PVT法是当前用于SiC单晶生长的主流技术,通过高温升华碳化硅原料并重新结晶,生产SiC单晶。尽管PVT法技术成熟,但其仍存在若干技术难点和挑战:
缺陷控制:SiC晶体在生长过程中容易产生微管、位错等缺陷,这些缺陷会影响功率器件的性能。为了降低缺陷密度,需要优化坩埚设计以及生长参数,尤其是提高微管和位错的控制。
晶体扩径问题:随着对大尺寸SiC晶体需求的增加,扩径成为一个关键问题。尤其在8英寸及更大尺寸的晶体生长中,必须解决温场均匀性与应力控制等技术问题,确保晶体的质量。
相变抑制:SiC晶体拥有200多种晶型,如何精准控制生长条件,避免非目标晶型(如6H-SiC)的产生,是另一项技术挑战。
未来的SiC晶体生长技术将主要朝着以下几个方向发展:
液相法(LPE):液相法作为一种潜在的新技术路线,由于其生产衬底缺陷少、质量高,可能会成为未来的主流技术。目前,日本的Oxide公司已开始使用液相法生产8英寸SiC衬底,并计划进行样品交付。国内如天岳先进等厂商也正在积极布局液相法技术。
“可视化”晶体生长技术:通过将现有PVT法碳化硅晶体生长设备与X-ray测角仪、计算机断层扫描(CT)技术等先进设备结合,开发可视化碳化硅晶体生长技术。这将使得生长过程中的每一个细节都能实时监控和调整,从而更好地控制晶体质量。晶升股份已经研发成功了可视化的8寸电阻法碳化硅单晶炉,并在客户端进行了验证。
12英寸SiC晶体生长技术:随着对大尺寸衬底需求的增长,12英寸SiC晶体生长技术的突破显得尤为重要。12英寸衬底的生产将降低后续产品的成本,并促进SiC在更多应用领域的普及。天岳先进和烁科等公司在这一领域也已有相关技术进展。
Al+碳化硅晶体生长技术:通过利用人工智能(AI)技术与神经网络分析晶体生长数据,可以优化生长过程,提高生长效率并减少缺陷。这一技术有望在未来成为SiC晶体生长中的重要工具。
目前,碳化硅衬底厂商正在经历从6英寸到8英寸衬底的技术过渡。6英寸衬底技术已经相对成熟,但其生产成本较高,价格已大幅下降至2500-2800元(较2023年初下降超过40%)。与此相比,8英寸衬底技术的研发仍处于小批量生产阶段,且受限于良率和均匀性等问题,价格仍维持在8000-10000元之间。
随着竞争的加剧,许多中小型衬底厂商采取低价策略来争夺市场份额,这导致了严重的“内卷”,有可能出现低质量的衬底产品,进而影响下游应用厂商的产品质量与体验。长期低于成本的价格竞争可能使一些衬底厂商面临资金链断裂的风险,甚至导致破产清算。
在保证产品质量的前提下,降低成本是大厂实现持续发展的关键。大厂应努力推进8英寸衬底的规模化量产,以巩固市场份额,并为未来可能的12英寸衬底技术突破打下基础。对于中小厂商,建议聚焦8英寸衬底的技术突破,积极寻找有资金实力的战略合作伙伴,避免盲目跟风,过早投入12英寸衬底技术的开发。
最终,最早掌握8英寸衬底大规模量产的厂商将进一步巩固市场地位,迈向“从烧钱到赚钱”的转变,并有能力向12英寸技术发展,进一步提升产业竞争力。
随着全球半导体行业对碳化硅材料需求的不断增加,特别是在新能源汽车、5G通信和智能电网等领域,SiC衬底的生产技术将不断进步。未来,液相法、可视化技术、12英寸技术等新技术将成为行业的重要发展方向。衬底厂商应警惕低价内卷,并专注于技术创新与生产效率提升,才能在竞争激烈的市场中立于不败之地。