與基板一同崛起：中國碳化矽基板產業鏈的崛起
1. 引言 碳化矽
碳化矽（SiC）是一種人工合成的碳化物，化學式為SiC，分子量為40。它的密度為3.22 g/cm³，熔點高達2700°C，莫氏硬度為9.2-9.8，僅次於鑽石。
作為第三代半導體材料，碳化矽是製造高溫、高頻、高功率和高壓裝置的理想材料之一。與傳統的矽（Si）相比，碳化矽的帶隙寬3倍，導熱係數高3倍，擊穿電場強度高10倍，電子飽和漂移速率高2倍。
因此，基於碳化矽的半導體裝置不僅能在更高的溫度下穩定工作，適用於高壓高頻應用場景，而且還能以更低的能量損耗實現更高的工作效率。下表列出了三代半導體材料的關鍵參數對比。
2. 類型 碳化矽基板s
基板是半導體晶片的基礎材料，主要提供物理支撐、導熱和導電功能。
根據工業與資訊化部發布的《重點新材料首次應用示範指導目錄（2019版）》，碳化矽襯底根據其電性能可分為兩類：一類是電阻率≥10⁵ Ω·cm的半絕緣碳化矽襯底；另一類是電阻率介於15–30 mΩ·cm的半導體基板。外延生長後，這兩類基板分別用於製造射頻裝置和功率裝置。
二、碳化矽材料產業鏈
以碳化矽材料為基板的產業鏈主要包括基板製備、外延生長、裝置製造及下游應用。
基板是碳化矽產業鏈中技術壁壘最高、價值佔比最大的環節，也是推動碳化矽未來大規模產業化發展的關鍵。在成本結構中， 碳化矽裝置s，底物佔比高達 46%。
半絕緣碳化矽基板主要用於製造氮化鎵（GaN）射頻元件，最終應用於5G通訊和國防等領域。在該基板上生長氮化鎵外延層可得到GaN/SiC外延晶片，進而用於製造GaN射頻裝置。
導電碳化矽基板主要用於製造功率元件，終端市場包括電動車、新能源、軌道運輸等。
與傳統的矽基功率元件的製造流程不同，碳化矽功率元件需要先在導電基板上生長碳化矽外延層，形成碳化矽外延晶片，然後在外延層上製造各種功率元件。
三、碳化矽襯底生產工藝
碳化矽基板的製備過程複雜且技術難度高，涉及的具體步驟包括：原料合成、晶體生長、錠加工、錠塊切割、晶圓研磨、晶圓拋光、晶圓檢測和晶圓清洗。
1. 原料合成
將高純度矽粉和高純度碳粉以一定比例均勻混合，在溫度超過2000℃的高溫反應室中合成具有特定晶體結構和粒徑的碳化矽顆粒。經過破碎、篩選及清洗等工序，最後得到滿足晶體生長要求的高純度碳化矽粉末原料。
2. 晶體生長
晶體生長是碳化矽基板製造中最具技術難度的步驟，它直接決定了基板的電氣性能。目前主流的晶體生長方法包括物理氣相傳輸（PVT）法、高溫化學氣相沉積（HTCVD）法和液相外延（LPE）法。
其中，PVT法是目前商用SiC基板生產的主流工藝，技術成熟，應用廣泛。 LPE法被認為是未來潛在的製程發展方向。
（1）物理氣相傳輸（PVT）
採用PVT法生長SiC晶體時，將高純度碳化矽微粉和籽晶分別置於單晶生長爐內石墨坩堝的底部和頂部，從而形成軸向溫度梯度。碳化矽微粉在高溫下昇華成Si₂C、SiC₂和Si等氣態組分，這些組分在溫度梯度的作用下被輸送到籽晶處成核結晶，最終形成碳化矽錠。
PVT 方法的生長成本相對較低，但目前面臨的主要挑戰是獲得高純度 SiC 原料，因為微量雜質會顯著影響晶體純度。
（2）高溫化學氣相沉積（HTCVD）
高溫化學氣相沉積法（HTCVD）是將矽烷、乙烷/丙烷和氫氣等高純度氣體從反應器底部引入。這些氣體首先在高溫區反應生成碳化矽前驅體，然後碳化矽前驅體隨氣流進入低溫區沉積在籽晶上，形成碳化矽晶體。
