从“卡脖子”到彻底摆脱进口依赖 小小碳化硅晶片背后有大能量

  说起碳化硅晶片,大家也许会觉得很陌生。但在我们熟知的电动汽车和5G通信中,它却发挥着举足轻重的作用。5G之所以速度快,是因为它有一颗非常强大的心脏,这个心脏依赖的就是一片薄如纸的碳化硅晶片。虽然从外表看只是个小圆片,但作为目前全球最先进的第三代半导体材料,碳化硅晶片具有其他材料不具备的诸多优点,是制造高温、高频、大功率半导体器件的理想衬底。除电动汽车、5G通信外,在国防、航空航天等领域,碳化硅晶片也有着广阔的应用前景,它的研究和应用极具战略意义,有着不可替代的优势,被视作国家新一代信息技术核心竞争力的重要支撑。5月12日,习近平总书记来到山西转型综合改革示范区政务服务中心改革创新展厅,了解示范区改革创新发展情况。位于示范区内的中国电科(山西)碳化硅材料产业基地,就是全国最大生产规模的碳化硅生产基地。

  从长期依赖进口、被国外“卡脖子”,到掌握批量生产技术、实现完全自主供应,近年来,中国的碳化硅研制与生产成效卓著。这小小的晶片里蕴含着哪些创新技术?研发制造过程中又运用了哪些高超工艺?让我们一探究竟。

  晶片有什么用途?

  每生产一辆电动汽车,至少要消耗一片碳化硅

  厚度0.5毫米,约为5张A4纸的厚度;直径4英寸或6英寸,和一张CD光盘差不多。这样一个薄薄的圆片,就是碳化硅晶片。而就是这样一个薄片,市场售价却在2000美元左右,还经常是“一片难求”。

  碳化硅晶片为何这么抢手?这还要从碳化硅这一材料说起。

  碳化硅材料作为成熟的第三代半导体材料,具有耐高温、大功率、高频等天然优势,在新能源汽车、智能电网、轨道交通、工业电机、5G通信等领域展现出极大的应用潜力,在许多战略行业都有重要应用价值。与普通硅相比,碳化硅器件的耐压性是同等硅器件的10倍。同时,碳化硅材料对电力的能耗极低,是一种理想的节能材料。如果按照年产40万片碳化硅晶片算,仅仅应用在照明领域,每年减耗的电能就相当于节省2600万吨标准煤。

  记者了解到,目前,碳化硅制成的晶片主要应用在两个方面。一个是作为衬底用于制作射频器件,比如今年政府工作报告提到的新基建中的5G基站建设、城际高速铁路、新能源汽车充电桩等。就5G基站建设来说,5G之所以传输速度快,是因为它有强大的5G芯片。而碳化硅晶片,就是5G芯片最理想的衬底。“现在咱们家里边也有5G的一些小路由器,但它只是在室内,辐射距离很短,5G基站的辐射范围至少要达到几公里。这么高的功率,用碳化硅替代硅做射频器件,就可以让设备的体积做得更小,还能降低能量损耗、增加设备在恶劣环境下的可靠性。”山西碳化硅生产企业——中国电子科技集团公司(以下简称中电科)技术总监魏汝省介绍道。

  碳化硅晶片的另一个作用是用于制造电力电子器件,比如三极管,主要的应用领域是电动汽车。魏汝省表示:“目前,电动汽车的续航还是个问题。如果用上碳化硅晶片的话,就能在电池不变的情况下,使汽车的续航力增加10%左右。虽然碳化硅在电动汽车上的应用才刚刚起步,尚在开发中,但每生产一辆电动汽车,至少要消耗一片碳化硅,所以发展前景广阔。”

  除了功能强大,碳化硅晶片之所以如此珍贵的另一个更为重要的原因,是碳化硅器件对工艺要求很高。其中,高稳定性的长晶工艺技术是其核心,原来只有美国等少数发达国家掌握,全球也仅有极少数企业能商业化量产。我国的碳化硅晶体研究起步较晚,20世纪90年代末才刚刚开始。但近年来,我国在碳化硅晶片领域奋力追赶,从基本原理研究和基础实验做起,逐渐掌握了碳化硅晶片技术,一步一步,从实验室走向了产业化。2018年,中电科二所历经11年艰苦攻关,在国内率先完成4英寸高纯半绝缘碳化硅单晶衬底材料的工程化和6英寸高纯半绝缘碳化硅单晶衬底的研发,一举突破国外对我国碳化硅晶体生长技术的长期封锁。如今,国内已经实现了6英寸碳化硅晶片和外延片的研制,晶体质量接近国际水平。

  晶片制造难在哪里?

