与衬底一同崛起：中国碳化硅衬底产业链的崛起
1. 引言 碳化硅
碳化硅（SiC）是一种人工合成的碳化物，化学式为SiC，分子量为40。它的密度为3.22 g/cm³，熔点高达2700°C，莫氏硬度为9.2-9.8，仅次于金刚石。
作为第三代半导体材料，碳化硅是制造高温、高频、高功率和高压器件的理想材料之一。与传统的硅（Si）相比，碳化硅的带隙宽3倍，导热系数高3倍，击穿电场强度高10倍，电子饱和漂移速率高2倍。
因此，基于碳化硅的半导体器件不仅能在更高的温度下稳定工作，适用于高压高频应用场景，而且还能以更低的能量损耗实现更高的工作效率。下表列出了三代半导体材料的关键参数对比。
2. 类型 碳化硅衬底s
基板是半导体芯片的基础材料，主要提供物理支撑、导热和导电功能。
根据工业和信息化部发布的《重点新材料首次应用示范指导目录（2019版）》，碳化硅衬底根据其电性能可分为两类：一类是电阻率≥10⁵ Ω·cm的半绝缘碳化硅衬底；另一类是电阻率介于15–30 mΩ·cm之间的导电碳化硅衬底。外延生长后，这两类衬底分别用于制造射频器件和功率器件。
二、碳化硅材料产业链
以碳化硅材料为衬底的产业链主要包括衬底制备、外延生长、器件制造和下游应用。
基板是碳化硅产业链中技术壁垒最高、价值占比最大的环节，也是推动碳化硅未来大规模产业化发展的关键。在成本结构中， 碳化硅器件s，底物占比高达 46%。
半绝缘碳化硅衬底主要用于制造氮化镓（GaN）射频器件，最终应用于5G通信和国防等领域。在该衬底上生长氮化镓外延层可得到GaN/SiC外延晶片，进而用于制造GaN射频器件。
导电碳化硅衬底主要用于制造功率器件，终端市场包括电动汽车、新能源、轨道交通等。
与传统的硅基功率器件的制造工艺不同，碳化硅功率器件需要先在导电衬底上生长碳化硅外延层，形成碳化硅外延晶片，然后在外延层上制造各种功率器件。
三、碳化硅衬底生产工艺
碳化硅衬底的制备过程复杂且技术难度高，涉及的具体步骤包括：原材料合成、晶体生长、锭加工、锭块切割、晶圆研磨、晶圆抛光、晶圆检测和晶圆清洗。
1. 原料合成
将高纯度硅粉和高纯度碳粉按一定比例均匀混合，在温度超过2000℃的高温反应室中合成具有特定晶体结构和粒径的碳化硅颗粒。经过破碎、筛分和清洗等工序，最终得到满足晶体生长要求的高纯度碳化硅粉末原料。
2. 晶体生长
晶体生长是碳化硅衬底制造中最具技术难度的步骤，它直接决定了衬底的电学性能。目前主流的晶体生长方法包括物理气相传输（PVT）法、高温化学气相沉积（HTCVD）法和液相外延（LPE）法。
其中，PVT法是目前商用SiC衬底生产的主流工艺，技术成熟，应用广泛。LPE法被认为是未来潜在的工艺发展方向。
（1）物理气相传输（PVT）
采用PVT法生长SiC晶体时，将高纯度碳化硅微粉和籽晶分别置于单晶生长炉内石墨坩埚的底部和顶部，从而形成轴向温度梯度。碳化硅微粉在高温下升华成Si₂C、SiC₂和Si等气态组分，这些组分在温度梯度的作用下被输送到籽晶处成核结晶，最终形成碳化硅锭。
PVT 方法的生长成本相对较低，但目前面临的主要挑战是获得高纯度 SiC 原材料，因为痕量杂质会显著影响晶体纯度。
（2）高温化学气相沉积（HTCVD）
高温化学气相沉积法（HTCVD）是将硅烷、乙烷/丙烷和氢气等高纯度气体从反应器底部引入。这些气体首先在高温区反应生成碳化硅前驱体，然后碳化硅前驱体随气流进入低温区沉积在籽晶上，形成碳化硅晶体。
