碳化硅半導(dǎo)體，是新近發(fā)展的寬禁帶半導(dǎo)體的核心材料，以其制作的器件具有耐高溫、耐高壓、高頻、大功率、抗輻射等特點(diǎn)，具有開(kāi)關(guān)速度快、效率高的優(yōu)勢(shì)，可大幅降低產(chǎn)品功耗、提高能量轉(zhuǎn)換效率并減小產(chǎn)品體積，主要應(yīng)用于以5G通信、國(guó)防軍工、航空航天為代表的射頻領(lǐng)域和以新能源汽車、“新基建”為代表的電力電子領(lǐng)域，在民用、軍用領(lǐng)域均具有明確且可觀的市場(chǎng)前景。我國(guó)“十四五”規(guī)劃已將碳化硅半導(dǎo)體納入重點(diǎn)支持領(lǐng)域，隨著國(guó)家“新基建”戰(zhàn)略的實(shí)施，碳化硅半導(dǎo)體將在5G基站建設(shè)、特高壓、城際高速鐵路和城市軌道交通、新能源汽車充電樁、大數(shù)據(jù)中心等新基建領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。因此，以碳化硅為代表的寬禁帶半導(dǎo)體是面向經(jīng)濟(jì)主戰(zhàn)場(chǎng)、面向國(guó)家重大需求的戰(zhàn)略性行業(yè)。

碳化硅在制造射頻器件、功率器件等領(lǐng)域具有明顯優(yōu)勢(shì)。但是在射頻器件、功率器件領(lǐng)域，碳化硅襯底的市場(chǎng)應(yīng)用瓶頸為其較高的生產(chǎn)成本。影響碳化硅襯底成本的制約性因素在于生產(chǎn)速率慢、產(chǎn)品良率低，主要系：目前主流商用的PVT 法晶體生長(zhǎng)速度慢、缺陷控制難度大。相較于成熟的硅片制造工藝，碳化硅襯底短期內(nèi)依然較為高昂。例如，目前碳化硅功率器件的價(jià)格仍數(shù)倍于硅基器件，下游應(yīng)用領(lǐng)域仍需平衡碳化硅器件的高價(jià)格與因碳化硅器件的優(yōu)越性能帶來(lái)的綜合成本下降之間的關(guān)系，短期內(nèi)一定程度上限制了碳化硅器件的滲透率，其成本高限制了其在下端市場(chǎng)的應(yīng)用場(chǎng)景以及市場(chǎng)滲透，那么碳化硅具體貴在什么地方呢？

一、碳化硅襯底認(rèn)識(shí)

（一）襯底認(rèn)識(shí)

（1）材質(zhì)屬性

碳化硅襯底是新近發(fā)展的寬禁帶半導(dǎo)體的核心材料，碳化硅襯底主要用于微波電子、電力電子等領(lǐng)域，處于寬禁帶半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈的前端，是前沿、基礎(chǔ)的核心關(guān)鍵材料。4H-SiC具有3.2（eV）的禁帶寬度，2.00飽和電子漂移速率（107 cm/s），3.5擊穿電場(chǎng)強(qiáng)度（MV/cm）以及4.00熱導(dǎo)率（W·cm-1·K-1），具有數(shù)倍于硅基的優(yōu)勢(shì)。其中禁帶指在能帶結(jié)構(gòu)中能態(tài)密度為零的能量區(qū)間，常用來(lái)表示價(jià)帶和導(dǎo)帶之間的能量范圍；飽和電子漂移速率指電子漂移速率達(dá)到一定范圍后，不再隨著電場(chǎng)作用而繼續(xù)增加的極限值；電子漂移速率指電子在電場(chǎng)作用下移動(dòng)的平均速度；熱導(dǎo)率指物質(zhì)導(dǎo)熱能力的量度，又稱導(dǎo)熱系數(shù)；擊穿電場(chǎng)強(qiáng)度指電介質(zhì)在足夠強(qiáng)的電場(chǎng)作用下將失去其介電性能成為導(dǎo)體，稱為電介質(zhì)擊穿，所對(duì)應(yīng)的電場(chǎng)強(qiáng)度稱為擊穿電場(chǎng)強(qiáng)度。以下為具體第一、二、三代部分材料性能指標(biāo)：

表一、材料的性能對(duì)比

注1：碳化硅有200多種結(jié)構(gòu)，以上為常見(jiàn)的4H-SiC

基于以上優(yōu)良的材料屬性特性，碳化硅襯底的使用極限性能優(yōu)于硅襯底，可以滿足高溫、高壓、高頻、大功率等條件下的應(yīng)用需求，已應(yīng)用于射頻器件及功率器件。

