碳化硅晶片的用途和量產(chǎn)前景

說起碳化硅晶片，大家也許會(huì)覺得很陌生。但在我們熟知的電動(dòng)汽車和5G通信中，它卻發(fā)揮著舉足輕重的作用。5G之所以速度快，是因?yàn)樗幸活w非常強(qiáng)大的心臟，這個(gè)心臟依賴的就是一片薄如紙的碳化硅晶片。雖然從外表看只是個(gè)小圓片，但作為目前全球最先進(jìn)的第三代半導(dǎo)體材料，碳化硅晶片具有其他材料不具備的諸多優(yōu)點(diǎn)，是制造高溫、高頻、大功率半導(dǎo)體器件的理想襯底。除電動(dòng)汽車、5G通信外，在國防、航空航天等領(lǐng)域，碳化硅晶片也有著廣闊的應(yīng)用前景，它的研究和應(yīng)用極具戰(zhàn)略意義，有著不可替代的優(yōu)勢，被視作國家新一代信息技術(shù)核心競爭力的重要支撐。5月12日，習(xí)近平總書記來到山西轉(zhuǎn)型綜合改革示范區(qū)政務(wù)服務(wù)中心改革創(chuàng)新展廳，了解示范區(qū)改革創(chuàng)新發(fā)展情況。位于示范區(qū)內(nèi)的中國電科（山西）碳化硅材料產(chǎn)業(yè)基地，就是全國最大生產(chǎn)規(guī)模的碳化硅生產(chǎn)基地。

從長期依賴進(jìn)口、被國外“卡脖子”，到掌握批量生產(chǎn)技術(shù)、實(shí)現(xiàn)完全自主供應(yīng)，近年來，中國的碳化硅研制與生產(chǎn)成效卓著。這小小的晶片里蘊(yùn)含著哪些創(chuàng)新技術(shù)？研發(fā)制造過程中又運(yùn)用了哪些高超工藝？讓我們一探究竟。

晶片有什么用途？

每生產(chǎn)一輛電動(dòng)汽車，至少要消耗一片碳化硅

厚度0.5毫米，約為5張A4紙的厚度；直徑4英寸或6英寸，和一張CD光盤差不多。這樣一個(gè)薄薄的圓片，就是碳化硅晶片。而就是這樣一個(gè)薄片，市場售價(jià)卻在2000美元左右，還經(jīng)常是“一片難求”。

碳化硅晶片為何這么搶手？這還要從碳化硅這一材料說起。

碳化硅材料作為成熟的第三代半導(dǎo)體材料，具有耐高溫、大功率、高頻等天然優(yōu)勢，在新能源汽車、智能電網(wǎng)、軌道交通、工業(yè)電機(jī)、5G通信等領(lǐng)域展現(xiàn)出極大的應(yīng)用潛力，在許多戰(zhàn)略行業(yè)都有重要應(yīng)用價(jià)值。與普通硅相比，碳化硅器件的耐壓性是同等硅器件的10倍。同時(shí)，碳化硅材料對電力的能耗極低，是一種理想的節(jié)能材料。如果按照年產(chǎn)40萬片碳化硅晶片算，僅僅應(yīng)用在照明領(lǐng)域，每年減耗的電能就相當(dāng)于節(jié)省2600萬噸標(biāo)準(zhǔn)煤。

記者了解到，目前，碳化硅制成的晶片主要應(yīng)用在兩個(gè)方面。一個(gè)是作為襯底用于制作射頻器件，比如今年政府工作報(bào)告提到的新基建中的5G基站建設(shè)、城際高速鐵路、新能源汽車充電樁等。就5G基站建設(shè)來說，5G之所以傳輸速度快，是因?yàn)樗袕?qiáng)大的5G芯片。而碳化硅晶片，就是5G芯片最理想的襯底。“現(xiàn)在咱們家里邊也有5G的一些小路由器，但它只是在室內(nèi)，輻射距離很短，5G基站的輻射范圍至少要達(dá)到幾公里。這么高的功率，用碳化硅替代硅做射頻器件，就可以讓設(shè)備的體積做得更小，還能降低能量損耗、增加設(shè)備在惡劣環(huán)境下的可靠性。”山西碳化硅生產(chǎn)企業(yè)——中國電子科技集團(tuán)公司（以下簡稱中電科）技術(shù)總監(jiān)魏汝省介紹道。

碳化硅晶片的另一個(gè)作用是用于制造電力電子器件，比如三極管，主要的應(yīng)用領(lǐng)域是電動(dòng)汽車。魏汝省表示：“目前，電動(dòng)汽車的續(xù)航還是個(gè)問題。如果用上碳化硅晶片的話，就能在電池不變的情況下，使汽車的續(xù)航力增加10%左右。雖然碳化硅在電動(dòng)汽車上的應(yīng)用才剛剛起步，尚在開發(fā)中，但每生產(chǎn)一輛電動(dòng)汽車，至少要消耗一片碳化硅，所以發(fā)展前景廣闊。”

