文章轉(zhuǎn)載自：化合物半導(dǎo)體市場 

相較于硅（Si），采用碳化硅（SiC）基材的元件性能優(yōu)勢十分的顯著，尤其是在高耐壓與耐高溫的性能上，然而，這些優(yōu)勢卻始終未能轉(zhuǎn)換成市場規(guī)模，讓這個問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、速度慢碳化硅長晶制程難度十足

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

以臺灣磊拓科技所代理的設(shè)備為例，旗下代理的PVA TePla品牌的SiCube單晶長晶爐，能夠提供HTCVD和HTCVT這兩種長晶法，其工作溫度皆需2600°C ，而工作壓力則落在5至900 mbar。

雖然有長晶設(shè)備，但碳化硅晶圓的生產(chǎn)仍是十分困難，不僅是因?yàn)楫a(chǎn)能仍十分有限，而且品質(zhì)十分的不穩(wěn)定。

以目前良率*高的HTCVD法為例，它是以攝氏1500至2500度的高溫下，導(dǎo)入高純度的硅烷（silane；SiH4）、乙烷（ethane）或丙烷（propane），或氫氣（H2）等氣體，在生長腔內(nèi)進(jìn)行反應(yīng)，先在高溫區(qū)形成碳化硅前驅(qū)物，再經(jīng)由氣體帶動進(jìn)入低溫區(qū)的籽晶端前沉積形成單晶。

然而，HTCVD技術(shù)必須精準(zhǔn)的控制各區(qū)的溫度、各種氣體的流量、以及生長腔內(nèi)的壓力，才有辦法得到品質(zhì)精純的晶體。因此在產(chǎn)量與品質(zhì)上仍是待突破的瓶頸。

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щy，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，造成整體市場無法大規(guī)模普及。」瀚天天成電子科技銷售副總裁司馬良亮，一語點(diǎn)出目前的市場困境。

瀚天天成電子科技（廈門）有限公司是中國一家具備碳化硅晶圓研發(fā)、生產(chǎn)與銷售外延芯片的中美合資企業(yè)。該公司于2011年3月在廈門成立，并已建置完整的現(xiàn)代化生產(chǎn)廠房，包含碳化硅晶圓長晶爐和各種進(jìn)高階檢測設(shè)備，該公司也于2012年3月開始接受商業(yè)化碳化硅半導(dǎo)體晶圓訂單，為中國第1家提供產(chǎn)業(yè)化3吋至6吋碳化硅半導(dǎo)體晶圓的制造商。

司馬良亮表示，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。但幾年過去，市場規(guī)模依舊十分有限，并沒有出現(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，造成沒有足夠的晶圓來供應(yīng)市場。

「只要長晶過程中的溫度和壓力有一些失誤，那好幾天的心血可能就都會為烏有。」司馬良亮說。

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，碳化硅又開始受到重視，主要就是在電動車這類需要高功率元件的應(yīng)用陸續(xù)浮出臺面，讓人們意識到碳化硅元件在耐高壓方面的優(yōu)勢。

司馬良亮指出，碳化硅晶圓在去年有一個高潮，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。

他解釋，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，目前市場也仍是處于短缺的狀況。這也說明了現(xiàn)今整個碳化硅半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的情況，不僅上游晶圓的價(jià)格無法松動，連帶終端芯片的價(jià)格也難以讓多數(shù)業(yè)者接受。

另一個發(fā)展限制，則是在碳化硅元件的應(yīng)用與設(shè)計(jì)上。司馬良亮表示，由于硅晶圓問世已久，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發(fā)，但對于碳化硅元件的性能與用途，其實(shí)不怎么清楚。

他甚至用，「博士」和「小學(xué)生」，來對比目前硅晶與碳化硅之間的知識落差。也因?yàn)橛羞@樣的知識上的落差，造成碳化硅元件在發(fā)展上更加緩慢。

「工程師對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，讓整個的產(chǎn)業(yè)發(fā)展非常緩慢。」司馬良亮說道。

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，依然是吸引了部分的業(yè)者持續(xù)深耕，中國便是其中最主要的投入者，甚至將之列為重點(diǎn)國家政策之一。

看好未來需求中國定調(diào)碳化硅為國家重點(diǎn)產(chǎn)業(yè)

目前中國已組成中國寬禁帶功率半導(dǎo)體及應(yīng)用產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟（中寬聯(lián)），并接受中國工信部的委托，積極推行《寬禁帶功率半導(dǎo)體標(biāo)準(zhǔn)》，其中《功率器件用碳化硅同質(zhì)晶圓》標(biāo)準(zhǔn)是便是中寬聯(lián)主推的9項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)之一。

市調(diào)單位同樣也看好碳化硅的未來發(fā)展，根據(jù)TrendForce旗下拓墣產(chǎn)業(yè)研究院的預(yù)測，2018年全球SiC基板產(chǎn)值將達(dá)1.8億美元，而GaN基板產(chǎn)值僅約300萬美元。

拓墣產(chǎn)業(yè)研究院也指出，相較目前主流的硅晶圓，第三代半導(dǎo)體材料SiC及GaN除了耐高電壓的特色外，也分別具備耐高溫與適合在高頻操作下的優(yōu)勢，不僅可大幅減少芯片面積，并能簡化周邊電路設(shè)計(jì)，達(dá)到減少模組、系統(tǒng)周邊的元件及冷卻系統(tǒng)的體積。

不過，SiC材料仍在驗(yàn)證與導(dǎo)入階段，在現(xiàn)階段車用領(lǐng)域僅應(yīng)用于賽車上。而看好5G商轉(zhuǎn)與汽車電子的進(jìn)一步成長，拓墣產(chǎn)業(yè)研究院預(yù)期，SiC基板未來五年在通過車廠驗(yàn)證，以及2020年5G商轉(zhuǎn)的帶動下，將進(jìn)入高速成長期。

拓墣產(chǎn)業(yè)研究院還指出，隨著應(yīng)用需求的逐步成長，供應(yīng)鏈已漸漸發(fā)展出晶圓代工模式，以提供客戶SiC及GaN的代工業(yè)務(wù)服務(wù)，改變過去僅由Cree、Infineon、Qorvo等整合元件大廠供應(yīng)的狀況。

然而，拓墣產(chǎn)業(yè)研究院也提及，碳化硅硬度極高，若以傳統(tǒng)Dicing進(jìn)行切割，生產(chǎn)效率極低，同時(shí)晶粒品質(zhì)不佳；而雷射切割則有粉塵、設(shè)備成本極高、光源不穩(wěn)定等問題。因此碳化硅晶粒想要邁向量產(chǎn)，就必須先解決切割技術(shù)的問題。

2023年碳化硅元件的應(yīng)用與品質(zhì)才能成熟

司馬良亮也呼應(yīng)這個說法，他認(rèn)為，碳化硅是在1200V以上的高壓有十分顯著的優(yōu)勢，非常適合運(yùn)用在電動車這類的應(yīng)用上；GaN則是落在600V至1000V區(qū)間的應(yīng)用上。

但對于碳化硅市場的發(fā)展時(shí)程，他則是持相對保守的意見。他指出，目前碳化硅在臺灣的發(fā)展仍是比較慢，投入與采用的業(yè)者都不多，因此仍待時(shí)間觀察。至于晶圓材料產(chǎn)能的問題，他則認(rèn)為還需要三年才能改善基板短缺情況，而生產(chǎn)的質(zhì)量則仍需五年才能改善。而在終端的應(yīng)用上，則需到2022年左右才會有更多的應(yīng)用出現(xiàn)。