硅基、碳化硅基的認識
全球半導體硅片行業市場集中度很高，主要被日本、德國、韓國、中國臺灣等國家和地區的知名企業占據。目前，全球前五大半導體硅片企業規模較大，合計市場份額達93%。其中，日本信越化學市場份額27.58%，日本SUMCO市場份額24.33%，德國Siltronic市場份額14.22%，中國臺灣環球晶圓市場份額為16.28%，韓國SK Siltron市場份額占比為10.16%。相較于行業前五大半導體硅片企業，硅產業集團規模較小，占全球半導體硅片市場份額2.18%。近年來隨著我國對半導體產業的高度重視，在產業政策和地方政府的推動下，我國半導體硅片行業的新建項目也不斷涌現。伴隨著全球芯片制造產能向中國大陸轉移的長期過程，中國大陸市場將成為全球半導體硅片企業競爭的主戰場。
半導體硅片是芯片制造的核心材料，芯片制造企業對半導體硅片的品質有著極高的要求，對供應商的選擇非常慎重。根據行業慣例，芯片制造企業需要先對半導體硅片產品進行認證，才會將該硅片制造企業納入供應鏈，一旦認證通過，芯片制造企業不會輕易更換供應商。中國大陸已經實現300mm半導體硅片規模化銷售，半導體硅片是生產集成電路、分立器件、傳感器等半導體產品的關鍵材料，是半導體產業鏈基礎性的一環。然而，半導體硅片也是我國半導體產業鏈與國際先進水平差距最大的環節之一，當前我國半導體硅片的供應高度依賴進口，國產化進程嚴重滯后。
根據 WSTS 分類標準，半導體芯片主要可分為集成電路、分立器件、傳感器 與光電子器件四種類別。其中，集成電路可細分為存儲器、模擬芯片、邏輯芯片 與微處理器。模擬芯片可進一步細分為功率器件、放大器、濾波器、反饋電路、基準源電路、開關電容電路等產品。射頻前端芯片是模擬芯片的一種，是集合了多種類型模擬芯片的模塊。
半導體硅片尺寸越大，對半導體硅片的生產技術、設備、材料、工藝的要求越高。目前，全球市場主流的產品是200mm（8英寸）、300mm（12英寸）直徑的半導體硅片，下游芯片制造行業的設備投資也與200mm和300mm規格相匹配。考慮到大部分200mm及以下芯片制造生產線投產時間較早，絕大部分設備已折舊完畢，因此200mm及以下半導體硅片對應的芯片制造成本往往較低，在部分領域使用200mm及以下半導體硅片的綜合成本可能并不高于300mm半導體硅片。此外，在高精度模擬電路、射頻前端芯片、嵌入式存儲器、CMOS（互補金屬氧化物半導體）圖像傳感器、高壓MOS等特殊產品方面，200mm 及以下芯片制造的工藝更為成熟。綜上，200mm及以下半導體硅片的需求依然存在。隨著汽車電子、工 業電子等應用的驅動，200mm半導體硅片的需求呈上漲趨勢。目前，除上述特 殊產品外，200mm及以下半導體硅片的需求主要來源于功率器件、電源管理器、非易失性存儲器、MEMS、顯示驅動芯片與指紋識別芯片等，終端應用領域主要為移動通信、汽車電子、物聯網、工業電子等。
接下來，我們看一下碳化硅基片。
碳化硅襯底是新近發展的寬禁帶半導體的核心材料，以其制作的器件具有耐高溫、耐高壓、高頻、大功率、抗輻射等特點，具有開關速度快、效率高的優勢，可大幅降低產品功耗、提高能量轉換效率并減小產品體積。目前，碳化硅半導體主要應用于以5G通信、國防軍工、航空航天為代表的射頻領域和以新能源汽車、“新基建”為代表的電力電子領域，在民用、軍用領域均具有明確且可觀的市場前景。同時，我國“十四五”規劃已將碳化硅半導體納入重點支持領域，隨著國家“新基建”戰略的實施，碳化硅半導體將在5G基站建設、特高壓、城際高速鐵路和城市軌道交通、新能源汽車充電樁、大數據中心等新基建領域發揮重要作用。
