碳化硅晶片的用途和量產(chǎn)前景

說(shuō)起碳化硅晶片，大家也許會(huì )覺(jué)得很陌生。但在我們熟知的電動(dòng)汽車(chē)和5G通信中，它卻發(fā)揮著(zhù)舉足輕重的作用。5G之所以速度快，是因為它有一顆非常強大的心臟，這個(gè)心臟依賴(lài)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、大功率半導體器件的理想襯底。除電動(dòng)汽車(chē)、5G通信外，在國防、航空航天等領(lǐng)域，碳化硅晶片也有著(zhù)廣闊的應用前景，它的研究和應用極具戰略意義，有著(zhù)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，習近平總書(shū)記來(lái)到山西轉型綜合改革示范區政務(wù)服務(wù)中心改革創(chuàng )新展廳，了解示范區改革創(chuàng )新發(fā)展情況。位于示范區內的中國電科（山西）碳化硅材料產(chǎn)業(yè)基地，就是全國最大生產(chǎn)規模的碳化硅生產(chǎn)基地。

從長(cháng)期依賴(lài)進(jìn)口、被國外“卡脖子”，到掌握批量生產(chǎn)技術(shù)、實(shí)現完全自主供應，近年來(lái)，中國的碳化硅研制與生產(chǎn)成效卓著(zhù)。這小小的晶片里蘊含著(zhù)哪些創(chuàng )新技術(shù)？研發(fā)制造過(guò)程中又運用了哪些高超工藝？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(chē)，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(pán)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(chǎng)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(shuō)起。

碳化硅材料作為成熟的第三代半導體材料，具有耐高溫、大功率、高頻等天然優(yōu)勢，在新能源汽車(chē)、智能電網(wǎng)、軌道交通、工業(yè)電機、5G通信等領(lǐng)域展現出極大的應用潛力，在許多戰略行業(yè)都有重要應用價(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，是一種理想的節能材料。如果按照年產(chǎn)40萬(wàn)片碳化硅晶片算，僅僅應用在照明領(lǐng)域，每年減耗的電能就相當于節省2600萬(wàn)噸標準煤。

記者了解到，目前，碳化硅制成的晶片主要應用在兩個(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告提到的新基建中的5G基站建設、城際高速鐵路、新能源汽車(chē)充電樁等。就5G基站建設來(lái)說(shuō)，5G之所以傳輸速度快，是因為它有強大的5G芯片。而碳化硅晶片，就是5G芯片最理想的襯底。“現在咱們家里邊也有5G的一些小路由器，但它只是在室內，輻射距離很短，5G基站的輻射范圍至少要達到幾公里。這么高的功率，用碳化硅替代硅做射頻器件，就可以讓設備的體積做得更小，還能降低能量損耗、增加設備在惡劣環(huán)境下的可靠性。”山西碳化硅生產(chǎn)企業(yè)——中國電子科技集團公司（以下簡(jiǎn)稱(chēng)中電科）技術(shù)總監魏汝省介紹道。

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，主要的應用領(lǐng)域是電動(dòng)汽車(chē)。魏汝省表示：“目前，電動(dòng)汽車(chē)的續航還是個(gè)問(wèn)題。如果用上碳化硅晶片的話(huà)，就能在電池不變的情況下，使汽車(chē)的續航力增加10%左右。雖然碳化硅在電動(dòng)汽車(chē)上的應用才剛剛起步，尚在開(kāi)發(fā)中，但每生產(chǎn)一輛電動(dòng)汽車(chē)，至少要消耗一片碳化硅，所以發(fā)展前景廣闊。”

除了功能強大，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，高穩定性的長(cháng)晶工藝技術(shù)是其核心，原來(lái)只有美國等少數發(fā)達國家掌握，全球也僅有極少數企業(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90年代末才剛剛開(kāi)始。但近年來(lái)，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實(shí)驗做起，逐漸掌握了碳化硅晶片技術(shù)，一步一步，從實(shí)驗室走向了產(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(cháng)技術(shù)的長(cháng)期封鎖。如今，國內已經(jīng)實(shí)現了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)絲幾十分之一細的微管都不能有

