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碳化硅晶片的用途和量產前景

2021-05-25 18:39:45 點擊數:

說起碳化硅晶片,大家也許會覺得很陌生。但在我們熟知的電動汽車和5G通信中,它卻發揮著舉足輕重的作用。5G之所以速度快,是因為它有一顆非常強大的心臟,這個心臟依賴的就是一片薄如紙的碳化硅晶片。雖然從外表看只是個小圓片,但作為目前全球最先進的第三代半導體材料,碳化硅晶片具有其他材料不具備的諸多優點,是制造高溫、高頻、大功率半導體器件的理想襯底。除電動汽車、5G通信外,在國防、航空航天等領域,碳化硅晶片也有著廣闊的應用前景,它的研究和應用極具戰略意義,有著不可替代的優勢,被視作國家新一代信息技術核心競爭力的重要支撐。5月12日,習近平總書記來到山西轉型綜合改革示范區政務服務中心改革創新展廳,了解示范區改革創新發展情況。位于示范區內的中國電科(山西)碳化硅材料產業基地,就是全國最大生產規模的碳化硅生產基地。


從長期依賴進口、被國外“卡脖子”,到掌握批量生產技術、實現完全自主供應,近年來,中國的碳化硅研制與生產成效卓著。這小小的晶片里蘊含著哪些創新技術?研發制造過程中又運用了哪些高超工藝?讓我們一探究竟。


晶片有什么用途?


每生產一輛電動汽車,至少要消耗一片碳化硅


厚度0.5毫米,約為5張A4紙的厚度;直徑4英寸或6英寸,和一張CD光盤差不多。這樣一個薄薄的圓片,就是碳化硅晶片。而就是這樣一個薄片,市場售價卻在2000美元左右,還經常是“一片難求”。


碳化硅晶片為何這么搶手?這還要從碳化硅這一材料說起。


碳化硅材料作為成熟的第三代半導體材料,具有耐高溫、大功率、高頻等天然優勢,在新能源汽車、智能電網、軌道交通、工業電機、5G通信等領域展現出極大的應用潛力,在許多戰略行業都有重要應用價值。與普通硅相比,碳化硅器件的耐壓性是同等硅器件的10倍。同時,碳化硅材料對電力的能耗極低,是一種理想的節能材料。如果按照年產40萬片碳化硅晶片算,僅僅應用在照明領域,每年減耗的電能就相當于節省2600萬噸標準煤。


記者了解到,目前,碳化硅制成的晶片主要應用在兩個方面。一個是作為襯底用于制作射頻器件,比如今年政府工作報告提到的新基建中的5G基站建設、城際高速鐵路、新能源汽車充電樁等。就5G基站建設來說,5G之所以傳輸速度快,是因為它有強大的5G芯片。而碳化硅晶片,就是5G芯片最理想的襯底。“現在咱們家里邊也有5G的一些小路由器,但它只是在室內,輻射距離很短,5G基站的輻射范圍至少要達到幾公里。這么高的功率,用碳化硅替代硅做射頻器件,就可以讓設備的體積做得更小,還能降低能量損耗、增加設備在惡劣環境下的可靠性。”山西碳化硅生產企業——中國電子科技集團公司(以下簡稱中電科)技術總監魏汝省介紹道。


碳化硅晶片的另一個作用是用于制造電力電子器件,比如三極管,主要的應用領域是電動汽車。魏汝省表示:“目前,電動汽車的續航還是個問題。如果用上碳化硅晶片的話,就能在電池不變的情況下,使汽車的續航力增加10%左右。雖然碳化硅在電動汽車上的應用才剛剛起步,尚在開發中,但每生產一輛電動汽車,至少要消耗一片碳化硅,所以發展前景廣闊。”


除了功能強大,碳化硅晶片之所以如此珍貴的另一個更為重要的原因,是碳化硅器件對工藝要求很高。其中,高穩定性的長晶工藝技術是其核心,原來只有美國等少數發達國家掌握,全球也僅有極少數企業能商業化量產。我國的碳化硅晶體研究起步較晚,20世紀90年代末才剛剛開始。但近年來,我國在碳化硅晶片領域奮力追趕,從基本原理研究和基礎實驗做起,逐漸掌握了碳化硅晶片技術,一步一步,從實驗室走向了產業化。2018年,中電科二所歷經11年艱苦攻關,在國內率先完成4英寸高純半絕緣碳化硅單晶襯底材料的工程化和6英寸高純半絕緣碳化硅單晶襯底的研發,一舉突破國外對我國碳化硅晶體生長技術的長期封鎖。如今,國內已經實現了6英寸碳化硅晶片和外延片的研制,晶體質量接近國際水平。


晶片制造難在哪里?