因此，以碳化硅為代表的寬禁帶半導體是面向經濟主戰場、面向國家重大需 求的戰略性行業。全球寬禁帶半導體行業目前總體處于發展初期階段，相比硅和砷化鎵等半導體而言，在寬禁帶半導體領域我國和國際巨頭公司之間的整體技術差距相對較小。另外，由于寬禁帶半導體的下游工藝制程具有更高的包容性和寬容度，下游制造環節對設備的要求相對較低，投資額相對較小，制約寬禁帶半導體行業快速發展的關鍵之一在上游材料端。因此，我國若能在寬禁帶半導體行業上游襯底材料行業實現突破，將有望在半導體行業實現換道超車。
由于全球行業龍頭企業在碳化硅領域起步較早，因此在碳化硅襯底各尺寸量產推出時間方面，中國的企業與全球行業龍頭企業存在差距：以半絕緣型碳化硅襯底為例，在4英寸至 6英寸襯底的量產時間上全球行業龍頭企業分別早于中國龍頭企業（天岳先進）10年以上及 7 年以上；截至目前，中國（天岳先進）尚不具備8英寸襯底的量產能力，全球行業龍頭企業已于2019年或以前具備 8 英寸襯底量產能力。在大尺寸產品供應情況方面，根據公開信息，行業龍頭科銳公司能夠批量供應4英寸至6英寸導電型和半絕緣型碳化硅襯底，且已成功研發并開始建設8英寸產品生產線。目前，公司主要產品是4英寸半絕緣型碳化硅襯底，6英寸半絕緣型和6英寸導電型襯底已形成小批量銷售，與全球行業龍頭尚存在一定的差距。
目前下游行業已利用碳化硅在高壓、高溫、高功率、高頻等方面的優勢開發出新一代半導體器件，碳化硅襯底的下游應用主要為射頻器件及功率器件，其下游應用發展情況較好。在5G基站建設、無線電探測、新能源汽車及充電樁等領域得到快速應用，并將在光伏新能源、軌道交通、智能電網等行業擴大應用。
碳化硅在制造射頻器件、功率器件等領域具有明顯優勢。但是在射頻器件、功率器件領域，碳化硅襯底的市場應用瓶頸為其較高的生產成本。影響碳化硅襯底成本的制約性因素在于生產速率慢、產品良率低，主要系：目前主流商用的PVT 法晶體生長速度慢、缺陷控制難度大。相較于成熟的硅片制造工藝，碳化硅襯底短期內依然較為高昂。
例如，目前碳化硅功率器件的價格仍數倍于硅基器件，下游應用領域仍需平衡碳化硅器件的高價格與因碳化硅器件的優越性能帶來的綜合成本下降之間的關系，短期內一定程度上限制了碳化硅器件的滲透率，使得碳化硅材料即使在部分相對優勢領域的降成本、促銷售的可行性和預期進展仍存在較大的挑戰，導致整體行業發展不達預期，對發行人的經營產生不利影響。公司生產所需的原材料主要包括碳粉和硅粉等主料和石墨件、石墨氈、拋光液、金剛石粉等輔料。生產設備主要包括長晶爐、切割研磨設備等。
主要生產流程
在對原理和技術有了基本了解以后，我們進一步探討其制造流程。首先看硅基生產流程。
半導體硅片的生產流程較長，涉及工藝較多。半導體拋光片生產環節包含了拉晶、滾圓、切割、 研磨、蝕刻、拋光、清洗等工藝；半導體外延片生產過程主要為在拋光片的基礎 上進行外延生長；SOI 硅片主要采用鍵合或離子注入等方式制作。半導體硅片每 一個工藝環節均會影響產成品的質量、性能與可靠性 。
