碳化硅行业专题分享单晶生长

碳化硅行业专题分享:单晶生长-CONTENTS目录Page01,02,04,0506,03,07,08,碳化硅行业专题分享:单晶生长.pdf一、概述碳化硅行业专题分享:单晶生长.pdf一、概述SiC(碳化硅)是由碳元素和硅元素组成的一种化合物半导体材料，是制作高温、高频、大功率、高压器件的理想材料之一。SiC具有优良的电子特性，比传统的硅材料具有更高的电子迁移率、耐高温、抗辐射等特点，因此被广泛应用于高功率电子器件、光电子器件和传感器等领域碳化硅从材料到半导体功率器件会经历单晶生长、晶锭切片、外延生长、晶圆设计、制造、封装等工艺流程。晶体生长为碳化硅衬底制造最核心工艺环节，决定了碳化硅衬底的电学性质碳化硅行业专题分享:单晶生长.pdfPage2二、SiC单晶生长技术发展历程由于原料中含有的杂质多，Acheson法结晶完整性较差。使用Lely法可以对SiC进行可控掺杂。但该方法生长的单晶尺寸较小，而且不能控制特定单一晶型的晶体生碳化硅行业专题分享:单晶生长.pdf长。直到1978年前苏联科学家提出了采用籽晶升华法来生长SiC单晶，这一方法的提出使得SiC晶体生长迎来了高速发展。这种方法又称为物理气相传输法(PVT法)。PVT法已成为目前生长大尺寸、高质量SiC体单晶的最为成熟方法。Ziegler和Augustine等人先后对PVT法做了改进生成了高温化学气相沉积法和液相法，使之更适合生长大尺寸、高质量的SiC晶体碳化硅行业专题分享:单晶生长.pdf目前国际主流长晶方法为PVT法，液相法工艺在5年内无法大规模应用(涉及到助溶剂杂质如何去除的问题)碳化硅行业专题分享:单晶生长.pdf三、晶型分类目前已发现的碳化硅晶型就多达200多种。常见的碳化硅晶型有4H、6H、3C和15R等，其中C、H和R分别表示其晶体结构属于立方晶系、六方晶系和三方晶系的菱面体R格子。下表是对四种常见晶型的介绍目前，大部分衬底厂家使用的碳化硅晶型为4H、6H碳化硅行业专题分享:单晶生长.pdf四、长晶技术碳化硅的单晶生产方式主要有物理气相传输法(PVT)、高温气相化学沉积法(HT-CVD)、液相法(LPE)等方法，目前商用碳化硅单晶生长主流方法为相对成熟的PVT法，液相法也在快速发展中下表对比了三种长晶方式的原理、优点、缺点碳化硅行业专题分享:单晶生长.pdf等物理气相传输(PVT)是最成熟的制备方法由于设备简单，操作易控制，运行成本低等优点，国外厂商Wolfspeed、II-VI、SiCrystal，国内厂商天岳先进、天科合达、晶升股份均选择PVT法制备碳化硅晶体但其由于生长系统稳定性不佳、晶体生长效率低、易产生标晶型杂乱以及各种结晶缺陷等严重质量问题，从而成本较高碳化硅行业专题分享:单晶生长.pdfLPE法可以大幅降低生产温度、提升生产速度，且在此方法下熔体本身更易扩型，晶体质量亦大为提高，因而被认为是碳化硅材料走向低成本的较好路径，有积极的发展空间。主要技术挑战是生长速率和结晶质量的平衡。日本的住友金属公司采用LPE方法HTCVD法生长晶体纯度较高、可实现近匀速晶体生长，但良率较低、长晶成本较碳化硅行业专题分享:单晶生长.pdf高。其主要技术挑战是沉积温度的控制。意法半导体和丰田集团采用HTCVD方法Page3碳化硅行业专题分享:单晶生长.pdf五、原材料制备碳化硅的主要的原材料是高纯的碳粉和硅粉，粉料是晶体生长的原料来源。