“碳化硅具有十分穩定的特性，所以在一些惡劣環(huán)境下仍可穩定工作。也正是因為穩定的化學(xué)鍵，碳化硅生產(chǎn)的技術(shù)門(mén)檻非常高。”談起碳化硅晶片研制之難，中國科學(xué)院半導體研究所副所長(cháng)張韻列舉了以下幾個(gè)方面，“碳化硅晶錠生長(cháng)條件苛刻，需要高溫（~2600℃）和高壓（>350MPa）生長(cháng)環(huán)境；晶體生長(cháng)速度緩慢，產(chǎn)能有限，質(zhì)量也相對不穩定；受到晶片生長(cháng)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)。“咱們國內就射頻器件方面一年就有10萬(wàn)片的需求量，國外又對此類(lèi)產(chǎn)品封鎖禁運，核心技術(shù)花錢(qián)是買(mǎi)不來(lái)的，只有自力更生，才能徹底解決被‘卡脖子’的問(wèn)題。”中電科總經(jīng)理李斌向記者介紹了碳化硅晶片的復雜生產(chǎn)過(guò)程，“把高純度的碳化硅粉料放到長(cháng)晶爐里加熱到2000多攝氏度，讓顆粒直接汽化，再控制它重新結晶，長(cháng)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(xiàn)，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(cháng)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構或者企業(yè)不再束手束腳，有更多的機會(huì )去多做器件級研究。

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)鍵是擴晶技術(shù)。“碳化硅晶片是由一個(gè)種子開(kāi)始一層層生長(cháng)起來(lái)的，從2英寸長(cháng)到3英寸再到6英寸。在這個(gè)生長(cháng)過(guò)程中，晶體很容易出現缺陷。”中電科生產(chǎn)主管毛開(kāi)禮說(shuō)，“我們的一個(gè)指標叫微管，就是晶體中出現的大概只有頭發(fā)絲幾十分之一細的一個(gè)管狀孔洞，眼睛是看不到的。一旦出現微管，整個(gè)晶體就不合格了。由于溫度太高，沒(méi)辦法進(jìn)行人工干預，所以整個(gè)生長(cháng)過(guò)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(guò)程。毛開(kāi)禮表示，晶片的粗糙度要求是表面起伏小于0.1納米，國內現在是采用化學(xué)和機械聯(lián)合的方式進(jìn)行拋光。“從技術(shù)上來(lái)說(shuō)，我們的一個(gè)圓片原來(lái)切完的話(huà)，可能是700-800微米厚，而最終產(chǎn)品要求是500微米，所以相當于要磨掉幾百微米?，F在我們通過(guò)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臺長(cháng)晶爐、18萬(wàn)片年產(chǎn)量，徹底擺脫進(jìn)口依賴(lài)

今年3月，中國電科（山西）碳化硅材料產(chǎn)業(yè)基地在山西轉型綜合改革示范區正式投產(chǎn)，第一批設備正式啟動(dòng)?；匾黄陧椖靠扇菁{600臺碳化硅單晶生長(cháng)爐，項目建成后將具備年產(chǎn)10萬(wàn)片4-6英寸N型碳化硅單晶晶片、5萬(wàn)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)現碳化硅的完全自主供應。

在基地的碳化硅生產(chǎn)車(chē)間，白色的長(cháng)晶爐一字排開(kāi)，碳化硅晶片正在里面安靜生長(cháng)。李斌介紹：“現在，咱們所使用的粉料合成設備、長(cháng)晶爐，都是自己研發(fā)、自己生產(chǎn)的全國產(chǎn)化的設備。設備的配套產(chǎn)品和功能元器件能滿(mǎn)足長(cháng)期、穩定、可靠使用的要求，同時(shí)節能效果好，具有連續工作高穩定性和良好精度保持性。”

對于國內半導體領(lǐng)域來(lái)說(shuō)，產(chǎn)業(yè)化規模效應，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(lái)國內實(shí)驗室生產(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)合格率可以達到65%。

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

目前，基地已經(jīng)實(shí)現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(kāi)始工程化驗證，為客戶(hù)提供小批量的產(chǎn)品試用，預計年底達到產(chǎn)業(yè)化應用與國際水平相當。展望未來(lái)，李斌信心滿(mǎn)滿(mǎn)地說(shuō)，“在碳化硅領(lǐng)域，我們要緊跟國際的腳步，因為目前我國在第三代半導體材料上跟國際的差距相對較小，我們要保證不能掉隊。習近平總書(shū)記說(shuō)過(guò)，核心技術(shù)靠化緣是要不來(lái)的。在關(guān)鍵領(lǐng)域、卡脖子的地方要下大功夫?，F在我們在實(shí)現迅速研發(fā)的同時(shí)也進(jìn)一步開(kāi)展量產(chǎn)，三年內整個(gè)項目要達到18萬(wàn)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(lái)。因為晶片是整個(gè)碳化硅產(chǎn)業(yè)鏈的上游，要走到器件研究的前面。”