根據制造工藝分類，半導體硅片主要可以分為拋光片、外延片與以SOI 硅片為代表的高端硅基材料。單晶硅錠經過切割、研磨和拋光處理后得到拋光片。拋光片經過外延生長形成外延片，拋光片經過氧化、鍵合或離子注入等工藝處理后 形成 SOI 硅片。隨著集成電路特征線寬的不斷縮小，光刻機的景深也越來越小，硅片上極其 微小的高度差都會使集成電路布線圖發生變形、錯位，這對硅片表面平整度提出了苛刻的要求。
此外，硅片表面顆粒度和潔凈度對半導體產品的良品率也有直接影響。拋光工藝可去除加工表面殘留的損傷層，實現半導體硅片表面平坦化，并進一步減小硅片的表面粗糙度以滿足芯片制造工藝對硅片平整度和表面顆粒度的要求。拋光片可直接用于制作半導體器件，廣泛應用于存儲芯片與功率器件等，也可作為外延片、SOI 硅片的襯底材料。外延是通過化學氣相沉積的方式在拋光面上生長一層或多層，摻雜類型、電阻率、厚度和晶格結構都符合特定器件要求的新硅單晶層。外延技術可以減少硅 片中因單晶生長產生的缺陷，具有更低的缺陷密度和氧含量。
外延片常在CMOS電路中使用，如通用處理器芯片、圖形處理器芯片等，由于外延片相較于拋光片 含氧量、含碳量、缺陷密度更低，提高了柵氧化層的完整性，改善了溝道中的漏電現象，從而提升了集成電路的可靠性。除此之外，通常在低電阻率的硅襯底上 外延生長一層高電阻率的外延層，應用于二極管、IGBT（絕緣柵雙極型晶體管） 等功率器件的制造。功率器件常用在大功率和高電壓的環境中，硅襯底的低電阻 率可降低導通電阻，高電阻率的外延層可以提高器件的擊穿電壓。
外延片提升了器件的可靠性，并減少了器件的能耗，因此在工業電子、汽車電子等領域廣泛使用。SOI硅片即絕緣體上硅，是常見的硅基材料之一，其核心特征是在頂層硅和支撐襯底之間引入了一層氧化物絕緣埋層，具體流程如下：
▲圖一 硅片生產流程
再看碳化硅基生產流程，其具體可以分為以下幾步：
（1）原料生成：（PVT氣相形成，結構也多，控制度很難）
將高純硅粉和高純碳粉按工藝配方均勻混合，在 2,000℃以上的高溫條件下，于反應腔室內通過特定反應工藝，去除反應環境中殘余的、反應微粉表面吸附的痕量雜質，使硅粉和碳粉按照既定化學計量比反應合成特定晶型和顆粒度的碳化硅顆粒。再經過破碎、篩分、清洗等工序，制得滿足晶體生長要求的高純度碳化硅粉原料。每一批進行取樣測試純度、顆粒度等。
（2）晶體生長
中國企業一般采用PVT 法制備碳化硅單晶，PVT 法通過感應加熱的方式在密閉生長腔室內在 2,300°C 以上高溫、接近真空的低壓下加熱碳化硅粉料，使其升華產生包含 Si、Si2C、SiC2 等不同氣相組分的反應氣體，通過固-氣反應產生碳化硅單晶反應源；由于固相升華反應形成的 Si、C 成分的氣相分壓不同，Si/C化學計量比隨熱場分布存在差異，需要使氣相組分按照設計的熱場和溫梯進行分布和傳輸，使組分輸運至生長腔室既定的結晶位置；為了避免無序的氣相結晶形成多晶態碳化硅，在生長腔室頂部設置碳化硅籽晶（種子），輸運至籽晶處的氣相組分在氣相組分過飽和度的驅動下在籽晶表面原子沉積，生長為碳化硅單晶。
以上碳化硅單晶制備的整個固-氣-固反應過程都處于一個完整且密閉的生長腔室內，反應系統的各個參數相互耦合，任意生長條件的波動都會導致整個單晶生長系統發生變化，影響碳化硅晶體生長的穩定性；此外，碳化硅單晶在其結晶取向上的不同密排結構存在多種原子連接鍵合方式，從而形成 200 多種碳化硅同質異構結構的晶型，且不同晶型之間的能量轉化勢壘極低。因此，在 PVT 單晶生長系統中極易發生不同晶型的轉化，導致目標晶型雜亂以及各種結晶缺陷等嚴重質量問題。故需采用專用檢測設備檢測晶錠的晶型和各項缺陷。
