有幾厘米而已（硅晶棒可達(dá)1至2米以上），再加上后續(xù)的加工制程也因?yàn)橛捕鹊挠绊懚鄬?duì)困難，因此其產(chǎn)能十分有限，品質(zhì)也不穩(wěn)定。

「由于碳化硅的生產(chǎn)瓶頸尚未解決，原料晶柱的品質(zhì)不穩(wěn)定，造成整體市場(chǎng)無(wú)法大規(guī)模普及?！瑰焯斐呻娮涌萍间N售副總裁司馬良亮，一語(yǔ)點(diǎn)出目前的市場(chǎng)困境。

司馬良亮表示，相較于硅晶，碳化硅的功能性更好，在導(dǎo)熱、延展性和導(dǎo)電性方面都有很好的表現(xiàn)，投入的業(yè)者也很多。但幾年過(guò)去，市場(chǎng)規(guī)模依舊十分有限，并沒(méi)有出現(xiàn)大的進(jìn)展，主要的原因就在于原料晶柱的品質(zhì)不穩(wěn)定，造成沒(méi)有足夠的晶圓來(lái)供應(yīng)市場(chǎng)。

「只要長(zhǎng)晶過(guò)程中的溫度和壓力有一些失誤，那好幾天的心血可能就都會(huì)為烏有。」司馬良亮說(shuō)。

目前國(guó)外僅有少數(shù)幾家業(yè)者（Cree、美國(guó)II-VI公司、德國(guó)SiCrystal公司等）能提供穩(wěn)定的產(chǎn)量。中國(guó)雖然已著手自產(chǎn)，可是在產(chǎn)能方面尚未能趕上美日。不過(guò)我們可以看到，當(dāng)前國(guó)內(nèi)以北京天科合達(dá)半導(dǎo)體股份有限公司為代表的企業(yè)，正在實(shí)現(xiàn)大規(guī)模量產(chǎn)，提升品質(zhì)，不斷縮小著與國(guó)際上的差距。但綜合現(xiàn)目前全球產(chǎn)能情況來(lái)看，全球市場(chǎng)整體仍將長(zhǎng)期處于供不應(yīng)求的狀態(tài)。

SiC晶圓生長(zhǎng)黑碳化硅，難在哪里？

在現(xiàn)已開發(fā)的寬禁帶半導(dǎo)體中，碳化硅（SiC）半導(dǎo)體材料是研究最為成熟的一種。SiC半導(dǎo)體材料由于具有寬禁帶、高擊穿電場(chǎng)、高熱導(dǎo)率、高飽和電子遷移率以及更小的體積等特點(diǎn)，在高溫、高頻、大功率、光電子以及抗輻射器件等方面具有巨大的應(yīng)用潛力。

碳化硅的應(yīng)用范圍十分廣泛：由于具有寬禁帶的特點(diǎn)，它可以用來(lái)制作藍(lán)色發(fā)光二極管或幾乎不受太陽(yáng)光影響的紫外線探測(cè)器；由于可以耐受的電壓或電場(chǎng)八倍于硅或砷化鎵，特別適用于制造高壓大功率器件如高壓二極管、功率三極管以及大功率微波器件；由于具有高飽和電子遷移速度，可制成各種高頻器件(射頻及微波)；碳化硅是熱的良導(dǎo)體, 導(dǎo)熱特性優(yōu)于任何其它半導(dǎo)體材料，這使得碳化硅器件可在高溫下正常工作。

和現(xiàn)行主流的硅(Si)制電源控制芯片相比，SiC制電源控制芯片擁有更優(yōu)異的耐高溫、耐電壓和大電流特性。而除了原有的電源用途之外，SiC電源控制芯片也加快應(yīng)用至車用用途。除鐵道車輛的逆變器(inverter)模組之外，在需求快速成長(zhǎng)的電動(dòng)車(EV)市場(chǎng)上，車用充電器及急速充電站也持續(xù)轉(zhuǎn)用SiC電源控制芯片。

在SiC制備過(guò)程中，晶圓生產(chǎn)是一個(gè)很艱難的操作。

目前已在使用的長(zhǎng)晶技術(shù)則包含高溫化學(xué)氣相沉積法（HTCVD），與物理氣相沉積法（PVT）兩種。

以臺(tái)灣磊拓科技所代理的設(shè)備為例，旗下代理的PVA TePla品牌的SiCube單晶長(zhǎng)晶爐，能夠提供HTCVD和PVT這兩種長(zhǎng)晶法，其工作溫度皆需2600°C ，而工作壓力則落在5至900 mbar。

雖然有長(zhǎng)晶設(shè)備，但碳化硅晶圓的生產(chǎn)仍是十分困難，不僅是因?yàn)楫a(chǎn)能仍十分有限，而且品質(zhì)十分的不穩(wěn)定。

圖1 : 碳化硅與硅晶的生產(chǎn)條件比較。（制圖/CTIMES）

以目前良率最高的HTCVD法為例，它是以攝氏1500至2500度的高溫下，導(dǎo)入高純度的硅烷（silane；SiH4）、乙烷（ethane）或丙烷（propane），或氫氣（H2）等氣體，在生長(zhǎng)腔內(nèi)進(jìn)行反應(yīng)，先在高溫區(qū)形成碳化硅前驅(qū)物，再經(jīng)由氣體帶動(dòng)進(jìn)入低溫區(qū)的籽晶端前沉積形成單晶。

然而，HTCVD技術(shù)必須精準(zhǔn)的控制各區(qū)的溫度、各種氣體的流量、以及生長(zhǎng)腔內(nèi)的壓力，才有辦法得到品質(zhì)精純的晶體。因此在產(chǎn)量與品質(zhì)上仍是待突破的瓶頸。

依據(jù)目前的硅晶業(yè)者的生產(chǎn)情況，一般而言，生產(chǎn)8吋的硅晶棒，需要約2天半的時(shí)間來(lái)拉晶，6吋的硅晶棒則需要約一天。接著，待晶棒冷卻之后，再進(jìn)行晶圓的切片和研磨。

SiC長(zhǎng)晶的困難點(diǎn)除了在石墨坩堝的黑盒子中無(wú)法即時(shí)觀察晶體生長(zhǎng)狀況外，也因SiC具有200多種生成能皆很相近的晶態(tài)(Polytype)，要在如此嚴(yán)苛的條件下生長(zhǎng)出大尺寸、無(wú)缺陷、全區(qū)皆為同一晶態(tài)4H（目前元件基板主流），則需要非常精確的熱場(chǎng)控制、材料匹配及經(jīng)驗(yàn)累積。技術(shù)門檻相較于熔體長(zhǎng)晶法為高。

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