介紹碳化硅產(chǎn)品的應(yīng)用方向和生產(chǎn)過(guò)程

前言：

相比硅基功率半導(dǎo)體，碳化硅功率半導(dǎo)體在開(kāi)關(guān)頻率、損耗、散熱、小型化等方面存在優(yōu)勢(shì)，隨著特斯拉大規(guī)模量產(chǎn)碳化硅逆變器之后，更多的企業(yè)也開(kāi)始落地碳化硅產(chǎn)品。本文主要介紹碳化硅產(chǎn)品的應(yīng)用方向和生產(chǎn)過(guò)程。

應(yīng)用方向

車(chē)載領(lǐng)域，功率器件主要用在DCDC、OBC、電機(jī)逆變器、電動(dòng)空調(diào)逆變器、無(wú)線充電等需要AC/DC快速轉(zhuǎn)換的部件中（DCDC中主要充當(dāng)快速開(kāi)關(guān)）。

圖源：博格華納

相比硅基材料，碳化硅材料擁有更高的臨界雪崩擊穿場(chǎng)強(qiáng)（3×106V/cm）、更好的導(dǎo)熱性能（49W/mK）和更寬的禁帶（3.26eV）。禁帶越寬，漏電流也就越小，效率也越高。導(dǎo)熱性能越好，則電流密度就越高。臨界雪崩擊穿場(chǎng)越強(qiáng)，則可以提升器件的耐壓性能。

因此在車(chē)載高壓領(lǐng)域，由碳化硅材料制備的MOSFET和SBD來(lái)替代現(xiàn)有的硅基IGBT和FRD的組合能有效提升功率和效率，尤其是在高頻應(yīng)用場(chǎng)景中降低開(kāi)關(guān)損耗。目前最有可能在電機(jī)逆變器中實(shí)現(xiàn)大規(guī)模應(yīng)用，其次為OBC和DCDC。

在800V電壓平臺(tái)中，高頻的優(yōu)勢(shì)使得企業(yè)更傾向選擇碳化硅MOSFET方案。因此目前800V電控大部分規(guī)劃碳化硅MOSFET。

平臺(tái)級(jí)別的規(guī)劃有現(xiàn)代E-GMP、通用奧特能（Ultium）-皮卡領(lǐng)域、保時(shí)捷PPE、路特斯EPA，除保時(shí)捷PPE平臺(tái)車(chē)型未明確搭載碳化硅MOSFET外（首款車(chē)型為硅基IGBT），其他車(chē)企平臺(tái)均采用碳化硅MOSFET方案。

800V車(chē)型規(guī)劃的話就更多了，長(zhǎng)城沙龍品牌機(jī)甲龍、北汽極狐S HI版、理想汽車(chē)S01和W01、小鵬G9、寶馬NK1、長(zhǎng)安阿維塔E11均表示將搭載800V平臺(tái)，此外比亞迪、嵐圖、廣汽埃安、奔馳、零跑、一汽紅旗、大眾等也表示800V技術(shù)在研。

從Tier1供應(yīng)商800V訂單獲取的情況來(lái)看，博格華納、緯湃科技、ZF、聯(lián)合電子、匯川均宣布獲得800V電驅(qū)動(dòng)訂單。

而在400V電壓平臺(tái)中，碳化硅MOSFET則主要處于高功率以及功率密度和高效率的考量。如現(xiàn)在已經(jīng)量產(chǎn)的特斯拉Model 3Y后電機(jī)，比亞迪漢后電機(jī)峰值功率200Kw左右（特斯拉202Kw、194Kw、220Kw，比亞迪180Kw），蔚來(lái)從ET7開(kāi)始以及后續(xù)上市的ET5也將采用碳化硅MOSFET產(chǎn)品，峰值功率為240Kw（ET5為210Kw）。此外，從高效率角度來(lái)考慮部分企業(yè)也在探索輔驅(qū)用碳化硅MOSFET產(chǎn)品的可行性。

除電控產(chǎn)品外，部分企業(yè)在OBC和DCDC產(chǎn)品中也逐步采用碳化硅MOSFET產(chǎn)品，如欣銳科技已經(jīng)在小三電（OBC產(chǎn)品）中采用該方案。

綜合來(lái)看，僅電控產(chǎn)品來(lái)看碳化硅MOSFET在800V平臺(tái)的應(yīng)用確定性要強(qiáng)于400V平臺(tái)，而對(duì)于小三電產(chǎn)品中，當(dāng)下最大的制約因素為材料成本，短期替代性不強(qiáng)。

碳化硅的生產(chǎn)過(guò)程

和其他功率半導(dǎo)體一樣，碳化硅MOSFET產(chǎn)業(yè)鏈包括長(zhǎng)晶-襯底-外延-設(shè)計(jì)-制造-封裝環(huán)節(jié)。

1、長(zhǎng)晶

長(zhǎng)晶環(huán)節(jié)中，和單晶硅使用的提拉法工藝制備不同，碳化硅主要采用物理氣相輸運(yùn)法（PVT，也稱(chēng)為改良的Lely法或籽晶升華法），高溫化學(xué)氣相沉積法（HTCVD）作為補(bǔ)充。核心步驟大致分為：

碳化硅固體原料；

加熱后碳化硅固體變成氣體；

氣體移動(dòng)到籽晶表面；

氣體在籽晶表面生長(zhǎng)為晶體。

來(lái)源：《拆解PVT生長(zhǎng)碳化硅的技術(shù)點(diǎn)》

工藝的不同導(dǎo)致碳化硅長(zhǎng)晶環(huán)節(jié)相比硅基而言主要有兩大劣勢(shì)。

生產(chǎn)難度大，良率較低。碳化硅氣相生長(zhǎng)的溫度在2300℃以上，壓力350MPa，全程暗箱進(jìn)行，易混入雜質(zhì)，良率低于硅基，直徑越大，良率越低。

