集微访谈 | 方亮:从原理到制造生产,详解SiC技术难点

来源:爱集微 #SiC# #碳化硅晶体# #电动汽车#
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集微网消息,在往期的集微访谈栏目中,爱集微有幸采访了华义创投高级投资经理方亮,方亮先生专注于半导体产业链股权投资。布里斯托大学公共政策硕士,清华大学工学学士。集微访谈就关于我国碳化硅晶体制造现状、展望等方面提出问题,收到了十分有启发的答复。

问:我国碳化硅晶圆制造技术处于何种阶段?

答:化合物半导体在功率器件中的推广,现在可以说是势如破竹,无论是说投融资端,还是说实际的产业应用端,我们都可以看到化合物半导体的关注度和实际的应用场景正在变得越来越多。那么从投融资端的角度来讲,光是我们华义创投能够跟踪的,包括上市公司,包括有融资记录的未上市公司,单是做碳化硅单晶衬底的企业,就超过了25家。

做碳化硅功率器件设计的企业超过了30家。做碳化硅晶圆制造,既包括代工,也包括自己体内有产线的IDM这一些加在一起也超过了20家。那么也有同行跟我们说,如果算上一些包括地方政府招商引资的项目,一些水下的项目,实际上在碳化硅产业链上总共的企业可能已经超过了100家。

那么在实际的应用上,那么以大家最关注的电动车场景举例,其实正好集微网也有相关的统计,包括比亚迪,包括蔚小理,包括北汽极狐等等品牌,其实都推出了基于碳化硅做主逆变器功率器件的相关车型。那么可以说这个形势是令大家感到非常振奋,非常兴奋的,但是与此同时繁荣的背后也有一些隐忧。那么比如说从这个项目的分布角度来说,碳化硅功率器件的设计企业数量上其实已经远超于碳化硅的晶元制造的项目企业,而这个其实在国外的生态中是不太常见的这么一种现象。那么现在很多的碳化硅器件设计企业实际竞争力并不在于他对自己的器件的设计能力,对于结构的掌握,对于工艺的理解有多深,而往往变成了哪家企业能够拿到类似于X-FAB或者汉磊这样的一线晶圆代工大厂的产能,能够做出1200伏以上的主逆变器。

碳化硅MOSFET的企业是极少数,无论是配套的衬底还是这个器件本身,大部分企业它的产品还是以车规的OBC,甚至是非车规的光储产品为主。那么像是SBD这个器件,因为它的结构相对简单,门槛相对降低,现在已经进入了深度内卷红海的状态,它的毛利率从2020年的30%,一路内卷到现在的0甚至是负值,包括刚才我所提到的这些推出了碳化硅主逆变器的电动车车型,其实大家如果去深究会发现他们的供应商,尤其是核心的碳化硅晶圆的供应商,基本都是外资企业,像是英飞凌、意法、罗姆这些,而国内的企业少之又少,像是碳化硅晶圆制造产线,这个细分行业其实在我国的历史比较短,它的年龄比较年轻,所以相关的从业者的数量上的积累其实是有限的,那么我们就会看到,其实在很多的碳化硅晶圆制造产线上,真正具备完整的一个碳化硅车规MOSFET生命周期,生产经验的从业者其实是少数,相当一部分人以前做的是硅基的IGBT MOSFET,那么甚至说我们也观察到了一些乱象,在个别的产线上已经出现了以前做memory,做Logic相关器件的PE PIE出现这种情况,其实我们觉得是感到很遗憾的。

另外在生态上,其实我们的碳化硅功率器件产业其实也与海外有着一个比较明显的差异,甚至可以说是差距。就是我国内的碳化硅产业链上垂直整合的现象比较少,从衬底到外延,再到器件设计,再到晶圆制造,再到模组的设计与制造,各个环节各自为战,各自分立并行的情况比较突出。这些乱象或者说这些不尽人意的地方背后,它其实体现的是碳化硅功率器件,尤其是车硅的碳化硅MOSFET,它的一个制造整体的困难,从它的单晶生长前置步骤开始,一直到它的模块封装完成之后,可以说是存在于各个环节之上,我可以给大家做一些简单的介绍。首先就拿单晶的生长来说,碳化硅的单晶生长与常规的大家比较常见的硅的单晶的生长有一个突出的区别,就在于它使用的是气相法,也就是大家常说的PVT法,而不是液相法。那么气相法它有一个先天的缺陷,就在于在2300摄氏度的运行环境下,碳化硅分子的这种热运动会天然的比液态的状态要高得多,那么相应的我要控制好晶体生长的各个速度、方向、顺序,就变得尤其困难。

像这里有一个比较具体的例子,就是说碳化硅单晶的生长过程中,晶体生长速度会在反应进程的当中的某一个时点突然加快,并且导致碳化硅的单晶生长愈发难以控制。

那么可能有一些朋友就会好奇,碳化硅的单晶生长本身就是被人诟病的比较多的一点,它比较慢,为什么你会说它突然变得长得快了,难以控制了,反而成了一个不好的地方?我可以给大家打一个不太恰当的比方,用一个笑话来说,有一个求职者他跟面试官说,我的心算速度很快,那面试官就要考考他,ok,那么请你心算1234的平方等于几?

