碳化硅行業(yè)專題分享單晶生長

碳化硅行業(yè)專題分享:單晶生長-CONTENTS目錄Page01,02,04,0506,03,07,08,碳化硅行業(yè)專題分享:單晶生長.pdf一、概述碳化硅行業(yè)專題分享:單晶生長.pdf一、概述SiC(碳化硅)是由碳元素和硅元素組成的一種化合物半導(dǎo)體材料，是制作高溫、高頻、大功率、高壓器件的理想材料之一。SiC具有優(yōu)良的電子特性，比傳統(tǒng)的硅材料具有更高的電子遷移率、耐高溫、抗輻射等特點(diǎn)，因此被廣泛應(yīng)用于高功率電子器件、光電子器件和傳感器等領(lǐng)域碳化硅從材料到半導(dǎo)體功率器件會經(jīng)歷單晶生長、晶錠切片、外延生長、晶圓設(shè)計、制造、封裝等工藝流程。晶體生長為碳化硅襯底制造最核心工藝環(huán)節(jié)，決定了碳化硅襯底的電學(xué)性質(zhì)碳化硅行業(yè)專題分享:單晶生長.pdfPage2二、SiC單晶生長技術(shù)發(fā)展歷程由于原料中含有的雜質(zhì)多，Acheson法結(jié)晶完整性較差。使用Lely法可以對SiC進(jìn)行可控?fù)诫s。但該方法生長的單晶尺寸較小，而且不能控制特定單一晶型的晶體生碳化硅行業(yè)專題分享:單晶生長.pdf長。直到1978年前蘇聯(lián)科學(xué)家提出了采用籽晶升華法來生長SiC單晶，這一方法的提出使得SiC晶體生長迎來了高速發(fā)展。這種方法又稱為物理氣相傳輸法(PVT法)。PVT法已成為目前生長大尺寸、高質(zhì)量SiC體單晶的最為成熟方法。Ziegler和Augustine等人先后對PVT法做了改進(jìn)生成了高溫化學(xué)氣相沉積法和液相法，使之更適合生長大尺寸、高質(zhì)量的SiC晶體碳化硅行業(yè)專題分享:單晶生長.pdf目前國際主流長晶方法為PVT法，液相法工藝在5年內(nèi)無法大規(guī)模應(yīng)用(涉及到助溶劑雜質(zhì)如何去除的問題)碳化硅行業(yè)專題分享:單晶生長.pdf三、晶型分類目前已發(fā)現(xiàn)的碳化硅晶型就多達(dá)200多種。常見的碳化硅晶型有4H、6H、3C和15R等，其中C、H和R分別表示其晶體結(jié)構(gòu)屬于立方晶系、六方晶系和三方晶系的菱面體R格子。下表是對四種常見晶型的介紹目前，大部分襯底廠家使用的碳化硅晶型為4H、6H碳化硅行業(yè)專題分享:單晶生長.pdf四、長晶技術(shù)碳化硅的單晶生產(chǎn)方式主要有物理氣相傳輸法(PVT)、高溫氣相化學(xué)沉積法(HT-CVD)、液相法(LPE)等方法，目前商用碳化硅單晶生長主流方法為相對成熟的PVT法，液相法也在快速發(fā)展中下表對比了三種長晶方式的原理、優(yōu)點(diǎn)、缺點(diǎn)碳化硅行業(yè)專題分享:單晶生長.pdf等物理氣相傳輸(PVT)是最成熟的制備方法由于設(shè)備簡單，操作易控制，運(yùn)行成本低等優(yōu)點(diǎn)，國外廠商Wolfspeed、II-VI、SiCrystal，國內(nèi)廠商天岳先進(jìn)、天科合達(dá)、晶升股份均選擇PVT法制備碳化硅晶體但其由于生長系統(tǒng)穩(wěn)定性不佳、晶體生長效率低、易產(chǎn)生標(biāo)晶型雜亂以及各種結(jié)晶缺陷等嚴(yán)重質(zhì)量問題，從而成本較高碳化硅行業(yè)專題分享:單晶生長.pdfLPE法可以大幅降低生產(chǎn)溫度、提升生產(chǎn)速度，且在此方法下熔體本身更易擴(kuò)型，晶體質(zhì)量亦大為提高，因而被認(rèn)為是碳化硅材料走向低成本的較好路徑，有積極的發(fā)展空間。