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碳化矽元件的市場發展關鍵:晶圓製造
 

【作者: 籃貫銘】   2018年10月03日 星期三

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相較於矽(Si),採用碳化矽(SiC)基材的元件性能優勢十分的顯著,尤其是在高耐壓與耐高溫的性能上,然而,這些優勢卻始終未能轉換成市場規模,讓這個問世已十多年的高性能元件一直束之高閣。主要的原因就出在碳化矽晶圓的製造和產能的不順暢。


由於物理的特性,碳化矽材料擁有很高的硬度,目前僅次於金剛石,因此在生產上勢必要在高溫與高壓的條件下才能生產,一般而言,需要在2000°C以上高溫(矽晶僅需在1500°C),以及350MPa以上才能達成。若透過添加一些特殊的助燒劑,或者氣體沉積的方式,則可使碳化矽燒成溫度降到2000°C左右,且在常壓就能進行。


高溫、速度慢 碳化矽長晶製程難度十足

而目前已在使用的長晶技術則包含高溫化學氣象沉積法(HTCVD),與高溫昇華法(HTCVT)兩種。


以台灣磊拓科技所代理的設備為例,旗下代理的PVA TePla品牌的SiCube單晶長晶爐,能夠提供HTCVD和HTCVT這兩種長晶法,其工作溫度皆需2600°C ,而工作壓力則落在5至900 mbar。


雖然有長晶設備,但碳化矽晶圓的生產仍是十分困難,不僅是因為產能仍十分有限,而且品質十分的不穩定。



圖1 : 碳化矽與矽晶的生產條件比較。(製圖/CTIMES)
圖1 : 碳化矽與矽晶的生產條件比較。(製圖/CTIMES)

以目前良率最高的HTCVD法為例,它是以攝氏1500至2500度的高溫下,導入高純度的矽烷(silane;SiH4)、乙烷(ethane)或丙烷(propane),或氫氣(H2)等氣體,在生長腔內進行反應,先在高溫區形成碳化矽前驅物,再經由氣體帶動進入低溫區的籽晶端前沉積形成單晶。


然而,HTCVD技術必須精準的控制各區的溫度、各種氣體的流量、以及生長腔內的壓力,才有辦法得到品質精純的晶體。因此在產量與品質上仍是待突破的瓶頸。


依據目前的矽晶業者的生產情況,一般而言,生產8吋的矽晶棒,需要約2天半的時間來拉晶,6吋的矽晶棒則需要約一天。接著,待晶棒冷卻之後,再進行晶圓的切片和研磨。



圖2 : 碳化矽晶圓的側面圖,在成本考量下,可見其切割的厚度極薄。
圖2 : 碳化矽晶圓的側面圖,在成本考量下,可見其切割的厚度極薄。

至於碳化矽晶圓,光長晶的時間,就約需要7至10天,而且生成的高度可能只有幾吋而已(矽晶棒可達1至2米以上),再加上後續的加工製程也因為硬度的影響而相對困難,因此其產能十分有限,品質也不穩定。


「由於碳化矽的生產瓶頸尚未解決,原料晶柱的品質不穩定,造成整體市場無法大規模普及。」瀚天天成電子科技銷售副總裁司馬良亮,一語點出目前的市場困境。


瀚天天成電子科技(廈門)有限公司是中國一家具備碳化矽晶圓研發、生產與銷售外延晶片的中美合資企業。該公司於2011年3月在廈門成立,並已建置完整的現代化生產廠房,包含碳化矽晶圓長晶爐和各種進高階檢測設備,該公司也於 2012年3月開始接受商業化碳化矽半導體晶圓訂單,為中國第一家提供產業化3吋至6吋碳化矽半導體晶圓的製造商。


司馬良亮表示,相較於矽晶,碳化矽的功能性更好,在導熱、延展性和導電性方面都有很好的表現,投入的業者也很多。但幾年過去,市場規模依舊十分有限,並沒有出現大的進展,主要的原因就在於原料晶柱的品質不穩定,造成沒有足夠的晶圓來供應市場。