（3）晶錠加工
將碳化硅晶錠使用 X 射線單晶定向儀進行定向，之后通過精密機械加工的方式磨平、滾圓，加工成標準直徑尺寸和角度的碳化硅晶棒。對所有成型晶棒進行尺寸、角度等指標檢測。
（4）晶棒切割
在考慮后續加工余量的前提下，使用金剛石細線將碳化硅晶棒切割成滿足客戶需求的不同厚度的切割，并使用全自動測試設備進行翹曲度（Warp）、彎曲度（Bow）、厚度變化（TTV）等面型檢測。
（5）切割片研磨
通過自有工藝配方的研磨液將切割片減薄到相應的厚度，并且消除表面的線痕及損傷。使用全自動測試設備及非接觸電阻率測試儀對全部切割片進行面型及電學性能檢測。
（6）研磨片拋光
通過配比好的拋光液對研磨片進行機械拋光和化學拋光，用來消除表面劃痕、降低表面粗糙度及消除加工應力等，使研磨片表面達到納米級平整度。使用X射線衍射儀、原子力顯微鏡、表面平整度測試儀、表面缺陷綜合測試儀等儀器設備，檢測碳化硅拋光片的各項參數指標，據此判定拋光片的質量等級。
（7）拋光片清洗
在百級超凈間內，通過特定配比的化學試劑及去離子水對清洗機內的拋光片進行清洗，去除拋光片表面的微塵顆粒、金屬離子、有機沾污物等，甩干封裝在潔凈片盒內，形成可供客戶開盒即用的碳化硅襯底。
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▲圖二 碳化硅基片生產流程
制造污染問題分析
在討論這些材料的時候，不能忽視的一個方面是制造污染，我們同樣從硅基個碳化硅基兩個方向分析。
首先看硅基生產污染。其生產經營中的多個環節涉及環境污染，生產過程中將產生一定量的廢水、 廢氣、固廢和噪音。廢水包括工藝廢水、廢氣處理系統廢水，各生產環節中均有一定量的清洗廢水產生；廢氣包括微酸性廢氣、外延廢氣、廢水處理系統廢氣和 微堿性廢氣，其中微酸性廢氣主要來源于應力清除、清洗環節，外延廢氣來自于 外延環節，廢水處理系統廢氣來自于廢氣處理；固廢主要包括廢化學包裝、廢石 英坩堝、廢石墨熱場、廢磨輪、廢金剛線等，固廢產生的生產環節包括拉晶、研磨、拋光、廢水處理等環節；噪音來源主要為廢氣系統風機、冷卻塔、空壓機、空調機組、各類泵等。
注：圖片來源于巨浪資訊
▲圖三 硅基生產污染及處理
再看碳化硅污染，碳化硅襯底材料生產主要工序涉及原料合成、晶體生長、晶錠加工、晶棒切割、切割片研磨、研磨片拋光、拋光片清洗等環節，不屬于重污染行業；產生的主要污染物為廢水（主要包括酸洗清洗廢水、廢氣凈化廢水、倒角清洗廢水、研磨清洗廢水、機械拋光清洗廢水、生活污水等）、一般固廢（主要包括提純雜質、加工下腳料、生活垃圾等）、危險廢物（主要包括廢研磨液、廢切削液、廢拋光液等）、廢氣（主要包括酸洗廢氣、乙醇清洗廢氣、有機廢氣等）、噪聲等。公司污染物處理主要方式為：廢水通過經污水處理站處理達標后排入市水質凈化廠進一步處理；一般固廢中生活垃圾委托環衛部門處理，其他通過回收單位進行資源再利用；危險廢物通過委托有資質第三方機構處理；廢氣通過排污裝置合規排放；噪音通過車間隔音措施等方式處理。
材料屬性對比
第一、二、三、四代半導體材料各有利弊，并無絕對的替代關系，而是在特定的應用場景中存在各自的比較優勢。這應該是建立的一個常識認知。以下材料的性能對比：
注1：碳化硅有200多種結構，以上為常見的4H-SiC，氧化鎵為β-氧化鎵
注2：數據來源為《寬禁帶半導體高頻及微波功率器件與電路》，趙正平著，國防工業出版