主要技術(shù)挑戰(zhàn)是生長速率和結(jié)晶質(zhì)量的平衡。日本的住友金屬公司采用LPE方法HTCVD法生長晶體純度較高、可實(shí)現(xiàn)近勻速晶體生長，但良率較低、長晶成本較碳化硅行業(yè)專題分享:單晶生長.pdf高。其主要技術(shù)挑戰(zhàn)是沉積溫度的控制。意法半導(dǎo)體和豐田集團(tuán)采用HTCVD方法Page3碳化硅行業(yè)專題分享:單晶生長.pdf五、原材料制備碳化硅的主要的原材料是高純的碳粉和硅粉，粉料是晶體生長的原料來源。將高純的硅粉+碳粉(5-6N純度)按配方合成碳化硅多晶顆粒，其顆粒度、純度都會直接影響晶體質(zhì)量，特別是半絕緣襯底的制備過程中，對于粉料的純度要求極高(雜質(zhì)含量低于0.5ppm)，在2000℃以上的高溫條件下于應(yīng)腔室內(nèi)進(jìn)行反應(yīng)，合成特定晶型和顆粒度的碳化硅顆粒。再經(jīng)過破碎、篩分、清洗等工序，制得滿足晶體生長要求的高純度碳化硅粉原料碳化硅行業(yè)專題分享:單晶生長.pdf上圖是天岳先進(jìn)采購碳粉、硅粉的價格走勢，可以看到，在2021年碳粉采購價格在200多元/千克，硅粉價格大約為100多元/千克。天岳先進(jìn)原材料向外資供應(yīng)商采購金額占主要原材料采購總額的比例大約在65-75%區(qū)間，其中碳粉、硅粉已基本實(shí)現(xiàn)國產(chǎn)化，單價逐年下降碳化硅行業(yè)專題分享:單晶生長.pdf當(dāng)前國外主要廠商包括Cree、Aymont等，合成粉體純度可達(dá)99.9995％。國內(nèi)主要單位包括中國電科二所、山東天岳、天科合達(dá)和中科院硅酸鹽所等單位，純度一般可達(dá)到99.999％、部分單位可達(dá)99.9995％除了高純碳粉和高純硅粉比較重要，在碳化硅晶體生長過程中的消耗件也很重要，從天科合達(dá)和天岳先進(jìn)的原料采購披露中可知石墨件和石墨氈等石墨制品耗材占比十分可觀。消耗件的供應(yīng)商主要就是楚江新材、金博股份等碳化硅行業(yè)專題分享:單晶生長.pdfPage4碳化硅行業(yè)專題分享:單晶生長.pdf六、長晶設(shè)備長晶爐是碳化硅晶體生長的核心設(shè)備，與傳統(tǒng)晶硅級長晶爐有相同性，爐子結(jié)構(gòu)不是非常復(fù)雜，主要由爐體、加熱系統(tǒng)、線圈傳動機(jī)構(gòu)、真空獲得及測量系統(tǒng)、氣路系統(tǒng)、降溫系統(tǒng)、控制系統(tǒng)等組成，其中的熱場和工藝條件決定了碳化硅晶體的質(zhì)量、尺寸、導(dǎo)電性能等關(guān)鍵指標(biāo)根據(jù)加熱方式不同，長晶爐又可以分為感應(yīng)式與電阻式碳化硅行業(yè)專題分享:單晶生長.pdf感應(yīng)加熱具有投資低、結(jié)構(gòu)簡單、維護(hù)便利、熱效率高等優(yōu)點(diǎn)，已被行業(yè)廣泛使用向。目前國際主流技術(shù)是感應(yīng)加熱、電阻加熱并行，國內(nèi)主流技術(shù)是感應(yīng)加熱。