碳化硅襯底：寬禁帶半導(dǎo)體的核心材料，到底貴在哪里？

碳化硅襯底是新近發(fā)展的寬禁帶半導(dǎo)體的核心材料，碳化硅襯底主要用于微波電子、電力電子等領(lǐng)域，處于寬禁帶半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈的前端，是前沿、基礎(chǔ)的核心關(guān)鍵材料。4H-SiC具有3.2（eV）的禁帶寬度，2.00飽和電子漂移速率（107cm/s），3.5擊穿電場強度（MV/cm）以及4.00熱導(dǎo)率（W·cm-1·K-1），具有數(shù)倍于硅基的優(yōu)勢?；谝陨蟽?yōu)良的材料屬性特性，碳化硅襯底的使用極限性能優(yōu)于硅襯底，可以滿足高溫、高壓、高頻、大功率等條件下的應(yīng)用需求，已應(yīng)用于射頻器件及功率器件。

碳化硅襯底分類↑↑↑

碳化硅襯底可分為半絕緣型與導(dǎo)電型兩種，其中，半絕緣型碳化硅襯底具有高電阻率（電阻率≥105Ω·cm），半絕緣型襯底加之異質(zhì)氮化鎵外延片可以作為射頻器件的材料，主要應(yīng)用與上述所述場景的5G通訊、國防軍工等領(lǐng)域。導(dǎo)電型碳化硅襯底具有低電阻率（電阻率區(qū)間為15~30mΩ·cm），導(dǎo)電型碳化硅襯底配之碳化硅的同質(zhì)外延可以用來做功率器件的材料，主要的應(yīng)用場景為電動汽車、系能源等領(lǐng)域，兩者均具備應(yīng)用場景廣泛、波及行業(yè)眾多、市場范圍廣闊等特點。

碳化硅襯底貴在哪里？

01 一次性價格高昂耗材占比重

某公司碳化硅襯底制備原料清單↑↑↑

（1）由原料支出總體金額來看，該公司的原料支出金額從2018年的3250萬元漲到了2021年的19926.9萬元；

（2）在碳化硅襯底的制備原料里，以2021年為例，石墨件成本占比為45.21%，石墨氈占比為41.32%，占據(jù)了原料成本的86.53%，相對比與碳粉、硅粉占比0.97%、1.99%可謂差別巨大，相較于其余一些拋光液2.01%，拋光墊1.75%，金剛石粉2.34%，其他占比為4.18%等也是相差巨大，其中占比最大的原料是石墨件45.21%，占比最低的原料是切割鋼絲0.22%；

（3）在2018—2021年碳化硅襯底制備的原料中根據(jù)其成本占比波動趨勢可以將原料分為三類：第一類是占比呈現(xiàn)上升趨勢的如石墨件從32.98%上升至45.21%，石墨氈從37.06%上升至41.32%；第二類是占比基本保持穩(wěn)定的原料如切割鋼絲占比一直維持在0.25（±0.5之內(nèi)），拋光液占比一直維持在1%（±1%左右）以及拋光墊占比一直維持在2%（±0.5%之內(nèi)）；第三類是呈現(xiàn)占比下降趨勢的原料如碳粉從2018年占比5.71%下降至2021年0.97%，硅粉2018年的占比5.47%到2021年的占比1.99%以及其他占比從2018年的8.75%下降至2021年的4.18%。

綜合以上分析可知，在碳化硅的制備過程中，一次性價格高昂耗材占比過重是導(dǎo)致碳化硅襯底生產(chǎn)成本高的原因之一。坩堝（石墨件）指以一定粒徑的石墨粉高壓壓制后高溫長時間煅燒制成的器皿，具有耐高溫、導(dǎo)熱性能強、抗腐蝕性能好、壽命長等特點，是碳化硅晶體生長過程中的耗材之一，其在碳化硅襯底生產(chǎn)原料中到2021年占比達到45%以上，而且其占比還呈現(xiàn)一種上升趨勢，這是碳化硅制備成本高昂的很大一個原因。