硅屬于半導體材料，其自身的導電性并不是很好。然而，可以通過添加適當的摻雜劑來精確控制它的電阻率。制造半導體前，必須將硅轉換為晶圓片(wafer)。這要從硅錠的生長開始。單晶硅是原子以三維空間模式周期形成的固體，這種模式貫穿整個材料。多晶硅是很多具有不同晶向的小單晶體單獨形成的，不能用來做半導體電路。多晶硅必須融化成單晶體，才能加工成半導體應用中使用的晶圓片。加工硅晶片生成一個硅錠要花一周到一個月的時間，這取決于很多因素，包括大小、質量和終端用戶要求。超過75%的單晶硅晶圓片都是通過Czochralski(CZ，也叫提拉法)方法生長的。
至于碳化硅，根據《中國戰略性新興產業：新材料（第三代半導體材料）》，與硅相比，碳化硅擁有更為優越的電氣特性：①耐高壓：擊穿電場強度大，是硅的 10 倍，用碳化硅制備器件可以極大地提高耐壓容量、工作頻率和電流密度，并大大降低器件的導通損耗。②耐高溫：半導體器件在較高的溫度下，會產生載流子的本征激發現象，造成器件失效。禁帶寬度越大，器件的極限工作溫度越高。碳化硅的禁帶接近硅的3倍，可以保證碳化硅器件在高溫條件下工作的可靠性。硅器件的極限工作溫度一般不能超過 300℃，而碳化硅器件的極限工作溫度可以達到 600℃以上。
同時，碳化硅的熱導率比硅更高，高熱導率有助于碳化硅器件的散熱，在同 樣的輸出功率下保持更低的溫度，碳化硅器件也因此對散熱的設計要求更低，有助于實現設備的小型化。③實現高頻的性能：碳化硅的飽和電子漂移速率大，是硅的2倍，這決定了碳化硅器件可以實現更高的工作頻率和更高的功率密度。基于這些優良的特性，碳化硅襯底的使用極限性能優于硅襯底，可以滿足高溫、高壓、高頻、大功率等條件下的應用需求，已應用于射頻器件及功率器件。
接下來看不同器件對比。
功率器件，相同規格的碳化硅基MOSFET與硅基MOSFET相比，其尺寸可大幅減小至原來的1/10，導通電阻可至少降低至原來的1/100。相同規格的碳化硅基MOSFET較硅基IGBT的總能量損耗可大大降低70%。碳化硅功率器件具有高電壓、大電流、高溫、高頻率、低損耗等獨特優勢，將極大地提高現有使用硅基功率器件的能源轉換效率，對高效能源轉換領域產生 重大而深遠的影響，主要應用領域有電動汽車/充電樁、光伏新能源、軌道交通、智能電網等。碳化硅器件具有低損耗、高開關頻率、高適用性、降低系統 散熱要求等優點，將在光伏新能源領域得到廣泛應用。
例如，在住宅和商業設施光伏系統中的組串逆變器里，碳化硅器件在系統級層面帶來成本和效能的好處。陽光電源等光伏逆變器龍頭企業已將碳化硅器件應用至其組串式逆變器中。電動驅動系統中，主逆變器負責控制電動機，是汽車的關鍵元器件，特斯拉Model 3的主逆變器采用了意法半導體生產的24個碳化硅MOSFET功率模塊。
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▲圖四 不同襯底器件對比圖
碳化硅基氮化鎵射頻器件具有良好的導熱性能、高頻率、高功率等優勢，有望開啟其廣泛應用。氮化鎵射頻器件是迄今為止最為理想的微波射頻器件，因此 成為 4G/5G 移動通訊系統、新一代有源相控陣雷達等系統的核心微波射頻器件。氮化鎵射頻器件正在取代 LDMOS在通信宏基站、雷達及其他寬帶領域的應用。隨著信息技術產業對數據流量、更高工作頻率和帶寬等需求的不斷增長，氮化鎵器件在基站中應用越來越廣泛。