（2）碳化硅襯底分類

碳化硅襯底可分為半絕緣型與導(dǎo)電性兩種，其中，半絕緣型碳化硅襯底是具有高電阻率（電阻率≥105Ω·cm），半絕緣型襯底加之異質(zhì)氮化鎵外延片可以作為射頻器件的材料，主要應(yīng)用與上述所述場(chǎng)景的5G通訊、國(guó)防軍工等領(lǐng)域；另一類是低電阻率（電阻率區(qū)間為 15~30mΩ·cm）的導(dǎo)電型碳化硅襯底，導(dǎo)電性碳化硅襯底配之碳化硅的同質(zhì)外延可以用來(lái)做功率器件的材料，主要的應(yīng)用場(chǎng)景為電動(dòng)汽車、系能源等領(lǐng)域，兩者均具備應(yīng)用場(chǎng)景廣泛、波及行業(yè)眾多、市場(chǎng)范圍廣闊等特點(diǎn)。其材質(zhì)至應(yīng)用的主要流程如下圖所示：

圖二、碳化硅襯底分類

注1：圖片來(lái)源于巨浪資訊

注2：射頻器件指利用射頻技術(shù)形成的一類元器件，常用于無(wú)線通信等領(lǐng)域

注3：功率器件指用于電力設(shè)備的電能變換和控制電路的分立器件，也稱電力電子器件

二、成本貴在以下幾個(gè)方面

（一）一次性價(jià)格高昂耗材占比重

圖三、某公司碳化硅襯底制備原料清單

注：?jiǎn)挝唬喝f(wàn)元

由圖三可知：（1）由原料支出總體金額來(lái)看，該公司的原料支出金額從2018年的3250萬(wàn)元漲到了2021年的19926.9萬(wàn)元，由此可看出碳化硅的市場(chǎng)熱度以及市場(chǎng)發(fā)展前景，從3250萬(wàn)元到19926.9復(fù)合增長(zhǎng)率高達(dá)6%以上，可見(jiàn)市場(chǎng)對(duì)于碳化硅的認(rèn)可度以及碳化硅的市場(chǎng)熱度；（2）在碳化硅襯底的制備原料里，以2021年為例，石墨件成本占比為45.21%，石墨氈占比為41.32%，占據(jù)了原料成本的86.53%，相對(duì)比與碳粉、硅粉占比0.97%、1.99%可謂差別巨大，相較于其余一些拋光液2.01%，拋光墊1.75%，金剛石粉2.34%，其他占比為4.18%等也是相差巨大，其中占比最大的原料是石墨件45.21%，占比最低的原料是切割鋼絲0.22%；（3）在2018—2021年碳化硅襯底制備的原料中根據(jù)其成本占比波動(dòng)趨勢(shì)可以將原料分為三類：第一類是占比呈現(xiàn)上升趨勢(shì)的如石墨件從32.98%上升至45.21%，石墨氈從37.06%上升至41.32%；第二類是占比基本保持穩(wěn)定的原料如切割鋼絲占比一直維持在0.25（±0.5之內(nèi)），拋光液占比一直維持在1%（±1%左右）以及拋光墊占比一直維持在2%（±0.5%之內(nèi)）；第三類是呈現(xiàn)占比下降趨勢(shì)的原料如碳粉從2018年占比5.71%下降至2021年0.97%，硅粉2018年的占比5.47%到2021年的占比1.99%以及其他占比從2018年的8.75%下降至2021年的4.18%；

綜合以上分析可知，在碳化硅的制備過(guò)程中，一次性價(jià)格高昂耗材占比過(guò)重是導(dǎo)致碳化硅襯底生產(chǎn)成本高的原因之一。坩堝（石墨件）指以一定粒徑的石墨粉高壓壓制后高溫長(zhǎng)時(shí)間煅燒制成的器皿，具有耐高溫、導(dǎo)熱性能強(qiáng)、抗腐蝕性能好、壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)，是碳化硅晶體生長(zhǎng)過(guò)程中的耗材之一，其在碳化硅襯底生產(chǎn)原料中到2021年占比達(dá)到45%以上，而且其占比還呈現(xiàn)一種上升趨勢(shì)，這是碳化硅制備成本高昂的很大一個(gè)原因。