将高纯的硅粉+碳粉(5-6N纯度)按配方合成碳化硅多晶颗粒，其颗粒度、纯度都会直接影响晶体质量，特别是半绝缘衬底的制备过程中，对于粉料的纯度要求极高(杂质含量低于0.5ppm)，在2000℃以上的高温条件下于应腔室内进行反应，合成特定晶型和颗粒度的碳化硅颗粒。再经过破碎、筛分、清洗等工序，制得满足晶体生长要求的高纯度碳化硅粉原料碳化硅行业专题分享:单晶生长.pdf上图是天岳先进采购碳粉、硅粉的价格走势，可以看到，在2021年碳粉采购价格在200多元/千克，硅粉价格大约为100多元/千克。天岳先进原材料向外资供应商采购金额占主要原材料采购总额的比例大约在65-75%区间，其中碳粉、硅粉已基本实现国产化，单价逐年下降碳化硅行业专题分享:单晶生长.pdf当前国外主要厂商包括Cree、Aymont等，合成粉体纯度可达99.9995％。国内主要单位包括中国电科二所、山东天岳、天科合达和中科院硅酸盐所等单位，纯度一般可达到99.999％、部分单位可达99.9995％除了高纯碳粉和高纯硅粉比较重要，在碳化硅晶体生长过程中的消耗件也很重要，从天科合达和天岳先进的原料采购披露中可知石墨件和石墨毡等石墨制品耗材占比十分可观。消耗件的供应商主要就是楚江新材、金博股份等碳化硅行业专题分享:单晶生长.pdfPage4碳化硅行业专题分享:单晶生长.pdf六、长晶设备长晶炉是碳化硅晶体生长的核心设备，与传统晶硅级长晶炉有相同性，炉子结构不是非常复杂，主要由炉体、加热系统、线圈传动机构、真空获得及测量系统、气路系统、降温系统、控制系统等组成，其中的热场和工艺条件决定了碳化硅晶体的质量、尺寸、导电性能等关键指标根据加热方式不同，长晶炉又可以分为感应式与电阻式碳化硅行业专题分享:单晶生长.pdf感应加热具有投资低、结构简单、维护便利、热效率高等优点，已被行业广泛使用向。目前国际主流技术是感应加热、电阻加热并行，国内主流技术是感应加热。下表是感应法和电阻法的对比电阻式由于可以精准控温，有利于提升晶体生长速率和生长尺寸，被视为碳化硅长晶炉工艺改善的主要方综合而言，因为后续切磨抛的步骤也会有损耗，整体电阻式在6英寸晶体出片上的01020304碳化硅行业专题分享:单晶生长.pdf1综合成本(结合设备价格、良率、能耗、生长周期等)相比会略微优于感应法2国内碳化硅单晶炉厂商包括晶升股份、北方华创等专业晶体生长设备供应商，以及采用自研/自产设备供应模式的碳化硅衬底材料厂商，目前已经实现了较好的国产化3目前国内碳化硅单晶炉设备供应商目前可分为三个梯队4第一梯队是北方华创、晶升股份、优晶光电，其中北方华创和晶升股份主要是感应式的长晶炉，优晶光电为电阻式碳化硅行业专题分享:单晶生长.pdf晶升有在研制电阻式的项目，预计在25年初开始量产北方华创目前已经累计出货千余台长晶炉，晶升股份已累计出货500余台且预计建设新厂房，未来分别能增加400、700台/年各种单晶炉产能第二梯队是宁波恒普、沈阳中科汉达等开始小批量供应。露笑科技也有对外销售碳化硅行业专题分享:单晶生长.pdf第三梯队是连城数控、科友半导体、山东力冠、厦门天三、上海汉虹等多数处于样机开发及验证阶段。目前连城数控的6英寸碳化硅感应长晶炉项目已取得客户现场验证，电阻炉已实现小批量订单Wolfspeed、II-VI以及罗姆等国际主要碳化硅材料厂商使用的晶体生长设备均主要为自行研发生产；其他国际主流厂商主要通过向国际晶体生长设备供应商(如德国PVA、日本日新技研等)采购的方式实现设备供应碳化硅长晶炉碳化硅行业专题分享:单晶生长.pdf七、行业痛点碳化硅长晶环节主要存在四点难点碳化硅行业专题分享:单晶生长.pdf(1)长晶速度慢碳化硅生长速度仅有0.3-0.5mm/h，且晶体最大长度仅能达到2-5cm，与硅基衬底有着较大的差异碳化硅行业专题分享:单晶生长.pdf(2)良率低长晶过程完全处于高温的密闭石墨腔体中完成，非常依赖厂商的工艺经验。