02 制備工藝條件要求高

物理氣相傳輸（PVT）法是一種常見的碳化硅晶體生長方法——在2，300°C以上高溫、接近真空的低壓下加熱碳化硅粉料，使其升華產(chǎn)生包含Si、Si2C、SiC2等不同氣相組分的反應(yīng)氣體；由于固相升華反應(yīng)形成的Si、C成分的氣相分壓不同，Si/C化學(xué)計量比隨熱場分布存在差異，需要使氣相組分按照設(shè)計的熱場和溫梯進行分布和傳輸，使組分輸運至生長腔室既定的結(jié)晶位置；為了避免無序的氣相結(jié)晶形成多晶態(tài)碳化硅，在生長腔室頂部設(shè)置碳化硅籽晶（種子），輸運至籽晶處的氣相組分在氣相組分過飽和度的驅(qū)動下在籽晶表面原子沉積，生長為碳化硅單晶。

由以上可分析出，碳化硅制備的工藝實現(xiàn)條件要求極高有以下幾點：

01

碳化硅粉料合成過程中的環(huán)境雜質(zhì)多，難以獲得高純度的粉料；作為反應(yīng)源的硅粉和碳粉反應(yīng)不完全易造成Si/C比失衡；碳化硅粉料合成后的晶型和顆粒粒度難控制；

02

2，300°C以上高溫、接近真空等在密閉石墨腔室內(nèi)完成“固-氣-固”的轉(zhuǎn)化重結(jié)晶過程，生長周期長、控制難度大，易產(chǎn)生微管、包裹物等缺陷；

03

碳化硅包括200多種不同晶型，但生產(chǎn)一般僅需一種晶型，生長過程中易產(chǎn)生晶型轉(zhuǎn)變造成多型夾雜缺陷，制備過程中單一特定晶型難以穩(wěn)定控制，且不同晶型之間的能量轉(zhuǎn)化勢壘極低又給控制增加了難度，期間的參數(shù)控制、相關(guān)研究需要巨大的研發(fā)成本，這又是導(dǎo)致合規(guī)的碳化硅成本高昂的又一大原因。故需采用專用檢測設(shè)備檢測晶錠的晶型和各項缺陷。

03 以微觀密度為例解釋良率低

碳化硅核心技術(shù)參數(shù)包括直徑、微管密度、多型面積、電阻率范圍、總厚度變化、彎曲度、翹曲度、表面粗糙度。其中，碳化硅結(jié)晶中的微管密度是導(dǎo)致產(chǎn)品良率低以及合規(guī)碳化硅成本高昂的又一大因素。微管是延伸并貫穿整個晶棒的中空管道。微管的存在對于器件的應(yīng)用是致命的，襯底中的微管存在的密度將直接決定外延層的結(jié)晶質(zhì)量，器件區(qū)存在微管時將導(dǎo)致器件過高的漏電流甚至器件擊穿，造成器件失效。因此，降低微管密度是碳化硅產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用的重要技術(shù)方向。

隨著微管缺陷改進技術(shù)的不斷進步，國際領(lǐng)先的碳化硅企業(yè)可以將微管密度穩(wěn)定地控制在1cm-2以下。這只是其中一種指標的評判，可想而知，制造出以上諸多核心指標納米級別范圍內(nèi)的優(yōu)質(zhì)襯底可見成本控制之難。

04 污染處理

雖然碳化硅的制造企業(yè)不屬于重污染企業(yè)，但在國家加強生態(tài)建設(shè)、碳中和、碳達峰的大環(huán)境下，所以制備材料的污染處理是一個不可忽視的環(huán)節(jié)，同時也是加大生產(chǎn)成本投入的重要因素之一。在碳化硅襯底材料的生產(chǎn)過程中，對于污染物的處理主要有：廢水通過經(jīng)污水處理站處理達標后排入市水質(zhì)凈化廠進一步處理；一般固廢中生活垃圾委托環(huán)衛(wèi)部門處理，其他通過回收單位進行資源再利用；危險廢物通過委托有資質(zhì)第三方機構(gòu)處理；廢氣通過排污裝置合規(guī)排放；噪音通過車間隔音措施等方式處理。

污染的處理費用雖然是材料制備環(huán)節(jié)中的間接費用，但是作為一種新型材料，其污染問題的處理也一直是大家關(guān)注的焦點問題，污染物的處理無疑又是高昂的碳化硅成本的助推者之一。

由于以上幾點的都具有很高的技術(shù)壁壘、資金壁壘，突破需要巨大的研發(fā)投入以及長時間的人才培養(yǎng)，所以對于碳化硅的具體市場滲透來說，降成本、擴尺寸，加大市場滲透率還需要很長的路要走！