「只要長晶過程中的溫度和壓力有一些失誤,那好幾天的心血可能就都會為烏有。」司馬良亮說。


晶圓短缺與設計經驗不足 影響碳化矽終端晶片發展

然而,最近這五年,碳化矽又開始受到重視,主要就是在電動車這類需要高功率元件的應用陸續浮出檯面,讓人們意識到碳化矽元件在耐高壓方面的優勢。


司馬良亮指出,碳化矽晶圓在去年有一個高潮,主要的原因就是矽晶(Si)材料的短缺,因此有部分的業者轉向使用碳化矽。但隨著矽晶的供需趨穩,碳化矽又再回到先前的局面。


他解釋,碳化矽晶圓的生產具有一定的技術難度,目前全球僅約有三、四家業者(Cree、Norstel、新日鐵住金等)能提供穩定的產量。中國雖然已著手自產,但在品質方面尚未能趕上美日,因此全球的產能仍十分有限,目前市場也仍是處於短缺的狀況。這也說明了現今整個碳化矽半導體產業的情況,不僅上游晶圓的價格無法鬆動,連帶終端晶片的價格也難以讓多數業者接受。



圖3 : 瀚天天成電子科技銷售副總裁司馬良亮(左)與代理商台灣磊拓科技總經理蔡國基(右)。
圖3 : 瀚天天成電子科技銷售副總裁司馬良亮(左)與代理商台灣磊拓科技總經理蔡國基(右)。

另一個發展限制,則是在碳化矽元件的應用與設計上。司馬良亮表示,由於矽晶圓問世已久,而且行之有年,有非常完整的工具與技術支撐,因此絕大多數的晶片工程師只熟悉矽元件的晶片開發,但對於碳化矽元件的性能與用途,其實不怎麼清楚。


他甚至用,「博士」和「小學生」,來對比目前矽晶與碳化矽之間的知識落差。也因為有這樣的知識上的落差,造成碳化矽元件在發展上更加緩慢。


「工程師對碳化矽元件本身的性能就已經不太清楚,再加上晶圓品質的不穩定,導致元件的良率與可靠度不足,讓整個的產業發展非常緩慢。」司馬良亮說道。


雖然碳化矽的發展仍十分緩慢,但其優異的性能優勢,依然是吸引了部分的業者持續深耕,中國便是其中最主要的投入者,甚至將之列為重點國家政策之一。


看好未來需求 中國定調碳化矽為國家重點產業

目前中國已組成中國寬禁帶功率半導體及應用產業聯盟(中寬聯),並接受中國工信部的委託,積極推行《寬禁帶功率半導體標準》,其中《功率器件用碳化矽同質晶圓》標準是便是中寬聯主推的9項標準之一。


市調單位同樣也看好碳化矽的未來發展,根據TrendForce旗下拓墣產業研究院的預測,2018年全球SiC基板產值將達1.8億美元,而GaN基板產值僅約300萬美元。


拓墣產業研究院也指出,相較目前主流的矽晶圓,第三代半導體材料SiC及GaN除了耐高電壓的特色外,也分別具備耐高溫與適合在高頻操作下的優勢,不僅可大幅減少晶片面積,並能簡化周邊電路設計,達到減少模組、系統周邊的元件及冷卻系統的體積。


不過,SiC材料仍在驗證與導入階段,在現階段車用領域僅應用於賽車上。而看好5G商轉與汽車電子的進一步成長,拓墣產業研究院預期,SiC基板未來五年在通過車廠驗證,以及2020年5G商轉的帶動下,將進入高速成長期。


該機構指出,隨著應用需求的逐步成長,供應鏈已漸漸發展出晶圓代工模式,以提供客戶SiC及GaN的代工業務服務,改變過去僅由Cree、Infineon、Qorvo等整合元件大廠供應的狀況。


然而,拓墣產研也提及,碳化矽硬度極高,若以傳統Dicing進行切割,生產效率極低,同時晶粒品質不佳;而雷射切割則有粉塵、設備成本極高、光源不穩定等問題。因此碳化矽晶粒想要邁向量產,就必須先解決切割技術的問題。


2023年 碳化矽元件的應用與品質才能成熟

司馬良亮也呼應這個說法,他認為,碳化矽是在1200V以上的高壓有十分顯著的優勢,非常適合運用在電動車這類的應用上;GaN則是落在600V至1000V區間的應用上。


但對於碳化矽市場的發展時程,他則是持相對保守的意見。他指出,目前碳化矽在台灣的發展仍是比較慢,投入與採用的業者都不多,因此仍待時間觀察。至於晶圓材料產能的問題,他則認為還需要三年才能改善基板短缺情況,而生產的質量則仍需五年才能改善。而在終端的應用上,則需到2022年左右才會有更多的應用出現。


**刊頭圖為6吋碳化矽晶圓


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