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碳化硅元件的市場(chǎng)發(fā)展關(guān)鍵:晶圓制造

2018-10-10

相較于硅(Si),采用碳化硅(SiC)基材的元件性能優(yōu)勢(shì)十分的顯著,尤其是在耐高壓與耐高溫的性能上,然而,這些優(yōu)勢(shì)卻始終未能轉(zhuǎn)換成市場(chǎng)規(guī)模,讓這個(gè)問(wèn)世已十多年的高性能元件一直束之高閣。主要的原因就出在碳化硅晶圓的制造和產(chǎn)能的不順暢。

 

由于物理的特性,碳化硅材料擁有很高的硬度,目前僅次于金剛石,因此在生產(chǎn)上勢(shì)必要在高溫與高壓的條件下才能生產(chǎn),一般而言,需要在2000°C以上高溫(硅晶僅需在1500°C),以及350MPa以上才能達(dá)成。若透過(guò)添加一些特殊的助燒劑,或者氣體沉積的方式,則可使碳化硅燒成溫度降到2000°C左右,且在常壓就能進(jìn)行。

 

     高溫、速度慢碳化硅長(zhǎng)晶制程難度十足

 

而目前已在使用的長(zhǎng)晶技術(shù)則包含高溫化學(xué)氣象沉積法(HTCVD),與高溫升華法(HTCVT)兩種。

 

依據(jù)目前的硅晶業(yè)者的生產(chǎn)情況,一般而言,生產(chǎn)8吋的硅晶棒,需要約2天半的時(shí)間來(lái)拉晶,6吋的硅晶棒則需要約一天。接著,待晶棒冷卻之后,再進(jìn)行晶圓的切片和研磨。

 

 

至于碳化硅晶圓,光長(zhǎng)晶的時(shí)間,就約需要7至10天,而且生成的高度可能只有幾吋而已(硅晶棒可達(dá)1至2米以上),再加上后續(xù)的加工制程也因?yàn)橛捕鹊挠绊懚鄬?duì)困難,因此其產(chǎn)能十分有限,品質(zhì)也不穩(wěn)定。

 

由于碳化硅的生產(chǎn)瓶頸尚未解決,原料晶柱的品質(zhì)不穩(wěn)定,造成整體市場(chǎng)無(wú)法大規(guī)模普及。相較于硅晶,碳化硅的功能性更好,在導(dǎo)熱、延展性和導(dǎo)電性方面都有很好的表現(xiàn),投入的業(yè)者也很多。但幾年過(guò)去,市場(chǎng)規(guī)模依舊十分有限,并沒(méi)有出現(xiàn)大的進(jìn)展,主要的原因就在于原料晶柱的品質(zhì)不穩(wěn)定,造成沒(méi)有足夠的晶圓來(lái)供應(yīng)市場(chǎng)。

 

      晶圓短缺與設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)不足影響碳化硅終端芯片發(fā)展

 

然而,最近這五年,碳化硅又開(kāi)始受到重視,主要就是在電動(dòng)車(chē)這類(lèi)需要高功率元件的應(yīng)用陸續(xù)浮出臺(tái)面,讓人們意識(shí)到碳化硅元件在耐高壓方面的優(yōu)勢(shì)。

 

碳化硅晶圓在去年有一個(gè)高潮,主要的原因就是硅晶(Si)材料的短缺,因此有部分的業(yè)者轉(zhuǎn)向使用碳化硅。但隨著硅晶的供需趨穩(wěn),碳化硅又再回到先前的局面。

 

碳化硅晶圓的生產(chǎn)具有一定的技術(shù)難度,目前全球僅約有三、四家業(yè)者Cree、Norstel、新日鐵住金等)能提供穩(wěn)定的產(chǎn)量。中國(guó)雖然已著手自產(chǎn),但在品質(zhì)方面尚未能趕上美日,因此全球的產(chǎn)能仍十分有限,目前市場(chǎng)也仍是處于短缺的狀況。這也說(shuō)明了現(xiàn)今整個(gè)碳化硅半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的情況,不僅上游晶圓的價(jià)格無(wú)法松動(dòng),連帶終端芯片的價(jià)格也難以讓多數(shù)業(yè)者接受。

 

另一個(gè)發(fā)展限制,則是在碳化硅元件的應(yīng)用與設(shè)計(jì)上。由于硅晶圓問(wèn)世已久,而且行之有年,有非常完整的工具與技術(shù)支撐,因此絕大多數(shù)的芯片工程師只熟悉硅元件的芯片開(kāi)發(fā),但對(duì)于碳化硅元件的性能與用途,其實(shí)不怎么清楚。

 

工程師對(duì)碳化硅元件本身的性能就已經(jīng)不太清楚,再加上晶圓品質(zhì)的不穩(wěn)定,導(dǎo)致元件的良率與可靠度不足,讓整個(gè)的產(chǎn)業(yè)發(fā)展非常緩慢。

 

雖然碳化硅的發(fā)展仍十分緩慢,但其優(yōu)異的性能優(yōu)勢(shì),依然是吸引了部分的業(yè)者持續(xù)深耕,中國(guó)便是其中最主要的投入者,甚至將之列為重點(diǎn)國(guó)家政策之一。


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