碳化硅衬底分类、应用及制造难点有哪些？

SiC 衬底长晶慢、良率低、损耗大，存在高技术壁垒。

碳化硅衬底可按导电性能分为两类，其中导电型衬底具备更大增长空间。衬底的电 学性能决定了碳化硅芯片的功能和性能优劣。根据电阻率高低，将碳化硅衬底分为 半绝缘型和导电型。前者具有高电阻率（≥105Ω·cm），用于制备氮化镓外延片，进 而制成射频器件；后者电阻率低（处于 15~30mΩ·cm 区间），可通过在导电型衬底 上生长碳化硅外延层得到碳化硅外延片，进一步制成功率器件。目前已有约 90%的 氮化镓射频器件采用碳化硅衬底制造，全球格局较稳定。若按衬底成本占比 47%测 算，到 2027 年碳化硅衬底市场规模约为 39 亿美元，其中导电型衬底占比 76%，约 23 亿美元。

新能源车为 SiC 功率器件主要应用场景，800V 高压快充趋势成为 SiC 上车强催化 剂。导电型衬底通过在晶体生长过程中引入氮元素，呈现低阻电学性能。在导电型 衬底上生长碳化硅外延，可在外延层上制造 MOSFET、二极管等功率器件，应用于 新能源车、光伏发电、轨交、白电、高压输变电站等领域可降低能耗，实现高效能 源应用，其中新能源车为主要场景，占比 60%以上。新能源车领域中，800V 高压 快充已成为缓解补能焦虑的主流方案。为实现 400V 向 800V 平台升级，整车高压 零部件需要同步提升耐压等级至 800V 甚至更高，以满足安全冗余要求。而由于材 料限制，传统硅基功率器件在许多方面已逼近甚至达到了其材料的本征极限，如电 压阻断能力、正向导通压降、器件开关速度等，尤其在高频和高功率领域更显示出 其局限性。与 Si-IGBT 相比，使用 SiC 器件配合 800V 平台方可提升效率、减小器 件体积、散热更快、以相同电池容量实现更高的续航里程。根据意法半导体数据， 400V 平台下，SiC 比 IGBT 器件效率提升 2-4%，而在 750V 平台下提升幅度可扩大 至 3.5-8%。

汽车 SiC 器件中，主驱 SiC 价值量占比逾 80%，目前主要用于高端车型，2-3 年后 有望在 20 万以下的中低端车型普及。SiC 器件主要用于汽车中的主驱、OBC、DCDC 和充电桩。根据集微网援引产业专家描述，目前主驱逆变器的 SiC 价值总量占整车 SiC 总量的 80%以上。根据贸泽等分销商数据，类似器件额定值下，SiC SBD 和 SiC MOSFET 与硅基器件价差已缩减至 2-3 倍。根据 Digitimes 数据，2021 年 6 英寸 SiC 晶圆价格约 1000 美元，预计 2023 年下降至 700 美元。目前只有 20 万以上的高端 车型采用 SiC 方案，未来随 SiC 芯片良率提升、衬底降本，2-3 年后 SiC 有望在 20 万以下车辆普及。

碳化硅衬底行业技术壁垒高筑，演进空间大。碳化硅衬底属于技术密集行业，制造 流程包括原料合成、晶体生长、晶锭加工、晶棒切磨抛等。目前制约碳化硅晶体品 质的关键指标主要有碳化硅粉料质量、仔晶的粘结、温场的设计和保温材料的选择， 晶体生长工艺。制造难点主要体现在温度控制、切磨抛等方面：

1）主流商业 PVT 法缺陷控制难度大、长晶速度慢。液相生长法过程简单，生长晶 体纯度、速度均较高，是生长晶体的优选方法，也是传统的 Si、GaAs 的制备方法。 但液相法通过在硅溶液中添加金属助溶剂来提高硅溶液熔点，金属助溶剂的掺入会 使晶体杂质含量较高，而且硅的高压蒸汽会腐蚀石墨件，该方法的碳源实际来自石 墨坩埚。用液相法生长 SiC 单晶挑战较大。因此目前 SiC 晶体生长的主流商用方法 为 PVT 法，导致一些行业共性问题：a）该方法需要在 2,300°C 以上高温的密闭石 墨腔室内完成“固-气-固”的转化重结晶过程，生长周期长，全程暗箱进行易混入杂 质，控制难度大，直径越高良率越低。并且碳化硅单晶有 200 多种不同晶型，其中仅一种可用（SiC-4H），制备过程中单一特定晶型难以稳定控制。b）PVT 法碳化硅 长晶速度慢，为 0.3-0.5mm/h，7 天才可生长 2cm，最高仅能生长 3-5cm，而硅基 72h 即可生长至 2-3m 高度。

2）目前业内 6 英寸 SiC 衬底良率普遍低于 50%。使用 PVT 法生长 4H-SiC 单晶衬 底时易出现多型共生现象，造成晶圆良率降低，且使 SiC 基器件性能劣化。根据电 子发烧友网调查，目前业内 4 英寸 SiC 衬底良率约 70%，6 英寸良率仅约 30%-50%， 即使国际龙头企业的衬底良率也仅 70%左右。而传统硅棒良率已达 95%左右。

3）SiC 材料特性使其加工难度远高于 Si，现有多线切割技术总材料损耗量高达 30%~50%。碳化硅衬底作为莫氏硬度 9.2 的高硬度脆性材料硬度高、脆性大、化学 性质稳定，加工过程中易开裂，加工后的衬底易翘曲。为了使下游外延开盒即用， 需要对碳化硅衬底表面采取不同于传统硅基加工的方式进行超精密加工，以降低表 面粗糙度以达到严苛的金属、颗粒控制要求。目前 4、6 英寸主要采用多线切割设 备，将碳化硅晶体切割成厚度不超过 1mm 的薄片。多线切割过程是 SiC 加工损失 的主要来源。与切割线直径相近的 SiC 材料会被磨削成碎屑（150~250um），称为锯 口损失（KerfLoss），而切割线的高速行走过程还会造成 20~50um 的粗糙起伏与表 面/亚表面结构损伤，必须通过后续磨抛工艺去除，总材料损耗量占原材料的 30%~50%。未来随着碳化硅晶圆尺寸加大，对材料利用率要求的提升，激光切片、 冷切割等技术也将逐步得到应用，以通过提升出片率的方式降低综合成本。