產(chǎn)業(yè)革命？液相法制備碳化硅襯底實(shí)現(xiàn)交付！

電子發(fā)燒友網(wǎng)報(bào)道（文/梁浩斌）去年7月，電子發(fā)燒友曾報(bào)道了天岳先進(jìn)展示了一種采用新的SiC晶體制備技術(shù)——液相法制備的低缺陷8英寸晶體。在今年4月底的2023年度業(yè)績(jī)說(shuō)明會(huì)上，天岳先進(jìn)當(dāng)時(shí)表示“目前公司是僅少數(shù)企業(yè)正在從事液相法作為新技術(shù)的研發(fā)，但液相法是前沿技術(shù)，尚未實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化大規(guī)模生產(chǎn)”。

然而讓人意想不到的是，11月6日，天岳先進(jìn)就宣布液相法制備的高質(zhì)量低阻P型碳化硅襯底成功向客戶交付的消息。這也意味著液相法制備碳化硅晶體的進(jìn)展要比預(yù)期的更快。

液相法：碳化硅降本的關(guān)鍵路線

盡管今年以來(lái)碳化硅上下游都經(jīng)歷了一輪降價(jià)，但過(guò)去很長(zhǎng)一段時(shí)間里，碳化硅晶體的生產(chǎn)效率一直是制約碳化硅產(chǎn)業(yè)擴(kuò)張的重要原因之一。目前主流的SiC單晶制備，都是通過(guò)物理氣相傳輸PVT法生長(zhǎng)，核心的步驟包括將SiC粉料進(jìn)行高溫加熱，加熱后SiC粉料升華成氣體，氣體移動(dòng)到籽晶表面緩慢生長(zhǎng)成晶體。

但PVT法生長(zhǎng)碳化硅單晶，過(guò)程太漫長(zhǎng)了，氣相生長(zhǎng)是利用固體升華后在籽晶表面凝華從而逐漸生長(zhǎng)出碳化硅單晶，大概每小時(shí)能生長(zhǎng)200-400微米，按每小時(shí)生長(zhǎng)300微米計(jì)算，要制備出30毫米厚的晶體，需要超過(guò)4天時(shí)間。

而目前的8英寸碳化硅晶體，還需要在6英寸的晶體進(jìn)行擴(kuò)徑，同樣是采用PVT法，整體制備的周期就更長(zhǎng)了。

所以近些年電動(dòng)汽車市場(chǎng)增長(zhǎng)保持高增速，市場(chǎng)上對(duì)于碳化硅的需求不斷提高，需求將產(chǎn)業(yè)導(dǎo)向至尋找更高效率的碳化硅晶體制備技術(shù)，于是不少廠商都將目光重新投放至液相法。

實(shí)際上液相法不是一項(xiàng)新技術(shù)，早在二十世紀(jì)60年代時(shí)，液相法就被廣泛用于制備碳化硅晶體的研究中，當(dāng)然，后來(lái)由于PVT法取得了突破，后來(lái)碳化硅大規(guī)模生產(chǎn)中PVT就成為主流方式。

根據(jù)人工晶體學(xué)報(bào)的資料，液相法制備碳化硅主要存在幾個(gè)方面的技術(shù)問(wèn)題，首先是需要平衡生長(zhǎng)速率和結(jié)晶質(zhì)量，如果生長(zhǎng)速率太大，會(huì)容易出現(xiàn)多種嚴(yán)重影響結(jié)晶質(zhì)量的缺陷，嚴(yán)重時(shí)可能引起晶體開裂。

目前液相法的工藝中會(huì)以高純石墨坩堝作為容器的同時(shí)，還作為晶體生長(zhǎng)中C元素的來(lái)源，而隨著晶體的生長(zhǎng)，坩堝內(nèi)壁也會(huì)不斷被腐蝕，從而可能影響晶體生長(zhǎng)的環(huán)境。因此如何建立持續(xù)穩(wěn)定的晶體生長(zhǎng)條件就非常關(guān)鍵。

由于生長(zhǎng)溫度高，測(cè)試難度大，在液相法生長(zhǎng)碳化硅單晶的過(guò)程中，對(duì)高溫溶液的凝固點(diǎn)、表面張力、黏度等熱力學(xué)參數(shù)還未明確。因此未來(lái)研究以及掌握這些參數(shù)以及控制這些參數(shù)的方式是液相法制備SiC進(jìn)一步發(fā)展的重要方向。