除了功能強(qiáng)大，碳化硅晶片之所以如此珍貴的另一個(gè)更為重要的原因，是碳化硅器件對工藝要求很高。其中，高穩(wěn)定性的長晶工藝技術(shù)是其核心，原來只有美國等少數(shù)發(fā)達(dá)國家掌握，全球也僅有極少數(shù)企業(yè)能商業(yè)化量產(chǎn)。我國的碳化硅晶體研究起步較晚，20世紀(jì)90年代末才剛剛開始。但近年來，我國在碳化硅晶片領(lǐng)域奮力追趕，從基本原理研究和基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)做起，逐漸掌握了碳化硅晶片技術(shù)，一步一步，從實(shí)驗(yàn)室走向了產(chǎn)業(yè)化。2018年，中電科二所歷經(jīng)11年艱苦攻關(guān)，在國內(nèi)率先完成4英寸高純半絕緣碳化硅單晶襯底材料的工程化和6英寸高純半絕緣碳化硅單晶襯底的研發(fā)，一舉突破國外對我國碳化硅晶體生長技術(shù)的長期封鎖。如今，國內(nèi)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了6英寸碳化硅晶片和外延片的研制，晶體質(zhì)量接近國際水平。

晶片制造難在哪里？

晶體中連頭發(fā)絲幾十分之一細(xì)的微管都不能有

“碳化硅具有十分穩(wěn)定的特性，所以在一些惡劣環(huán)境下仍可穩(wěn)定工作。也正是因?yàn)榉€(wěn)定的化學(xué)鍵，碳化硅生產(chǎn)的技術(shù)門檻非常高。”談起碳化硅晶片研制之難，中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所副所長張韻列舉了以下幾個(gè)方面，“碳化硅晶錠生長條件苛刻，需要高溫（~2600℃）和高壓（>350MPa）生長環(huán)境；晶體生長速度緩慢，產(chǎn)能有限，質(zhì)量也相對不穩(wěn)定；受到晶片生長爐尺寸限制，束縛了晶錠尺寸；碳化硅屬于硬脆材料，硬度僅次于金剛石，切割難度大，研磨精度難控制。”

要想生產(chǎn)出高質(zhì)量的碳化硅晶片，必須攻克這些技術(shù)難關(guān)。“咱們國內(nèi)就射頻器件方面一年就有10萬片的需求量，國外又對此類產(chǎn)品封鎖禁運(yùn)，核心技術(shù)花錢是買不來的，只有自力更生，才能徹底解決被‘卡脖子’的問題。”中電科總經(jīng)理李斌向記者介紹了碳化硅晶片的復(fù)雜生產(chǎn)過程，“把高純度的碳化硅粉料放到長晶爐里加熱到2000多攝氏度，讓顆粒直接汽化，再控制它重新結(jié)晶，長成一個(gè)直徑為4英寸或6英寸的圓餅狀晶錠。之后，我們用很多根直徑僅0.18微米的金剛石線，同時(shí)切下去，把晶錠切成一片一片的圓片。每一片圓片再放到研磨設(shè)備里，把兩邊磨平，最后進(jìn)行拋光，得到透明玻璃片一樣的晶片。”

目前，生產(chǎn)碳化硅晶片的兩大關(guān)鍵技術(shù)是晶體生長和晶片的切割拋光。張韻表示，上游企業(yè)所生產(chǎn)的晶片尺寸和質(zhì)量會(huì)影響下游碳化硅器件的性能、成品率及成本。只有把襯底質(zhì)量做好了、成本降低了，才能讓下游的科研機(jī)構(gòu)或者企業(yè)不再束手束腳，有更多的機(jī)會(huì)去多做器件級(jí)研究。

記者了解到，一個(gè)直徑4英寸的晶片一次可做成1000個(gè)芯片，而6英寸的晶片一次可做成3000個(gè)芯片，所以直徑大的晶片更有優(yōu)勢。從2英寸到6英寸，其中的關(guān)鍵是擴(kuò)晶技術(shù)。“碳化硅晶片是由一個(gè)種子開始一層層生長起來的，從2英寸長到3英寸再到6英寸。在這個(gè)生長過程中，晶體很容易出現(xiàn)缺陷。”中電科生產(chǎn)主管毛開禮說，“我們的一個(gè)指標(biāo)叫微管，就是晶體中出現(xiàn)的大概只有頭發(fā)絲幾十分之一細(xì)的一個(gè)管狀孔洞，眼睛是看不到的。一旦出現(xiàn)微管，整個(gè)晶體就不合格了。由于溫度太高，沒辦法進(jìn)行人工干預(yù)，所以整個(gè)生長過程就如同‘蒙眼繡花’，這恰恰是晶片最核心的技術(shù)。解決這個(gè)技術(shù)難題，我們用了七八年的時(shí)間。”