晶體中連頭發絲幾十分之一細的微管都不能有


“碳化硅具有十分穩定的特性,所以在一些惡劣環境下仍可穩定工作。也正是因為穩定的化學鍵,碳化硅生產的技術門檻非常高。”談起碳化硅晶片研制之難,中國科學院半導體研究所副所長張韻列舉了以下幾個方面,“碳化硅晶錠生長條件苛刻,需要高溫(~2600℃)和高壓(>350MPa)生長環境;晶體生長速度緩慢,產能有限,質量也相對不穩定;受到晶片生長爐尺寸限制,束縛了晶錠尺寸;碳化硅屬于硬脆材料,硬度僅次于金剛石,切割難度大,研磨精度難控制。”


要想生產出高質量的碳化硅晶片,必須攻克這些技術難關。“咱們國內就射頻器件方面一年就有10萬片的需求量,國外又對此類產品封鎖禁運,核心技術花錢是買不來的,只有自力更生,才能徹底解決被‘卡脖子’的問題。”中電科總經理李斌向記者介紹了碳化硅晶片的復雜生產過程,“把高純度的碳化硅粉料放到長晶爐里加熱到2000多攝氏度,讓顆粒直接汽化,再控制它重新結晶,長成一個直徑為4英寸或6英寸的圓餅狀晶錠。之后,我們用很多根直徑僅0.18微米的金剛石線,同時切下去,把晶錠切成一片一片的圓片。每一片圓片再放到研磨設備里,把兩邊磨平,最后進行拋光,得到透明玻璃片一樣的晶片。”


目前,生產碳化硅晶片的兩大關鍵技術是晶體生長和晶片的切割拋光。張韻表示,上游企業所生產的晶片尺寸和質量會影響下游碳化硅器件的性能、成品率及成本。只有把襯底質量做好了、成本降低了,才能讓下游的科研機構或者企業不再束手束腳,有更多的機會去多做器件級研究。


記者了解到,一個直徑4英寸的晶片一次可做成1000個芯片,而6英寸的晶片一次可做成3000個芯片,所以直徑大的晶片更有優勢。從2英寸到6英寸,其中的關鍵是擴晶技術。“碳化硅晶片是由一個種子開始一層層生長起來的,從2英寸長到3英寸再到6英寸。在這個生長過程中,晶體很容易出現缺陷。”中電科生產主管毛開禮說,“我們的一個指標叫微管,就是晶體中出現的大概只有頭發絲幾十分之一細的一個管狀孔洞,眼睛是看不到的。一旦出現微管,整個晶體就不合格了。由于溫度太高,沒辦法進行人工干預,所以整個生長過程就如同‘蒙眼繡花’,這恰恰是晶片最核心的技術。解決這個技術難題,我們用了七八年的時間。”


碳化硅晶片的加工也是一個艱難過程。毛開禮表示,晶片的粗糙度要求是表面起伏小于0.1納米,國內現在是采用化學和機械聯合的方式進行拋光。“從技術上來說,我們的一個圓片原來切完的話,可能是700-800微米厚,而最終產品要求是500微米,所以相當于要磨掉幾百微米?,F在我們通過技術改進,切完大概就是550微米,只需磨掉50微米左右,整個生產成本有了大幅降低。”


晶片量產前景如何?


600臺長晶爐、18萬片年產量,徹底擺脫進口依賴


今年3月,中國電科(山西)碳化硅材料產業基地在山西轉型綜合改革示范區正式投產,第一批設備正式啟動?;匾黄陧椖靠扇菁{600臺碳化硅單晶生長爐,項目建成后將具備年產10萬片4-6英寸N型碳化硅單晶晶片、5萬片4-6英寸高純半絕緣型碳化硅單晶晶片的生產能力,是目前國內最大的碳化硅材料產業基地。這一基地的啟動,將徹底打破國外對我國碳化硅封鎖的局面,實現碳化硅的完全自主供應。


在基地的碳化硅生產車間,白色的長晶爐一字排開,碳化硅晶片正在里面安靜生長。李斌介紹:“現在,咱們所使用的粉料合成設備、長晶爐,都是自己研發、自己生產的全國產化的設備。設備的配套產品和功能元器件能滿足長期、穩定、可靠使用的要求,同時節能效果好,具有連續工作高穩定性和良好精度保持性。”


對于國內半導體領域來說,產業化規模效應,不僅降低了碳化硅晶片的成本,也不斷促使碳化硅晶片質量提升。據李斌介紹,目前國際上碳化硅晶片的合格率最高是70%-80%,而原來國內實驗室生產的碳化硅晶片的合格率僅有30%。但在碳化硅產業基地,這個合格率可以達到65%。


實現這樣高的合格率,一個是靠先進的設備,一個是靠管理。毛開禮介紹:“我們把所有的工藝分成若干段,增加了大量的一線工人,每段每個人只干這一件事情,不僅效率會提高,而且出錯率也大幅降低,因為原來一個人要參與前前后后大概有三四十道工序,不利于專業化,出錯率就會很高。”


目前,基地已經實現4英寸晶片的大批量產,6英寸高純半絕緣碳化硅單晶襯底也已經開始工程化驗證,為客戶提供小批量的產品試用,預計年底達到產業化應用與國際水平相當。展望未來,李斌信心滿滿地說,“在碳化硅領域,我們要緊跟國際的腳步,因為目前我國在第三代半導體材料上跟國際的差距相對較小,我們要保證不能掉隊。習近平總書記說過,核心技術靠化緣是要不來的。在關鍵領域、卡脖子的地方要下大功夫?,F在我們在實現迅速研發的同時也進一步開展量產,三年內整個項目要達到18萬片每年的產能。另外,我們目前在進行8英寸晶片的研究,希望三年之后,我們能有8英寸的樣片出來。因為晶片是整個碳化硅產業鏈的上游,要走到器件研究的前面。”

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