生长周期长、控制难度大等问题导致晶体生长环节难度大、良率低、产量小(3)特定晶型生长难度大碳化硅晶体的生长温度在2300°C以上，对温度和压力的控制要求高；此外，碳化硅有250多种同分异构体，其中4H-SiC为主流，因此需要严格控制硅碳比、生长温度梯度及气流气压等参数才能生长出理想晶体(4)碳化硅缺陷密度去除工艺壁垒"高"碳化硅行业专题分享:单晶生长.pdf1碳化硅单晶生长热场存在温度梯度，导致晶体生长过程中存在原生内应力及由此2产生的位错、层错等缺陷，其可靠性备受关注3针对以上四大难点，日本住友金属研发了一种所谓MPZ(多参数和区域控制)液相技术。目前最新的研究进展是生长了高质量、低成本6英寸SiC，SiC长晶速度提高4了5倍左右，消除了表面缺陷和基平面位错，无缺陷区(DFA)达到99%碳化硅行业专题分享:单晶生长.pdf相比PVT法，SiC长晶速度提高了5倍左右，相比普通的LPE法速度提升了200倍武汉新硅科技潜江有限公司将开展"以甲基硅烷为原料的CVD法沉积碳化硅晶体技术"以解决现有难点Page6碳化硅行业专题分享:单晶生长.pdf八、国内外技术水平对比上表为PVT法国内外对比。目前PVT法已经发展成熟，其加工的尺寸已经实现6寸，目前正在向8寸发展，国内大多数企业处于6寸量产，8寸研发或小批量量产阶段，无法实现8寸大规模量产化；国外市场上，Wolfspeed已实现8英寸碳化硅量产，其他企业则将8英寸碳化硅衬底的量产节点定在2023-2024年左右上表为LPE法国内外对比。目前，液相碳化硅晶体生长的研发主要集中在日本、韩碳化硅行业专题分享:单晶生长.pdf国和中国，最新的研究进展是生长了高质量、低成本6英寸SiC，SiC长晶速度提高了5倍左右，消除了表面缺陷和基平面位错，无缺陷区(DFA)达到99%目前日本某大学已实现了7英寸碳化硅晶体的生长国内也已实现了6英寸晶体的生长，并在逐步提升晶体品质Page7碳化硅行业专题分享:单晶生长.pdf下表列举对比了三种长晶方法的最新的生长速度以及良率情况如今，国内生产的碳化硅单晶直径已广泛达到6英寸，但其厚度通常在20到30mm之间，与国际上主流碳化硅生长水平还有一定差距，导致我们从一个碳化硅晶锭中切割得到的衬底数量相当有限在良率方面，国内使用PVT技术路线生成的碳化硅衬底良率在50%左右，使用LPE技术路线的良率虽然能提升至75%左右，但是与Wolfspeed等海外龙头85%的良率仍存在较大差距九、最新行业水平及规模碳化硅行业专题分享:单晶生长.pdf上表显示的是各家衬底公司的现有产能和26年的产能规划，据不完全统计，国内碳化硅衬底现有产能约为61万片/年近几年，国内碳化硅衬底产能将快速扩张，新增产能预计在2026年底前全部达产，其中新增产能约为532万片/年-574万片/年。由此将为北方华创、丰港化学、晶升股份、以及连城数控等碳化硅长晶炉厂商带来需求增量碳化硅行业专题分享:单晶生长.pdf根据未来衬底厂商的产能以及以下假设，可以测算出23-26年碳化硅单晶炉市场空间约96.25亿元，设备需求预计将于未来四年内陆续释放(1)国内碳化硅衬底现有产能约61万片/年，至2026年，国内产能增量在532万片-574万片之间，取中间数550万片(2)根据晶升股份招股说明书，设备单价为60-110万元，假设设备均价70万碳化硅行业专