成功實(shí)現(xiàn)交付，更多產(chǎn)業(yè)鏈企業(yè)為規(guī)模量產(chǎn)做準(zhǔn)備

這次天岳先進(jìn)向客戶交付的是應(yīng)用于高壓大功率電力電子器件的P型碳化硅單晶襯底，公司表示高質(zhì)量低阻P型碳化硅襯底將極大加速高性能SiC-IGBT的發(fā)展進(jìn)程，實(shí)現(xiàn)高端特高壓功率器件國(guó)產(chǎn)化。

這里值得提一下的是，碳化硅其實(shí)是可以做成IGBT器件的，但由于成本原因，以及當(dāng)前碳化硅MOSFET已經(jīng)可以覆蓋硅基IGBT的大部分電壓場(chǎng)景，所以一般碳化硅IGBT只在一些需要極高耐壓的場(chǎng)景使用，比如是10kV換流站開關(guān)等一些應(yīng)用，但目前確實(shí)未有大規(guī)模應(yīng)用。

過(guò)去針對(duì)高壓大功率應(yīng)用的P型碳化硅單晶襯底存在成本高、電阻率高、缺陷控制難度大等問(wèn)題，而液相法從原理上，具有生長(zhǎng)高品質(zhì)碳化硅晶體的優(yōu)勢(shì)。天岳先進(jìn)去年曾透露，公司通過(guò)熱場(chǎng)、溶液設(shè)計(jì)和工藝創(chuàng)新突破了碳化硅單晶高質(zhì)量生長(zhǎng)界面控制和缺陷控制難題，在業(yè)界屬于首創(chuàng)。

而目前天岳先進(jìn)已經(jīng)通過(guò)液相法制備出低貫穿位錯(cuò)和零層錯(cuò)的碳化硅晶體，同時(shí)P型4度偏角碳化硅襯底，電阻率小于200mΩ·cm，面內(nèi)電阻率分布均勻，結(jié)晶性良好。

近期，碳化硅產(chǎn)業(yè)鏈上包括液相法碳化硅晶體生長(zhǎng)的設(shè)備和晶體制備都有了一些新的進(jìn)展。10月連科半導(dǎo)體宣布液相法碳化硅長(zhǎng)晶爐取得關(guān)鍵性進(jìn)展，液相法碳化硅（感應(yīng)）加熱長(zhǎng)晶爐及液相法碳化硅電阻加熱長(zhǎng)晶爐順利在客戶現(xiàn)場(chǎng)完成驗(yàn)收，長(zhǎng)晶爐兼容六英寸到八英寸碳化硅單晶生長(zhǎng)空間，并滿足多測(cè)溫點(diǎn)及CCD可視化長(zhǎng)晶的工藝需求。

同在上個(gè)月，日本Oxide公司宣布成立全資子公司將液相法碳化硅晶體產(chǎn)品商業(yè)化，并計(jì)劃在2025年2月末開始將液相法制備的8英寸碳化硅產(chǎn)品送樣。

另外，常州臻晶在去年就表示公司采用液相法生長(zhǎng)的P型襯底，良率從50%提高到75%，長(zhǎng)晶效率提升2-5倍，并預(yù)計(jì)今年9月實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，不過(guò)目前還未有更多消息對(duì)外發(fā)布。

還有更多的設(shè)備廠商，包括晶格領(lǐng)域、晶升股份等，都已經(jīng)推出了液相法碳化硅長(zhǎng)晶爐產(chǎn)品。

寫在最后

目前看來(lái)，液相法碳化晶體已經(jīng)距離商業(yè)化越來(lái)越近，然而也有設(shè)備廠商認(rèn)為，雖然目前已經(jīng)有能力制造長(zhǎng)晶設(shè)備，但從產(chǎn)業(yè)的角度看，核心問(wèn)題在于缺乏下游芯片廠商的應(yīng)用數(shù)據(jù)積累，因此近年內(nèi)，PVT法依然會(huì)是碳化硅的主要制備技術(shù)。