下表是感應(yīng)法和電阻法的對比電阻式由于可以精準(zhǔn)控溫，有利于提升晶體生長速率和生長尺寸，被視為碳化硅長晶爐工藝改善的主要方綜合而言，因?yàn)楹罄m(xù)切磨拋的步驟也會有損耗，整體電阻式在6英寸晶體出片上的01020304碳化硅行業(yè)專題分享:單晶生長.pdf1綜合成本(結(jié)合設(shè)備價格、良率、能耗、生長周期等)相比會略微優(yōu)于感應(yīng)法2國內(nèi)碳化硅單晶爐廠商包括晶升股份、北方華創(chuàng)等專業(yè)晶體生長設(shè)備供應(yīng)商，以及采用自研/自產(chǎn)設(shè)備供應(yīng)模式的碳化硅襯底材料廠商，目前已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了較好的國產(chǎn)化3目前國內(nèi)碳化硅單晶爐設(shè)備供應(yīng)商目前可分為三個梯隊4第一梯隊是北方華創(chuàng)、晶升股份、優(yōu)晶光電，其中北方華創(chuàng)和晶升股份主要是感應(yīng)式的長晶爐，優(yōu)晶光電為電阻式碳化硅行業(yè)專題分享:單晶生長.pdf晶升有在研制電阻式的項目，預(yù)計在25年初開始量產(chǎn)北方華創(chuàng)目前已經(jīng)累計出貨千余臺長晶爐，晶升股份已累計出貨500余臺且預(yù)計建設(shè)新廠房，未來分別能增加400、700臺/年各種單晶爐產(chǎn)能第二梯隊是寧波恒普、沈陽中科漢達(dá)等開始小批量供應(yīng)。露笑科技也有對外銷售碳化硅行業(yè)專題分享:單晶生長.pdf第三梯隊是連城數(shù)控、科友半導(dǎo)體、山東力冠、廈門天三、上海漢虹等多數(shù)處于樣機(jī)開發(fā)及驗(yàn)證階段。目前連城數(shù)控的6英寸碳化硅感應(yīng)長晶爐項目已取得客戶現(xiàn)場驗(yàn)證，電阻爐已實(shí)現(xiàn)小批量訂單Wolfspeed、II-VI以及羅姆等國際主要碳化硅材料廠商使用的晶體生長設(shè)備均主要為自行研發(fā)生產(chǎn)；其他國際主流廠商主要通過向國際晶體生長設(shè)備供應(yīng)商(如德國PVA、日本日新技研等)采購的方式實(shí)現(xiàn)設(shè)備供應(yīng)碳化硅長晶爐碳化硅行業(yè)專題分享:單晶生長.pdf七、行業(yè)痛點(diǎn)碳化硅長晶環(huán)節(jié)主要存在四點(diǎn)難點(diǎn)碳化硅行業(yè)專題分享:單晶生長.pdf(1)長晶速度慢碳化硅生長速度僅有0.3-0.5mm/h，且晶體最大長度僅能達(dá)到2-5cm，與硅基襯底有著較大的差異碳化硅行業(yè)專題分享:單晶生長.pdf(2)良率低長晶過程完全處于高溫的密閉石墨腔體中完成，非常依賴廠商的工藝經(jīng)驗(yàn)。生長周期長、控制難度大等問題導(dǎo)致晶體生長環(huán)節(jié)難度大、良率低、產(chǎn)量小(3)特定晶型生長難度大碳化硅晶體的生長溫度在2300°C以上，對溫度和壓力的控制要求高；此外，碳化硅有250多種同分異構(gòu)體，其中4H-SiC為主流，因此需要嚴(yán)格控制硅碳比、生長溫度梯度及氣流氣壓等參數(shù)才能生長出理想晶體(4)碳化硅缺陷密度去除工藝壁壘"高"碳化硅行業(yè)專題分享:單晶生長.pdf1碳化硅單晶生長熱場存在溫度梯度，導(dǎo)致晶體生長過程中存在原生內(nèi)應(yīng)力及由此2產(chǎn)生的位錯、層錯等缺陷，其可靠性備受關(guān)注3針對以上四大難點(diǎn)，日本住友金屬研發(fā)了一種所謂MPZ(多參數(shù)和區(qū)域控制)液相技術(shù)。