（二）制備工藝條件要求高

PVT 法指 Physical Vapor Transportation，物理氣相傳輸法，一種常見(jiàn)的碳化硅晶體生長(zhǎng)方法，在2,300°C以上高溫、接近真空的低壓下加熱碳化硅粉料，使其升華產(chǎn)生包含Si、Si2C、SiC2等不同氣相組分的反應(yīng)氣體；由于固相升華反應(yīng)形成的 Si、C 成分的氣相分壓不同，Si/C 化學(xué)計(jì)量比隨熱場(chǎng)分布存在差異，需要使氣相組分按照設(shè)計(jì)的熱場(chǎng)和溫梯進(jìn)行分布和傳輸，使組分輸運(yùn)至生長(zhǎng)腔室既定的結(jié)晶位置；為了避免無(wú)序的氣相結(jié)晶形成多晶態(tài)碳化硅，在生長(zhǎng)腔室頂部設(shè)置碳化硅籽晶（種子），輸運(yùn)至籽晶處的氣相組分在氣相組分過(guò)飽和度的驅(qū)動(dòng)下在籽晶表面原子沉積，生長(zhǎng)為碳化硅單晶。以上碳化硅單晶制備的整個(gè)固-氣-固反應(yīng)過(guò)程都處于一個(gè)完整且密閉的生長(zhǎng)腔室內(nèi)，反應(yīng)系統(tǒng)的各個(gè)參數(shù)相互耦合，任意生長(zhǎng)條件的波動(dòng)都會(huì)導(dǎo)致整個(gè)單晶生長(zhǎng)系統(tǒng)發(fā)生變化，影響碳化硅晶體生長(zhǎng)的穩(wěn)定性；此外，碳化硅單晶在其結(jié)晶取向上的不同密排結(jié)構(gòu)存在多種原子連接鍵合方式，從而形成200多種碳化硅同質(zhì)異構(gòu)結(jié)構(gòu)的晶型，且不同晶型之間的能量轉(zhuǎn)化勢(shì)壘極低。因此，在PVT單晶生長(zhǎng)系統(tǒng)中極易發(fā)生不同晶型的轉(zhuǎn)化，導(dǎo)致目標(biāo)晶型雜亂以及各種結(jié)晶缺陷等嚴(yán)重質(zhì)量問(wèn)題。故需采用專用檢測(cè)設(shè)備檢測(cè)晶錠的晶型和各項(xiàng)缺陷。

由以上可以看出，碳化硅制備的工藝實(shí)現(xiàn)條件要求極高有以下幾點(diǎn)：（1）碳化硅粉料合成過(guò)程中的環(huán)境雜質(zhì)多，難以獲得高純度的粉料；作為反應(yīng)源的硅粉和碳粉反應(yīng)不完全易造成 Si/C 比失衡；碳化硅粉料合成后的晶型和顆粒粒度難控制；（2）2,300°C以上高溫、接近真空等在密閉石墨腔室內(nèi)完成“固-氣-固”的轉(zhuǎn)化重結(jié)晶過(guò)程，生長(zhǎng)周期長(zhǎng)、控制難度大，易產(chǎn)生微管、包裹物等缺陷；（3）碳化硅包括200多種不同晶型，但生產(chǎn)一般僅需一種晶型，生長(zhǎng)過(guò)程中易產(chǎn)生晶型轉(zhuǎn)變?cè)斐啥嘈蛫A雜缺陷，制備過(guò)程中單一特定晶型難以穩(wěn)定控制，且不同晶型之間的能量轉(zhuǎn)化勢(shì)壘極低又給控制增加了難度，期間的參數(shù)控制、相關(guān)研究需要巨大的研發(fā)成本，這又是導(dǎo)致合規(guī)的碳化硅成本高昂的又一大原因。

（三）污染處理

眾所周知，在國(guó)家加強(qiáng)生態(tài)建設(shè)、碳中和、碳達(dá)峰的大環(huán)境下，材料制備的污染問(wèn)題無(wú)疑會(huì)給材料的成本增加一筆隱形投入。碳化硅襯底材料，主要工序涉及原料合成、晶體生長(zhǎng)、晶錠加工、晶棒切割、切割片研磨、研磨片拋光、拋光片清洗等環(huán)節(jié)，不屬于重污染行業(yè)；產(chǎn)生的主要污染物為廢水（主要包括酸洗清洗廢水、廢氣凈化廢水、倒角清洗廢水、研磨清洗廢水、機(jī)械拋光清洗廢水、生活污水等）、一般固廢（主要包括提純雜質(zhì)、加工下腳料、生活垃圾等）、危險(xiǎn)廢物（主要包括廢研磨液、廢切削液、廢拋光液等）、廢氣（主要包括酸洗廢氣、乙醇清洗廢氣、有機(jī)廢氣等）、噪聲等。污染物處理主要方式為：廢水通過(guò)經(jīng)污水處理站處理達(dá)標(biāo)后排入市水質(zhì)凈化廠進(jìn)一步處理；一般固廢中生活垃圾委托環(huán)衛(wèi)部門處理，其他通過(guò)回收單位進(jìn)行資源再利用；危險(xiǎn)廢物通過(guò)委托有資質(zhì)第三方機(jī)構(gòu)處理；廢氣通過(guò)排污裝置合規(guī)排放；噪音通過(guò)車間隔音措施等方式處理。

