产业革命？液相法制备碳化硅衬底实现交付！

电子发烧友网报道（文/梁浩斌）去年7月，电子发烧友曾报道了天岳先进展示了一种采用新的SiC晶体制备技术——液相法制备的低缺陷8英寸晶体。在今年4月底的2023年度业绩说明会上，天岳先进当时表示“目前公司是仅少数企业正在从事液相法作为新技术的研发，但液相法是前沿技术，尚未实现产业化大规模生产”。
 
然而让人意想不到的是，11月6日，天岳先进就宣布液相法制备的高质量低阻P型碳化硅衬底成功向客户交付的消息。这也意味着液相法制备碳化硅晶体的进展要比预期的更快。
 
液相法：碳化硅降本的关键路线
 
尽管今年以来碳化硅上下游都经历了一轮降价，但过去很长一段时间里，碳化硅晶体的生产效率一直是制约碳化硅产业扩张的重要原因之一。目前主流的SiC单晶制备，都是通过物理气相传输PVT法生长，核心的步骤包括将SiC粉料进行高温加热，加热后SiC粉料升华成气体，气体移动到籽晶表面缓慢生长成晶体。
 
但PVT法生长碳化硅单晶，过程太漫长了，气相生长是利用固体升华后在籽晶表面凝华从而逐渐生长出碳化硅单晶，大概每小时能生长200-400微米，按每小时生长300微米计算，要制备出30毫米厚的晶体，需要超过4天时间。
 
而目前的8英寸碳化硅晶体，还需要在6英寸的晶体进行扩径，同样是采用PVT法，整体制备的周期就更长了。
 
所以近些年电动汽车市场增长保持高增速，市场上对于碳化硅的需求不断提高，需求将产业导向至寻找更高效率的碳化硅晶体制备技术，于是不少厂商都将目光重新投放至液相法。
 
实际上液相法不是一项新技术，早在二十世纪60年代时，液相法就被广泛用于制备碳化硅晶体的研究中，当然，后来由于PVT法取得了突破，后来碳化硅大规模生产中PVT就成为主流方式。
 
根据人工晶体学报的资料，液相法制备碳化硅主要存在几个方面的技术问题，首先是需要平衡生长速率和结晶质量，如果生长速率太大，会容易出现多种严重影响结晶质量的缺陷，严重时可能引起晶体开裂。
 
目前液相法的工艺中会以高纯石墨坩埚作为容器的同时，还作为晶体生长中C元素的来源，而随着晶体的生长，坩埚内壁也会不断被腐蚀，从而可能影响晶体生长的环境。因此如何建立持续稳定的晶体生长条件就非常关键。
 
由于生长温度高，测试难度大，在液相法生长碳化硅单晶的过程中，对高温溶液的凝固点、表面张力、黏度等热力学参数还未明确。因此未来研究以及掌握这些参数以及控制这些参数的方式是液相法制备SiC进一步发展的重要方向。
 
成功实现交付，更多产业链企业为规模量产做准备
 
这次天岳先进向客户交付的是应用于高压大功率电力电子器件的P型碳化硅单晶衬底，公司表示高质量低阻P型碳化硅衬底将极大加速高性能SiC-IGBT的发展进程，实现高端特高压功率器件国产化。
 
这里值得提一下的是，碳化硅其实是可以做成IGBT器件的，但由于成本原因，以及当前碳化硅MOSFET已经可以覆盖硅基IGBT的大部分电压场景，所以一般碳化硅IGBT只在一些需要极高耐压的场景使用，比如是10kV换流站开关等一些应用，但目前确实未有大规模应用。
 
过去针对高压大功率应用的P型碳化硅单晶衬底存在成本高、电阻率高、缺陷控制难度大等问题，而液相法从原理上，具有生长高品质碳化硅晶体的优势。天岳先进去年曾透露，公司通过热场、溶液设计和工艺创新突破了碳化硅单晶高质量生长界面控制和缺陷控制难题，在业界属于首创。
 
而目前天岳先进已经通过液相法制备出低贯穿位错和零层错的碳化硅晶体，同时P型4度偏角碳化硅衬底，电阻率小于200mΩ·cm，面内电阻率分布均匀，结晶性良好。
 
近期，碳化硅产业链上包括液相法碳化硅晶体生长的设备和晶体制备都有了一些新的进展。10月连科半导体宣布液相法碳化硅长晶炉取得关键性进展，液相法碳化硅（感应）加热长晶炉及液相法碳化硅电阻加热长晶炉顺利在客户现场完成验收，长晶炉兼容六英寸到八英寸碳化硅单晶生长空间，并满足多测温点及CCD可视化长晶的工艺需求。
 
同在上个月，日本Oxide公司宣布成立全资子公司将液相法碳化硅晶体产品商业化，并计划在2025年2月末开始将液相法制备的8英寸碳化硅产品送样。
 
另外，常州臻晶在去年就表示公司采用液相法生长的P型衬底，良率从50%提高到75%，长晶效率提升2-5倍，并预计今年9月实现产业化，不过目前还未有更多消息对外发布。
 
还有更多的设备厂商，包括晶格领域、晶升股份等，都已经推出了液相法碳化硅长晶炉产品。
 
写在最后
 
目前看来，液相法碳化晶体已经距离商业化越来越近，然而也有设备厂商认为，虽然目前已经有能力制造长晶设备，但从产业的角度看，核心问题在于缺乏下游芯片厂商的应用数据积累，因此近年内，PVT法依然会是碳化硅的主要制备技术。