该方法的优势在于能够精确控制Si/C比，从而实现高纯度、高质量晶体的连续生长。尽管其设备成本高于PVT法，且应用尚未普及，但HTCVD法制备的晶体缺陷少、质量高、杂质含量低，因此日益受到关注。
（3）液相外延（LPE）
在液相外延（LPE）法中，将碳化硅籽晶固定在籽晶棒的前端。石墨坩埚内装有硅原料和少量掺杂元素，加热至高于硅熔点（1500–1700°C）使其熔化。通过旋转籽晶或反向旋转坩埚，确保碳和掺杂元素在熔体中均匀分布。然后，通过缓慢冷却，使溶液达到过饱和状态，从而在籽晶上生长出碳化硅晶体。
LPE 方法可以实现可控的径向生长，并能生产出没有微管缺陷的晶体，但生长成本相对较高。
3. 锭块加工
利用X射线单晶取向仪对碳化硅锭进行取向。然后通过精密机械加工将其磨平并打磨成标准直径和角度的碳化硅锭。所有锭件均需进行尺寸和角度检验。
4. 法式圆面包切片
在预留后续加工余量的情况下，使用金刚石线锯将晶锭切割成不同厚度的晶圆。采用全自动检测设备检测表面形状参数，例如翘曲、弓形和总厚度变化（TTV）。
5. 晶圆切片研磨
使用专用研磨浆料将切割后的晶圆减薄至指定厚度，去除表面导线痕迹和损伤。所有切割后的晶圆均使用全自动测试设备和非接触式电阻率测试仪进行表面形状和电性能检测。
6. 研磨晶圆抛光
使用特定的抛光浆料对研磨后的晶圆进行机械抛光和化学抛光，以消除表面划痕、降低粗糙度、消除加工应力，从而达到纳米级的表面平整度。
使用X射线衍射仪、原子力显微镜、表面平整度测试仪和综合表面缺陷测试仪等设备对各项参数进行检测。抛光晶圆的质量等级根据这些测量结果确定。
7. 抛光晶圆清洗
在100级洁净室中，抛光后的晶圆使用特定的化学试剂和去离子水进行清洗，以去除表面颗粒、金属离子和有机污染物。旋压干燥后，晶圆被封装在洁净的晶圆盒中，最终形成碳化硅衬底。
四、碳化硅衬底市场规模快速增长
根据王功岩的数据，2022年全球碳化硅衬底市场规模达到7.54亿美元，同比增长27.8%。预计到2025年将增长至16亿美元。
2022年，全球导电碳化硅基板市场规模为5.12亿美元，占全球市场的67.9%；半绝缘碳化硅基板市场规模为2.42亿美元，占全球市场的32.1%，如下图所示。
五、碳化硅衬底市场的竞争格局
目前，全球导电碳化硅基板市场主要由国外制造商主导。
2020年，Wolfspeed在全球导电碳化硅基板市场占有62%的份额，前三大企业（CR3）合计占有89%的份额。在中国国内企业中，天科和达的市场份额为4%。导电碳化硅基板目前是中国进口替代的关键领域，具有广阔的市场潜力。
根据不完全统计，国内已实现碳化硅衬底产业化的公司有天跃先进、北京天科和达半导体有限公司、山西硕科晶体有限公司、河北通光半导体有限公司等。
六、碳化硅衬底的未来发展趋势
提高生产效率和降低成本是碳化硅衬底技术发展的核心方向，而增大衬底尺寸是关键途径。更大的衬底尺寸意味着单位面积内可以制造更多芯片，从而降低平均芯片成本。
目前，4英寸（100毫米）是半绝缘碳化硅基板的主流规格，而6英寸（150毫米）是导电碳化硅基板的主流规格。考虑到成本和下游应用趋势，6英寸半绝缘碳化硅基板和8英寸导电碳化硅基板将成为未来行业发展的关键方向。