碳化硅晶片的加工也是一個(gè)艱難過程。毛開禮表示，晶片的粗糙度要求是表面起伏小于0.1納米，國內(nèi)現(xiàn)在是采用化學(xué)和機(jī)械聯(lián)合的方式進(jìn)行拋光。“從技術(shù)上來說，我們的一個(gè)圓片原來切完的話，可能是700-800微米厚，而最終產(chǎn)品要求是500微米，所以相當(dāng)于要磨掉幾百微米?，F(xiàn)在我們通過技術(shù)改進(jìn)，切完大概就是550微米，只需磨掉50微米左右，整個(gè)生產(chǎn)成本有了大幅降低。”

晶片量產(chǎn)前景如何？

600臺(tái)長晶爐、18萬片年產(chǎn)量，徹底擺脫進(jìn)口依賴

今年3月，中國電科（山西）碳化硅材料產(chǎn)業(yè)基地在山西轉(zhuǎn)型綜合改革示范區(qū)正式投產(chǎn)，第一批設(shè)備正式啟動(dòng)?；匾黄陧?xiàng)目可容納600臺(tái)碳化硅單晶生長爐，項(xiàng)目建成后將具備年產(chǎn)10萬片4-6英寸N型碳化硅單晶晶片、5萬片4-6英寸高純半絕緣型碳化硅單晶晶片的生產(chǎn)能力，是目前國內(nèi)最大的碳化硅材料產(chǎn)業(yè)基地。這一基地的啟動(dòng)，將徹底打破國外對我國碳化硅封鎖的局面，實(shí)現(xiàn)碳化硅的完全自主供應(yīng)。

在基地的碳化硅生產(chǎn)車間，白色的長晶爐一字排開，碳化硅晶片正在里面安靜生長。李斌介紹：“現(xiàn)在，咱們所使用的粉料合成設(shè)備、長晶爐，都是自己研發(fā)、自己生產(chǎn)的全國產(chǎn)化的設(shè)備。設(shè)備的配套產(chǎn)品和功能元器件能滿足長期、穩(wěn)定、可靠使用的要求，同時(shí)節(jié)能效果好，具有連續(xù)工作高穩(wěn)定性和良好精度保持性。”

對于國內(nèi)半導(dǎo)體領(lǐng)域來說，產(chǎn)業(yè)化規(guī)模效應(yīng)，不僅降低了碳化硅晶片的成本，也不斷促使碳化硅晶片質(zhì)量提升。據(jù)李斌介紹，目前國際上碳化硅晶片的合格率最高是70%-80%，而原來國內(nèi)實(shí)驗(yàn)室生產(chǎn)的碳化硅晶片的合格率僅有30%。但在碳化硅產(chǎn)業(yè)基地，這個(gè)合格率可以達(dá)到65%。

實(shí)現(xiàn)這樣高的合格率，一個(gè)是靠先進(jìn)的設(shè)備，一個(gè)是靠管理。毛開禮介紹：“我們把所有的工藝分成若干段，增加了大量的一線工人，每段每個(gè)人只干這一件事情，不僅效率會(huì)提高，而且出錯(cuò)率也大幅降低，因?yàn)樵瓉硪粋€(gè)人要參與前前后后大概有三四十道工序，不利于專業(yè)化，出錯(cuò)率就會(huì)很高。”

目前，基地已經(jīng)實(shí)現(xiàn)4英寸晶片的大批量產(chǎn)，6英寸高純半絕緣碳化硅單晶襯底也已經(jīng)開始工程化驗(yàn)證，為客戶提供小批量的產(chǎn)品試用，預(yù)計(jì)年底達(dá)到產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用與國際水平相當(dāng)。展望未來，李斌信心滿滿地說，“在碳化硅領(lǐng)域，我們要緊跟國際的腳步，因?yàn)槟壳拔覈诘谌雽?dǎo)體材料上跟國際的差距相對較小，我們要保證不能掉隊(duì)。習(xí)近平總書記說過，核心技術(shù)靠化緣是要不來的。在關(guān)鍵領(lǐng)域、卡脖子的地方要下大功夫。現(xiàn)在我們在實(shí)現(xiàn)迅速研發(fā)的同時(shí)也進(jìn)一步開展量產(chǎn)，三年內(nèi)整個(gè)項(xiàng)目要達(dá)到18萬片每年的產(chǎn)能。另外，我們目前在進(jìn)行8英寸晶片的研究，希望三年之后，我們能有8英寸的樣片出來。因?yàn)榫钦麄€(gè)碳化硅產(chǎn)業(yè)鏈的上游，要走到器件研究的前面。”