雖然碳化硅的制造企業(yè)不屬于重污染企業(yè)，但中國(guó)高質(zhì)量經(jīng)濟(jì)發(fā)展無(wú)疑是伴隨著國(guó)家加強(qiáng)生態(tài)建設(shè)、碳中和、碳達(dá)峰的大環(huán)境下進(jìn)行的，所以制備材料的污染處理是一個(gè)不可忽視的重要因素。污染的處理費(fèi)用雖然是材料制備環(huán)節(jié)中的間接費(fèi)用，但是作為一種新型材料，其污染問(wèn)題的處理也一直是大家關(guān)注的焦點(diǎn)問(wèn)題，污染物的處理無(wú)疑又是高昂的碳化硅成本的助推者之一。

（四）以微觀密度為例解釋良率低

碳化硅核心技術(shù)參數(shù)包括直徑、微管密度、多型面積、電阻率范圍、總厚度變化、彎曲度、翹曲度、表面粗糙度。上述技術(shù)參數(shù)指標(biāo)的具體含義如下：

表二、技術(shù)參數(shù)指標(biāo)的具體含義

碳化硅晶體中最重要的結(jié)晶缺陷之一是微管，其是導(dǎo)致產(chǎn)品良率低以及合規(guī)碳化硅成本高昂的又一大因素。微管是延伸并貫穿整個(gè)晶棒的中空管道。微管的存在對(duì)于器件的應(yīng)用是致命的，襯底中的微管存在的密度將直接決定外延層的結(jié)晶質(zhì)量，器件區(qū)存在微管時(shí)將導(dǎo)致器件過(guò)高的漏電流甚至器件擊穿，造成器件失效。因此，降低微管密度是碳化硅產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用的重要技術(shù)方向。隨著微管缺陷改進(jìn)技術(shù)的不斷進(jìn)步，國(guó)際領(lǐng)先的碳化硅企業(yè)可以將微管密度穩(wěn)定地控制在1cm-2以下。這只是其中一種指標(biāo)的評(píng)判，可想而知，制造出以上諸多核心指標(biāo)納米級(jí)別范圍內(nèi)的優(yōu)質(zhì)襯底可見(jiàn)成本控制之難。

綜合以上信息可知，碳化硅制備過(guò)程中一次性價(jià)格高昂耗材占比過(guò)重、制備工藝實(shí)現(xiàn)條件難度大、制備污染處理費(fèi)用高以及晶體微管密度高等等原因是綜合導(dǎo)致碳化硅成本高昂的重要原因。由于以上幾點(diǎn)的都具有很高的技術(shù)壁壘、資金壁壘，突破需要巨大的研發(fā)投入以及長(zhǎng)時(shí)間的人才培養(yǎng)，所以對(duì)于碳化硅的具體市場(chǎng)滲透來(lái)說(shuō)，降成本、擴(kuò)尺寸，加大市場(chǎng)滲透率還需要很長(zhǎng)的路要走！

注：文章部分?jǐn)?shù)據(jù)作者根據(jù)官方公布數(shù)據(jù)進(jìn)行了一定程度上的基礎(chǔ)處理；所有圖片來(lái)源均已注明來(lái)源。此外，因文章作者資料以及認(rèn)知的有限性，雖然介紹了諸多的成本高昂的解釋，但是不可否認(rèn)的是對(duì)于這種新型材料的認(rèn)識(shí)作者是完全概括不全的，在諸多領(lǐng)域作者存在介紹不全、介紹不充分的情況，如有介紹不當(dāng)之處，作者現(xiàn)在此表示歉意，望知悉！

本文來(lái)自微信公眾號(hào)“半導(dǎo)體行業(yè)觀察”（ID：icbank），作者：姚東來(lái)，36氪經(jīng)授權(quán)發(fā)布。