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碳化硅晶圆产能有限,供不应求将成常态?

2018-10-08
关键词: 碳化硅 碳化硅晶圆

  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,尤其是在高压与高频的性能上,然而,这些优势却始终未能转换成市场规模,主要的原因就出在碳化硅晶圆的制造和产能的不顺畅。

  由于碳化硅需要在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。

  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。」瀚天天成电子科技销售副总裁司马良亮,一语点出目前的市场困境。

  司马良亮表示,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。

  「只要长晶过程中的温度和压力有一些失误,那好几天的心血可能就都会为乌有。」司马良亮说。

  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。

  SiC晶圆生长,难在哪里?

  在现已开发的宽禁带半导体中,碳化硅(SiC)半导体材料是研究最为成熟的一种。SiC半导体材料由于具有宽禁带、高击穿电场、高热导率、高饱和电子迁移率以及更小的体积等特点,在高温、高频、大功率、光电子以及抗辐射器件等方面具有巨大的应用潜力。

  碳化硅的应用范围十分广泛:由于具有宽禁带的特点,它可以用来制作蓝色发光二极管或几乎不受太阳光影响的紫外线探测器;由于可以耐受的电压或电场八倍于硅或砷化镓,特别适用于制造高压大功率器件如高压二极管、功率三极管、可控硅以及大功率微波器件;由于具有高饱和电子迁移速度,可制成各种高频器件(射频及微波);碳化硅是热的良导体, 导热特性优于任何其它半导体材料,这使得碳化硅器件可在高温下正常工作。

  和现行主流的硅(Si)制电源控制芯片相比,SiC制电源控制芯片拥有更优异的耐高温、耐电压和大电流特性。而除了原有的电源用途之外,SiC电源控制芯片也加快应用至车用用途。除铁道车辆的逆变器(inverter)模组之外,在需求急速成长的电动车(EV)市场上,车用充电器及急速充电站也持续转用SiC电源控制芯片。

  在SiC制备过程中,晶圆生产是一个很艰难的操作。

  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。

  以台湾磊拓科技所代理的设备为例,旗下代理的PVA TePla品牌的SiCube单晶长晶炉,能够提供HTCVD和HTCVT这两种长晶法,其工作温度皆需2600°C ,而工作压力则落在5至900 mbar。

  虽然有长晶设备,但碳化硅晶圆的生产仍是十分困难,不仅是因为产能仍十分有限,而且品质十分的不稳定。

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  图1 : 碳化硅与硅晶的生产条件比较。(制图/CTIMES)

  以目前良率最高的HTCVD法为例,它是以摄氏1500至2500度的高温下,导入高纯度的硅烷(silane;SiH4)、乙烷(ethane)或丙烷(propane),或氢气(H2)等气体,在生长腔内进行反应,先在高温区形成碳化硅前驱物,再经由气体带动进入低温区的籽晶端前沉积形成单晶。

  然而,HTCVD技术必须精准的控制各区的温度、各种气体的流量、以及生长腔内的压力,才有办法得到品质精纯的晶体。因此在产量与品质上仍是待突破的瓶颈。

  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。」

  SiC长晶的困难点除了在石墨坩埚的黑盒子中无法即时观察晶体生长状况外,也因SiC具有200多种生成能皆很相近的晶态(Polytype),要在如此严苛的条件下生长出大尺寸、无缺陷、全区皆为同一晶态4H(目前元件基板主流),则需要非常精确的热场控制、材料匹配及经验累积。技术门槛相较于液相长晶法为高。 


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