碳化硅元件的市场发展关键:晶圆制造

2018-10-10

相较于硅(Si),采用碳化硅(SiC)基材的元件性能优势十分的显著,尤其是在耐高压与耐高温的性能上,然而,这些优势却始终未能转换成市场规模,让这个问世已十多年的高性能元件一直束之高阁。主要的原因就出在碳化硅晶圆的制造和产能的不顺畅。

 

由于物理的特性,碳化硅材料拥有很高的硬度,目前仅次于金刚石,因此在生产上势必要在高温与高压的条件下才能生产,一般而言,需要在2000°C以上高温(硅晶仅需在1500°C),以及350MPa以上才能达成。若透过添加一些特殊的助烧剂,或者气体沉积的方式,则可使碳化硅烧成温度降到2000°C左右,且在常压就能进行。

 

     高温、速度慢碳化硅长晶制程难度十足

 

而目前已在使用的长晶技术则包含高温化学气象沉积法(HTCVD),与高温升华法(HTCVT)两种。

 

依据目前的硅晶业者的生产情况,一般而言,生产8吋的硅晶棒,需要约2天半的时间来拉晶,6吋的硅晶棒则需要约一天。接着,待晶棒冷却之后,再进行晶圆的切片和研磨。

 

 

至于碳化硅晶圆,光长晶的时间,就约需要7至10天,而且生成的高度可能只有几吋而已(硅晶棒可达1至2米以上),再加上后续的加工制程也因为硬度的影响而相对困难,因此其产能十分有限,品质也不稳定。

 

由于碳化硅的生产瓶颈尚未解决,原料晶柱的品质不稳定,造成整体市场无法大规模普及。相较于硅晶,碳化硅的功能性更好,在导热、延展性和导电性方面都有很好的表现,投入的业者也很多。但几年过去,市场规模依旧十分有限,并没有出现大的进展,主要的原因就在于原料晶柱的品质不稳定,造成没有足够的晶圆来供应市场。

 

      晶圆短缺与设计经验不足影响碳化硅终端芯片发展

 

然而,最近这五年,碳化硅又开始受到重视,主要就是在电动车这类需要高功率元件的应用陆续浮出台面,让人们意识到碳化硅元件在耐高压方面的优势。

 

碳化硅晶圆在去年有一个高潮,主要的原因就是硅晶(Si)材料的短缺,因此有部分的业者转向使用碳化硅。但随着硅晶的供需趋稳,碳化硅又再回到先前的局面。

 

碳化硅晶圆的生产具有一定的技术难度,目前全球仅约有三、四家业者Cree、Norstel、新日铁住金等)能提供稳定的产量。中国虽然已着手自产,但在品质方面尚未能赶上美日,因此全球的产能仍十分有限,目前市场也仍是处于短缺的状况。这也说明了现今整个碳化硅半导体产业的情况,不仅上游晶圆的价格无法松动,连带终端芯片的价格也难以让多数业者接受。

 

另一个发展限制,则是在碳化硅元件的应用与设计上。由于硅晶圆问世已久,而且行之有年,有非常完整的工具与技术支撑,因此绝大多数的芯片工程师只熟悉硅元件的芯片开发,但对于碳化硅元件的性能与用途,其实不怎么清楚。

 

工程师对碳化硅元件本身的性能就已经不太清楚,再加上晶圆品质的不稳定,导致元件的良率与可靠度不足,让整个的产业发展非常缓慢。

 

虽然碳化硅的发展仍十分缓慢,但其优异的性能优势,依然是吸引了部分的业者持续深耕,中国便是其中最主要的投入者,甚至将之列为重点国家政策之一。


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