求职者回答说等于500,然后面试官就愣了说,你这算的数连数量级都对不上,然后这个时候求职者就反问他,你就说我算的快不快?可以说就是这样的一个例子。

当你的晶体生长过快的时候,要保证它在正确的轨道上,正确的方向上,正确的顺序上去生长,其实是反而变得更难的。这也是为什么碳化硅的单晶生长经常是以一个比较慢的速度,这一方面有碳化硅本身的内在原理,它本身不容易快的原因。另外一方面,我们为了能够长出高质量的晶体,很多时候又被迫在速度上做了让步和妥协,那么这是碳化硅单晶的一个生长的难度。

那么到碳化硅的晶圆制造上,其实它相比传统的硅基器件也有它自己额外的一些know how,那么比如说大家最关心的关于碳化硅栅氧可靠性的问题,硅器件它如果要做栅氧,它的可靠性是天然的比较高的,因为硅变成二氧化硅的过程中,会天然的形成相对一层致密的这种化合物,它的整体的良率控制是不难的,但是对于碳化硅来说,因为它多了碳这么一个元素,那么无论是你在反应过程中涉及的碳的析出,还是说在反应之后碳的残留的问题,都有可能影响栅氧的可靠性,要解决栅氧的可靠性。

一方面我们业内有常规的一些做法,比如说二次退火去修复栅氧结构的一些缺陷,还有典型的像英飞凌,他已经把他对晶体的理解使用到了极致,他发现了一个与垂直的面,有4度的一个偏差的斜面,他发现在斜面上去生长二氧化硅,氧化层它的整个的一个良率,它的可靠性会比常规的生长方法要高得多,但是回到我们刚才提到的问题,因为我国的大部分企业是在单晶、外延、器件、模组各个环节各自为战的,如果要想在人员配置上,在整个生产流程上,在供应链管理上,实现衬底外延和器件的深度定制,深度一体化,难度还很大,又难以做到像英飞凌这样,通过晶体学性质去倒逼器件良率提高,这个是很困难的。

那么包括碳化硅的功率模组,大家可能觉得我器件都已经做出来了,模组不过就是把它切好,按照一定的顺序一定的拓扑去把它做一个封装,又怎么会难,其实不是的。那么举一个很简单的例子,就是碳化硅因为它的高频特性比较好,所以它在模组小型化方面得到了很多的关注。但是反过来讲,为了能够用好碳化硅的高频特性,其实它对于我们模组的设计提高了更多的要求,举一个大家中学时代可能就有感受的一个例子,所谓的电生磁、磁生电的问题,任何一个电路它在运行的情况下都会产生相应的电场和磁场,变化的电场产生变化的磁场,这是电磁学的一个基本原理。

我们在设计碳化硅功率模组的时候,如果我们的电路设计的不好,我举个例子,比如说两条电路你是让它平行的去走,而是让它垂直的去走,是让它相向的去走,还是让它往相反方向发展的去走?这些都对整个功率模组内部的寄生电感,寄生电容这些会有不同的影响。如果我们控制不好这些杂感、杂容,那么碳化硅的高频性能就得不到发挥,那么实际上就会导致一个问题,我已经付出了巨大的代价,采购使用了这些碳化硅的晶圆器件,但是因为我的模组最后可能导致它的性能并没有表现出比硅的在系统层面有更高的一个表现,那么这个肯定是很可惜的。

那么针对现在碳化硅这些产业上的一些困难,我们也能看到包括国外的企业,包括国内的企业,正在试图用各种方法去解决,或者说绕过这些问题,那么来为碳化硅的加速上车,做出他们的自己一份贡献。

那么像法国的著名半导体研究公司,Yole它就发布了一个报告,那么在碳化硅报告里面,它就专门介绍了现在在碳化硅晶体领域的一些创新性的做法,比如说法国的Sweetech,他就想用键合衬底的方式来创造性的降低碳化硅衬底的成本,并且提高碳化硅衬底的一个产能。像是日本的名古屋大学也发明了一些用液相法去生长碳化硅晶体的一些论文,那么现在正在将这些论文进行产业化的试验。

在浪潮当中,我也很高兴看到了中国的企业,尤其是中国的创业企业,也在为解决碳化硅的成本问题拿出中国方案。比如很典型的也是我很荣幸的,我曾经的被投企业,它采用了与法国Sweetech很类似的间隔的方式,并且因为它的整个技术完全是它的创始人在日本留学期间独立研究独立开发出来的,所以在知识产权上也不会与Sweetech产生任何的冲突。那么这家公司现在也正在紧锣密鼓的进行着新一轮的融资。

另外包括像液相法长单晶,也不是日方的专利,像是在中国大陆,中科院物理所的相关的人员,也有一些曾经在碳化硅大厂工作,现在出来独立创业的人创造的企业,一家叫晶格领域,另外一家叫臻晶半导体。

他们都在液相法生长碳化硅单晶方面,产业化方面做出了很大的一个成果。现在也是即将把他们相应的导电型衬底的产品,距离产业化其实只有临门一脚,做到这么一个地步。那么我也希望就是说在现在的碳化硅上车的热潮当中,中国企业尤其是中国的VCPE投资者,在投资的时候能够多多支持,多多扶持这些有创造性的,能够为碳化硅降本增效出力的中国创业企业,从而为我们的硬科技大潮的做出我们作为一级市场投资者应有的贡献,谢谢!

责编: 武守哲
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