目前最新的研究進(jìn)展是生長了高質(zhì)量、低成本6英寸SiC，SiC長晶速度提高4了5倍左右，消除了表面缺陷和基平面位錯，無缺陷區(qū)(DFA)達(dá)到99%碳化硅行業(yè)專題分享:單晶生長.pdf相比PVT法，SiC長晶速度提高了5倍左右，相比普通的LPE法速度提升了200倍武漢新硅科技潛江有限公司將開展"以甲基硅烷為原料的CVD法沉積碳化硅晶體技術(shù)"以解決現(xiàn)有難點(diǎn)Page6碳化硅行業(yè)專題分享:單晶生長.pdf八、國內(nèi)外技術(shù)水平對比上表為PVT法國內(nèi)外對比。目前PVT法已經(jīng)發(fā)展成熟，其加工的尺寸已經(jīng)實(shí)現(xiàn)6寸，目前正在向8寸發(fā)展，國內(nèi)大多數(shù)企業(yè)處于6寸量產(chǎn)，8寸研發(fā)或小批量量產(chǎn)階段，無法實(shí)現(xiàn)8寸大規(guī)模量產(chǎn)化；國外市場上，Wolfspeed已實(shí)現(xiàn)8英寸碳化硅量產(chǎn)，其他企業(yè)則將8英寸碳化硅襯底的量產(chǎn)節(jié)點(diǎn)定在2023-2024年左右上表為LPE法國內(nèi)外對比。目前，液相碳化硅晶體生長的研發(fā)主要集中在日本、韓碳化硅行業(yè)專題分享:單晶生長.pdf國和中國，最新的研究進(jìn)展是生長了高質(zhì)量、低成本6英寸SiC，SiC長晶速度提高了5倍左右，消除了表面缺陷和基平面位錯，無缺陷區(qū)(DFA)達(dá)到99%目前日本某大學(xué)已實(shí)現(xiàn)了7英寸碳化硅晶體的生長國內(nèi)也已實(shí)現(xiàn)了6英寸晶體的生長，并在逐步提升晶體品質(zhì)Page7碳化硅行業(yè)專題分享:單晶生長.pdf下表列舉對比了三種長晶方法的最新的生長速度以及良率情況如今，國內(nèi)生產(chǎn)的碳化硅單晶直徑已廣泛達(dá)到6英寸，但其厚度通常在20到30mm之間，與國際上主流碳化硅生長水平還有一定差距，導(dǎo)致我們從一個碳化硅晶錠中切割得到的襯底數(shù)量相當(dāng)有限在良率方面，國內(nèi)使用PVT技術(shù)路線生成的碳化硅襯底良率在50%左右，使用LPE技術(shù)路線的良率雖然能提升至75%左右，但是與Wolfspeed等海外龍頭85%的良率仍存在較大差距九、最新行業(yè)水平及規(guī)模碳化硅行業(yè)專題分享:單晶生長.pdf上表顯示的是各家襯底公司的現(xiàn)有產(chǎn)能和26年的產(chǎn)能規(guī)劃，據(jù)不完全統(tǒng)計，國內(nèi)碳化硅襯底現(xiàn)有產(chǎn)能約為61萬片/年近幾年，國內(nèi)碳化硅襯底產(chǎn)能將快速擴(kuò)張，新增產(chǎn)能預(yù)計在2026年底前全部達(dá)產(chǎn)，其中新增產(chǎn)能約為532萬片/年-574萬片/年。由此將為北方華創(chuàng)、豐港化學(xué)、晶升股份、以及連城數(shù)控等碳化硅長晶爐廠商帶來需求增量碳化硅行業(yè)專題分享:單晶生長.pdf根據(jù)未來襯底廠商的產(chǎn)能以及以下假設(shè)，可以測算出23-26年碳化硅單晶爐市場空間約96.25億元，設(shè)備需求預(yù)計將于未來四年內(nèi)陸續(xù)釋放(1)國內(nèi)碳化硅襯底現(xiàn)有產(chǎn)能約61萬片/年，至2026年，國內(nèi)產(chǎn)能增量在532萬片-574萬片之間，取中間數(shù)550萬片(2)根據(jù)晶升股份招股說明書，設(shè)備單價為60-110萬元，假設(shè)設(shè)備均價70萬碳化硅行業(yè)專