此方法的優點在於能夠精確控制Si/C比，以實現高純度、高品質晶體的連續生長。儘管其設備成本高於PVT法，且應用尚未普及，但HTCVD法製備的晶體缺陷少、品質高、雜質含量低，因此日益受到關注。
（3）液相外延（LPE）
在液相外延（LPE）法中，將碳化矽籽晶固定在籽晶棒的前端。石墨坩堝內裝有矽原料及少量摻雜元素，加熱至高於矽熔點（1500–1700°C）使其熔化。透過旋轉籽晶或反向旋轉坩堝，確保碳和摻雜元素在熔體中均勻分佈。然後，透過緩慢冷卻，使溶液達到過飽和狀態，從而在籽晶上生長出碳化矽晶體。
LPE 方法可以實現可控的徑向生長，並能生產沒有微管缺陷的晶體，但生長成本相對較高。
3. 錠塊加工
利用X射線單晶取向儀對碳化矽錠進行取向。然後透過精密機械加工將其磨平並打磨成標準直徑和角度的碳化矽錠。所有錠件均需進行尺寸與角度檢驗。
4. 法國圓麵包切片
在預留後續加工餘量的情況下，使用鑽石線鋸將晶錠切割成不同厚度的晶圓。採用全自動偵測設備偵測表面形狀參數，例如翹曲、弓形和總厚度變化（TTV）。
5. 切片晶圓研磨
使用專用研磨漿料將切割後的晶圓減薄至指定厚度，去除表面導線痕跡和損傷。所有切割後的晶圓均使用全自動測試設備和非接觸式電阻率測試儀進行表面形狀和電氣性能檢測。
6. 研磨晶圓拋光
使用特定的拋光漿料對研磨後的晶圓進行機械拋光和化學拋光，以消除表面刮痕、降低粗糙度、消除加工應力，從而達到奈米級的表面平整度。
使用X射線衍射儀、原子力顯微鏡、表面平整度測試儀和綜合表面缺陷測試儀等設備對各項參數進行檢測。拋光晶圓的品質等級是根據這些測量結果來決定。
7. 拋光晶圓清洗
在100級無塵室中，拋光後的晶圓使用特定的化學試劑和去離子水進行清洗，以去除表面顆粒、金屬離子和有機污染物。旋壓乾燥後，晶圓被封裝在潔淨的晶圓盒中，最終形成碳化矽基板。
四、碳化矽基板市場規模快速成長
根據王功岩的數據，2022年全球碳化矽基板市場規模達7.54億美元，年增27.8%。預計到2025年將成長至16億美元。
2022年，全球導電碳化矽基板市場規模為5.12億美元，佔全球市場的67.9%；半絕緣碳化矽基板市場規模為2.42億美元，佔全球市場的32.1%，如下圖所示。
五、碳化矽基板市場的競爭格局
目前，全球導電碳化矽基板市場主要由國外製造商主導。
2020年，Wolfspeed在全球導電碳化矽基板市場佔有62%的份額，前三大企業（CR3）合計佔有89%的份額。在中國國內企業中，天科和達的市場佔有率為4%。導電碳化矽基板目前是中國進口替代的關鍵領域，具有廣泛的市場潛力。
根據不完全統計，國內已實現碳化矽襯底產業化的公司有天躍先進、北京天科和達半導體有限公司、山西碩科晶體有限公司、河北通光半導體有限公司等。
六、碳化矽基板的未來發展趨勢
提高生產效率和降低成本是碳化矽基板技術發展的核心方向，而增加基板尺寸是關鍵途徑。更大的基板尺寸意味著單位面積內可以製造更多晶片，從而降低平均晶片成本。
目前，4吋（100毫米）是半絕緣碳化矽基板的主流規格，而6吋（150毫米）是導電碳化矽基板的主流規格。考慮到成本和下游應用趨勢，6吋半絕緣碳化矽基板和8吋導電碳化矽基板將成為未來產業發展的關鍵方向。