根據 Yole 預測，至2025年，功率在3W以上的射頻器件市場中，砷化鎵器件市場份額基本維持不變的情況下，氮化鎵射頻器件有望替代大部分硅基 LDMOS 份額，占據射頻器件市場約50%的份額。
氮化鎵射頻器件主要基于碳化硅、硅等異質襯底外延材料制備的，并在未來一段時期也是主要選擇。相比較硅基氮化鎵，碳化硅基氮化鎵外延主要優勢在其材料缺陷和位錯密度低。碳化硅基氮化鎵材料外延生長技術相對成熟，且碳化硅襯底導熱性好，適合于大功率應用，同時襯底電阻率高降低了射頻損耗，因此碳化硅基氮化鎵射頻器件成為目前市場的主流。根據 Yole 報告，90%左右的氮化鎵射頻器件采用碳化硅襯底制備。
生產商家對比
我們還需要對廠商進行一些基本的分析。其中硅基片主要生產商家資料如下。
▲圖五 硅基生產商家對比
（1）信越化學
①信越化學（4063.T） 信越化學是全球排名第一的半導體硅片制造商，是日本著名的化學品公 司。信越化學設立于 1926 年，為東京證券交易所上市公司。主營業務包括 PVC（聚氯乙烯）、有機硅塑料、纖維素衍生物、半導體硅片、磷化鎵、稀土 磁體、光刻膠等產品的研發、生產、銷售。信越化學采取多元化發展戰略，在 多個產品領域均全球領先。信越化學于 2001 年開始大規模量產 300mm 半導體 硅片，半導體硅片產品類型包括 300mm 半導體硅片在內的各尺寸硅片及 SOI 硅片。
（2）Siltronic
Siltronic是全球排名第四的半導體硅片制造商，主營經營地在德國于2015年在法蘭克福證券交易所上市。Siltronic專注于半導體硅片業務，從1953年開始從事半導體硅片業務的研發工作，1998年實現300mm半導體硅片的試生產，2004年300mm半導體硅片生產線投產。主要產品包括125-300mm半導體硅片。2016年至 2018 年，Siltronic實現營業收入 9.33億歐元、11.77億歐元、14.57億歐元，2017年、2018年同比增長26.15%、23.79%。
再看碳化硅基生產主要商家資料。
▲圖六 碳化硅襯底主要生產商家資料
（3）Cree
Cree成立于1987年，于1993年在美國納斯達克上市。Cree的子公司 Wolfspeed 從事碳化硅、氮化鎵等寬禁帶半導體襯底、功率器件、射頻器件等產品的技術研究與生產制造；此外，科銳公司還曾從事 LED 芯片及組件等業務。科銳公司能夠批量供應 4 英寸至 6 英寸導電型和半絕緣型碳化硅襯底，且已成功研發并開始建設 8 英寸產品生產線，目前科銳公司的碳化硅晶片供應量位居世界前列。2020 年 10 月 13 日，科銳公司將 LED 產品業務出售，全力爭取電動汽車、5G 通信和工業應用等領域的增長機會。
（4）貳陸公司（納斯達克：IIVI）
貳陸公司成立于 1971 年，是工程材料、光電元件和光學系統領域的全球領先企業，為材料加工、通信、航空航天與國防、生命科學、半導體設備、汽車和消費電子等領域的應用提供垂直整合解決方案，于 1987 年在美國納斯達克上市。貳陸公司能夠提供 4 至 6 英寸導電型和半絕緣型碳化硅襯底。目前貳陸公司的碳化硅襯底供應量位居世界前列。
總結與展望
總結以上信息可知，中國的半導體事業正處于蒸蒸日上百家爭鳴的繁榮快速發展階段，目前硅基產品在市場的占有率很大，但是局限性明顯，碳化硅基片的產品明顯優勢很多，但是相對于硅基其價格、制備難度等等是阻礙其發展的一大挑戰。