生長(zhǎng)速度慢。PVT法生長(zhǎng)非常緩慢，速度約為0.3-0.5mm/h，7天才能生長(zhǎng)2cm，并且最高也僅能生長(zhǎng)3-5cm，晶錠的直徑也多為4英寸、6英寸，而硅基72h即可生長(zhǎng)至2-3m的高度，直徑多為6英寸、8英寸新投產(chǎn)能則多為12英寸。因此碳化硅的常稱(chēng)之為晶錠，硅則成為晶棒。

2、襯底

長(zhǎng)晶完成后，就進(jìn)入襯底生產(chǎn)環(huán)節(jié)。經(jīng)過(guò)定向切割、研磨（粗研磨、精研磨）、拋光（機(jī)械拋光）、超精密拋光（化學(xué)機(jī)械拋光），得到碳化硅襯底。襯底主要起到物理支撐、導(dǎo)熱和導(dǎo)電的作用。加工的難點(diǎn)在于碳化硅材料硬度高、脆性大、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，因此傳統(tǒng)硅基加工的方式不適用于碳化硅襯底。

切割效果的好壞直接影響碳化硅產(chǎn)品的性能和利用效率（成本），因此要求翹曲度小、厚度均勻、低切損。目前4英寸、6英寸主要采用多線切割設(shè)備，將碳化硅晶體切割成厚度不超過(guò)1mm的薄片。

未來(lái)隨著碳化硅晶圓尺寸的加大，對(duì)材料利用率要求的提升，激光切片、冷分離等技術(shù)也將逐步得到應(yīng)用。


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英飛凌曾在2018年收購(gòu)Siltectra GmbH，后者開(kāi)發(fā)了一種成為冷裂的創(chuàng)新工藝。相比傳統(tǒng)的多線切割工藝損失1/4，冷裂工藝只損失1/8的碳化硅材料。

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3、外延

由于碳化硅材料不能直接在襯底上制作功率器件，需額外在外延層上制造各種器件。因此襯底制作完成后，經(jīng)過(guò)外延工藝在襯底上生長(zhǎng)出特定的單晶薄膜，襯底晶片和外延薄膜合稱(chēng)外延片。目前主要采用化學(xué)氣相沉積法（CVD）工藝制作。

4、設(shè)計(jì)

襯底制作完成后，則進(jìn)入產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段。對(duì)于MOSFET而言，設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)的重點(diǎn)是溝槽的設(shè)計(jì)，一方面要避免專(zhuān)利侵權(quán)（英飛凌、羅姆、意法半導(dǎo)體等均有專(zhuān)利布局），另外則是滿足可制造性和制造成本。

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5、晶圓制造

產(chǎn)品設(shè)計(jì)完成后便進(jìn)

入晶圓制造階段，工藝大體與硅基類(lèi)似，主要有

圖形化氧化膜，制作一層氧化硅（SiO2）薄膜，涂布光刻膠，經(jīng)過(guò)勻膠、曝光、顯影等步驟形成光刻膠圖形，最后通過(guò)刻蝕工藝將圖形轉(zhuǎn)移到氧化膜上。

離子注入，將做好掩膜的碳化硅晶圓放入離子注入機(jī)，注入鋁（Al）離子以形成p型摻雜區(qū)，并退火以激活注入的鋁離子。移除氧化膜，在p型摻雜區(qū)的特定區(qū)域注入氮（N）離子以形成漏極和源極的n型導(dǎo)電區(qū)，退火以激活注入的氮離子。

制作柵極。在源極與漏極之間區(qū)域，采用高溫氧化工藝制作柵極氧化層，并沉積柵電極層，形成柵極（Gate）控制結(jié)構(gòu)。

制作鈍化層。沉積一層絕緣特性良好的鈍化層，防止電極間擊穿。

制作漏極和源極。在鈍化層上開(kāi)孔，并濺射金屬形成漏極和源極。

摘抄自：信熹資本

雖然工藝層面與硅基差別不大，但由于碳化硅材料的特性，離子注入和退火均需在高溫環(huán)境下進(jìn)行（最高1600℃），高溫會(huì)影響材料本身的晶格結(jié)構(gòu)，難度上升的同時(shí)也會(huì)影響良率。

此外，對(duì)于MOSFET部件而言，柵氧的質(zhì)量直接影響溝道的遷移率和柵極可靠性，由于碳化硅材料中同時(shí)存在有硅和碳兩種原子，因此需要特殊的柵介質(zhì)生長(zhǎng)方法。（還有一點(diǎn)便是碳化硅片是透明的，光刻階段位置對(duì)準(zhǔn)也難于硅基） 晶圓制造完成后，將單個(gè)芯片切割成裸芯片后，即可根據(jù)用途進(jìn)行封裝。 分立器件常見(jiàn)的工藝為T(mén)O封裝。

車(chē)載領(lǐng)域由于功率和散熱要求高，并且有時(shí)需要直接搭建橋式電路（半橋或者全橋，或直接和二極管一同封裝），因此常直接封裝成模塊或者系統(tǒng)。根據(jù)單個(gè)模塊封裝的芯片數(shù)量，常見(jiàn)的形式有1 in 1（博格華納）、6 in 1（英飛凌）等，部分企業(yè)采用單管并聯(lián)的方案。

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和硅基不同，碳化硅模塊工作溫度較高，大約在200℃左右。傳統(tǒng)的軟釬焊料溫度熔點(diǎn)溫度較低，無(wú)法滿足溫度要求。所以碳化硅模塊常采用低溫銀燒結(jié)焊接工藝。 模塊制作完成后便可應(yīng)用至零部件系統(tǒng)中。




審核編輯：劉清