碳化硅元件的市场发展关键：晶圆制造

文章转载自：化合物半导体市场 

相较于硅（Si），采用碳化硅（SiC）基材的元件性能优势十分的显著，尤其是在高耐压与耐高温的性能上，然而，这些优势却始终未能转换成市场规模，让这个问世已十多年的高性能元件一直束之高阁。主要的原因就出在碳化硅晶圆的制造和产能的不顺畅。

由于物理的特性，碳化硅材料拥有很高的硬度，目前仅次于金刚石，因此在生产上势必要在高温与高压的条件下才能生产，一般而言，需要在2000°C以上高温（硅晶仅需在1500°C），以及350MPa以上才能达成。若透过添加一些特殊的助烧剂，或者气体沉积的方式，则可使碳化硅烧成温度降到2000°C左右，且在常压就能进行。

高温、速度慢碳化硅长晶制程难度十足

而目前已在使用的长晶技术则包含高温化学气象沉积法（HTCVD），与高温升华法（HTCVT）两种。

以台湾磊拓科技所代理的设备为例，旗下代理的PVA TePla品牌的SiCube单晶长晶炉，能够提供HTCVD和HTCVT这两种长晶法，其工作温度皆需2600°C ，而工作压力则落在5至900 mbar。

虽然有长晶设备，但碳化硅晶圆的生产仍是十分困难，不仅是因为产能仍十分有限，而且品质十分的不稳定。

以目前良率*高的HTCVD法为例，它是以摄氏1500至2500度的高温下，导入高纯度的硅烷（silane；SiH4）、乙烷（ethane）或丙烷（propane），或氢气（H2）等气体，在生长腔内进行反应，先在高温区形成碳化硅前驱物，再经由气体带动进入低温区的籽晶端前沉积形成单晶。

然而，HTCVD技术必须精准的控制各区的温度、各种气体的流量、以及生长腔内的压力，才有办法得到品质精纯的晶体。因此在产量与品质上仍是待突破的瓶颈。

依据目前的硅晶业者的生产情况，一般而言，生产8吋的硅晶棒，需要约2天半的时间来拉晶，6吋的硅晶棒则需要约一天。接着，待晶棒冷却之后，再进行晶圆的切片和研磨。

至于碳化硅晶圆，光长晶的时间，就约需要7至10天，而且生成的高度可能只有几吋而已（硅晶棒可达1至2米以上），再加上后续的加工制程也因为硬度的影响而相对困难，因此其产能十分有限，品质也不稳定。

「由于碳化硅的生产瓶颈尚未解决，原料晶柱的品质不稳定，造成整体市场无法大规模普及。」瀚天天成电子科技销售副总裁司马良亮，一语点出目前的市场困境。

瀚天天成电子科技（厦门）有限公司是中国一家具备碳化硅晶圆研发、生产与销售外延芯片的中美合资企业。该公司于2011年3月在厦门成立，并已建置完整的现代化生产厂房，包含碳化硅晶圆长晶炉和各种进高阶检测设备，该公司也于2012年3月开始接受商业化碳化硅半导体晶圆订单，为中国第1家提供产业化3吋至6吋碳化硅半导体晶圆的制造商。

司马良亮表示，相较于硅晶，碳化硅的功能性更好，在导热、延展性和导电性方面都有很好的表现，投入的业者也很多。但几年过去，市场规模依旧十分有限，并没有出现大的进展，主要的原因就在于原料晶柱的品质不稳定，造成没有足够的晶圆来供应市场。

