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碳化矽元件的市场发展关键:晶圆制造
 

【作者: 籃貫銘】2018年10月03日 星期三

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相较於矽(Si),采用碳化矽(SiC)基材的元件性能优势十分的显着,尤其是在高耐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矽晶圆的制造和产能的不顺畅。


由於物理的特性,碳化矽材料拥有很高的硬度,目前仅次於金刚石,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(矽晶仅需在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,则可使碳化矽烧成温度降到2000。C左右,且在常压就能进行。


高温、速度慢 碳化矽长晶制程难度十足

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。


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,但碳化矽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。



图1 : 碳化矽与矽晶的生产条件比较。(制图/CTIMES)
图1 : 碳化矽与矽晶的生产条件比较。(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,导入高纯度的矽??(silane;SiH4)、乙??(ethane)或丙??(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矽前驱物,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。


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



图2 : 碳化矽晶圆的侧面图,在成本考量下,可见其切割的厚度极薄。
图2 : 碳化矽晶圆的侧面图,在成本考量下,可见其切割的厚度极薄。

至於碳化矽晶圆,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寸而已(矽晶棒可达1至2米以上),再加上後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。


「由於碳化矽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??总裁司马良亮,一语点出目前的市场困境。


瀚天天成电子科技(厦门)有限公司是中国一家具备碳化矽晶圆研发、生产与销售外延晶片的中美合资企业。该公司於2011年3月在厦门成立,并已建置完整的现代化生产厂房,包含碳化矽晶圆长晶炉和各种进高阶检测设备,该公司也於 2012年3月开始接受商业化碳化矽半导体晶圆订单,为中国第一家提供产业化3寸至6寸碳化矽半导体晶圆的制造商。


司马良亮表示,相较於矽晶,碳化矽的功能性更好,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,主要的原因就在於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。


晶圆短缺与设计经验不足 影响碳化矽终端晶片发展

然而,最近这五年,碳化矽又开始受到重视,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,让人们意识到碳化矽元件在耐高压方面的优势。


司马良亮指出,碳化矽晶圆在去年有一个高潮,主要的原因就是矽晶(Si)材料的短缺,因此有部分的业者转向使用碳化矽。但随着矽晶的供需趋稳,碳化矽又再回到先前的局面。


他解释,碳化矽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,目前市场也仍是处於短缺的状况。这也说明了现今整个碳化矽半导体产业的情况,不仅上游晶圆的价格无法松动,连带终端晶片的价格也难以让多数业者接受。



图3 : 瀚天天成电子科技销售??总裁司马良亮(左)与代理商台湾磊拓科技总经理蔡国基(右)。
图3 : 瀚天天成电子科技销售??总裁司马良亮(左)与代理商台湾磊拓科技总经理蔡国基(右)。

另一个发展限制,则是在碳化矽元件的应用与设计上。司马良亮表示,由於矽晶圆问世已久,而且行之有年,有非常完整的工具与技术支撑,因此绝大多数的晶片工程师只熟悉矽元件的晶片开发,但对於碳化矽元件的性能与用途,其实不怎麽清楚。


他甚至用,「博士」和「小学生」,来对比目前矽晶与碳化矽之间的知识落差。也因为有这样的知识上的落差,造成碳化矽元件在发展上更加缓慢。


「工程师对碳化矽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。」司马良亮说道。


虽然碳化矽的发展仍十分缓慢,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。


看好未来需求 中国定调碳化矽为国家重点产业

目前中国已组成中国宽禁带功率半导体及应用产业联盟(中宽联),并接受中国工信部的委托,积极推行《宽禁带功率半导体标准》,其中《功率器件用碳化矽同质晶圆》标准是便是中宽联主推的9项标准之一。


市调单位同样也看好碳化矽的未来发展,根据TrendForce旗下拓??产业研究院的预测,2018年全球SiC基板产值将达1.8亿美元,而GaN基板产值仅约300万美元。


拓??产业研究院也指出,相较目前主流的矽晶圆,第三代半导体材料SiC及GaN除了耐高电压的特色外,也分别具备耐高温与适合在高频操作下的优势,不仅可大幅减少晶片面积,并能简化周边电路设计,达到减少模组、系统周边的元件及冷却系统的体积。


不过,SiC材料仍在验证与导入阶段,在现阶段车用领域仅应用於赛车上。而看好5G商转与汽车电子的进一步成长,拓??产业研究院预期,SiC基板未来五年在通过车厂验证,以及2020年5G商转的带动下,将进入高速成长期。


该机构指出,随着应用需求的逐步成长,供应链已渐渐发展出晶圆代工模式,以提供客户SiC及GaN的代工业务服务,改变过去仅由Cree、Infineon、Qorvo等整合元件大厂供应的状况。


然而,拓??产研也提及,碳化矽硬度极高,若以传统Dicing进行切割,生产效率极低,同时晶粒品质不隹;而雷射切割则有粉尘、设备成本极高、光源不稳定等问题。因此碳化矽晶粒想要迈向量产,就必须先解决切割技术的问题。


2023年 碳化矽元件的应用与品质才能成熟

司马良亮也呼应这个说法,他认为,碳化矽是在1200V以上的高压有十分显着的优势,非常适合运用在电动车这类的应用上;GaN则是落在600V至1000V区间的应用上。


但对於碳化矽市场的发展时程,他则是持相对保守的意见。他指出,目前碳化矽在台湾的发展仍是比较慢,投入与采用的业者都不多,因此仍待时间观察。至於晶圆材料产能的问题,他则认为还需要三年才能改善基板短缺情况,而生产的质量则仍需五年才能改善。而在终端的应用上,则需到2022年左右才会有更多的应用出现。


**刊头图为6寸碳化矽晶圆


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