「只要长晶过程中的温度和压力有一些失误，那好几天的心血可能就都会为乌有。」司马良亮说。

晶圆短缺与设计经验不足影响碳化硅终端芯片发展

然而，最近这五年，碳化硅又开始受到重视，主要就是在电动车这类需要高功率元件的应用陆续浮出台面，让人们意识到碳化硅元件在耐高压方面的优势。

司马良亮指出，碳化硅晶圆在去年有一个高潮，主要的原因就是硅晶（Si）材料的短缺，因此有部分的业者转向使用碳化硅。但随着硅晶的供需趋稳，碳化硅又再回到先前的局面。

他解释，碳化硅晶圆的生产具有一定的技术难度，目前全球仅约有三、四家业者（Cree、Norstel、新日铁住金等）能提供稳定的产量。中国虽然已着手自产，但在品质方面尚未能赶上美日，因此全球的产能仍十分有限，目前市场也仍是处于短缺的状况。这也说明了现今整个碳化硅半导体产业的情况，不仅上游晶圆的价格无法松动，连带终端芯片的价格也难以让多数业者接受。

另一个发展限制，则是在碳化硅元件的应用与设计上。司马良亮表示，由于硅晶圆问世已久，而且行之有年，有非常完整的工具与技术支撑，因此绝大多数的芯片工程师只熟悉硅元件的芯片开发，但对于碳化硅元件的性能与用途，其实不怎么清楚。

他甚至用，「博士」和「小学生」，来对比目前硅晶与碳化硅之间的知识落差。也因为有这样的知识上的落差，造成碳化硅元件在发展上更加缓慢。

「工程师对碳化硅元件本身的性能就已经不太清楚，再加上晶圆品质的不稳定，导致元件的良率与可靠度不足，让整个的产业发展非常缓慢。」司马良亮说道。

虽然碳化硅的发展仍十分缓慢，但其优异的性能优势，依然是吸引了部分的业者持续深耕，中国便是其中最主要的投入者，甚至将之列为重点国家政策之一。

看好未来需求中国定调碳化硅为国家重点产业

目前中国已组成中国宽禁带功率半导体及应用产业联盟（中宽联），并接受中国工信部的委托，积极推行《宽禁带功率半导体标准》，其中《功率器件用碳化硅同质晶圆》标准是便是中宽联主推的9项标准之一。

市调单位同样也看好碳化硅的未来发展，根据TrendForce旗下拓墣产业研究院的预测，2018年全球SiC基板产值将达1.8亿美元，而GaN基板产值仅约300万美元。

拓墣产业研究院也指出，相较目前主流的硅晶圆，第三代半导体材料SiC及GaN除了耐高电压的特色外，也分别具备耐高温与适合在高频操作下的优势，不仅可大幅减少芯片面积，并能简化周边电路设计，达到减少模组、系统周边的元件及冷却系统的体积。

不过，SiC材料仍在验证与导入阶段，在现阶段车用领域仅应用于赛车上。而看好5G商转与汽车电子的进一步成长，拓墣产业研究院预期，SiC基板未来五年在通过车厂验证，以及2020年5G商转的带动下，将进入高速成长期。

拓墣产业研究院还指出，随着应用需求的逐步成长，供应链已渐渐发展出晶圆代工模式，以提供客户SiC及GaN的代工业务服务，改变过去仅由Cree、Infineon、Qorvo等整合元件大厂供应的状况。

然而，拓墣产业研究院也提及，碳化硅硬度极高，若以传统Dicing进行切割，生产效率极低，同时晶粒品质不佳；而雷射切割则有粉尘、设备成本极高、光源不稳定等问题。因此碳化硅晶粒想要迈向量产，就必须先解决切割技术的问题。

2023年碳化硅元件的应用与品质才能成熟

司马良亮也呼应这个说法，他认为，碳化硅是在1200V以上的高压有十分显著的优势，非常适合运用在电动车这类的应用上；GaN则是落在600V至1000V区间的应用上。

但对于碳化硅市场的发展时程，他则是持相对保守的意见。他指出，目前碳化硅在台湾的发展仍是比较慢，投入与采用的业者都不多，因此仍待时间观察。至于晶圆材料产能的问题，他则认为还需要三年才能改善基板短缺情况，而生产的质量则仍需五年才能改善。而在终端的应用上，则需到2022年左右才会有更多的应用出现。