  晶体中连头发丝几十分之一细的微管都不能有

  “碳化硅具有十分稳定的特性,所以在一些恶劣环境下仍可稳定工作。也正是因为稳定的化学键,碳化硅生产的技术门槛非常高。”谈起碳化硅晶片研制之难,中国科学院半导体研究所副所长张韵列举了以下几个方面,“碳化硅晶锭生长条件苛刻,需要高温(~2600℃)和高压(>350MPa)生长环境;晶体生长速度缓慢,产能有限,质量也相对不稳定;受到晶片生长炉尺寸限制,束缚了晶锭尺寸;碳化硅属于硬脆材料,硬度仅次于金刚石,切割难度大,研磨精度难控制。”

  要想生产出高质量的碳化硅晶片,必须攻克这些技术难关。“咱们国内就射频器件方面一年就有10万片的需求量,国外又对此类产品封锁禁运,核心技术花钱是买不来的,只有自力更生,才能彻底解决被‘卡脖子’的问题。”中电科总经理李斌向记者介绍了碳化硅晶片的复杂生产过程,“把高纯度的碳化硅粉料放到长晶炉里加热到2000多摄氏度,让颗粒直接汽化,再控制它重新结晶,长成一个直径为4英寸或6英寸的圆饼状晶锭。之后,我们用很多根直径仅0.18微米的金刚石线,同时切下去,把晶锭切成一片一片的圆片。每一片圆片再放到研磨设备里,把两边磨平,最后进行抛光,得到透明玻璃片一样的晶片。”

  目前,生产碳化硅晶片的两大关键技术是晶体生长和晶片的切割抛光。张韵表示,上游企业所生产的晶片尺寸和质量会影响下游碳化硅器件的性能、成品率及成本。只有把衬底质量做好了、成本降低了,才能让下游的科研机构或者企业不再束手束脚,有更多的机会去多做器件级研究。

  记者了解到,一个直径4英寸的晶片一次可做成1000个芯片,而6英寸的晶片一次可做成3000个芯片,所以直径大的晶片更有优势。从2英寸到6英寸,其中的关键是扩晶技术。“碳化硅晶片是由一个种子开始一层层生长起来的,从2英寸长到3英寸再到6英寸。在这个生长过程中,晶体很容易出现缺陷。”中电科生产主管毛开礼说,“我们的一个指标叫微管,就是晶体中出现的大概只有头发丝几十分之一细的一个管状孔洞,眼睛是看不到的。一旦出现微管,整个晶体就不合格了。由于温度太高,没办法进行人工干预,所以整个生长过程就如同‘蒙眼绣花’,这恰恰是晶片最核心的技术。解决这个技术难题,我们用了七八年的时间。”

  碳化硅晶片的加工也是一个艰难过程。毛开礼表示,晶片的粗糙度要求是表面起伏小于0.1纳米,国内现在是采用化学和机械联合的方式进行抛光。“从技术上来说,我们的一个圆片原来切完的话,可能是700-800微米厚,而最终产品要求是500微米,所以相当于要磨掉几百微米。现在我们通过技术改进,切完大概就是550微米,只需磨掉50微米左右,整个生产成本有了大幅降低。”

  晶片量产前景如何?

  600台长晶炉、18万片年产量,彻底摆脱进口依赖

  今年3月,中国电科(山西)碳化硅材料产业基地在山西转型综合改革示范区正式投产,第一批设备正式启动。基地一期项目可容纳600台碳化硅单晶生长炉,项目建成后将具备年产10万片4-6英寸N型碳化硅单晶晶片、5万片4-6英寸高纯半绝缘型碳化硅单晶晶片的生产能力,是目前国内最大的碳化硅材料产业基地。这一基地的启动,将彻底打破国外对我国碳化硅封锁的局面,实现碳化硅的完全自主供应。

  在基地的碳化硅生产车间,白色的长晶炉一字排开,碳化硅晶片正在里面安静生长。李斌介绍:“现在,咱们所使用的粉料合成设备、长晶炉,都是自己研发、自己生产的全国产化的设备。设备的配套产品和功能元器件能满足长期、稳定、可靠使用的要求,同时节能效果好,具有连续工作高稳定性和良好精度保持性。”

  对于国内半导体领域来说,产业化规模效应,不仅降低了碳化硅晶片的成本,也不断促使碳化硅晶片质量提升。据李斌介绍,目前国际上碳化硅晶片的合格率最高是70%-80%,而原来国内实验室生产的碳化硅晶片的合格率仅有30%。但在碳化硅产业基地,这个合格率可以达到65%。

  实现这样高的合格率,一个是靠先进的设备,一个是靠管理。毛开礼介绍:“我们把所有的工艺分成若干段,增加了大量的一线工人,每段每个人只干这一件事情,不仅效率会提高,而且出错率也大幅降低,因为原来一个人要参与前前后后大概有三四十道工序,不利于专业化,出错率就会很高。”

  目前,基地已经实现4英寸晶片的大批量产,6英寸高纯半绝缘碳化硅单晶衬底也已经开始工程化验证,为客户提供小批量的产品试用,预计年底达到产业化应用与国际水平相当。展望未来,李斌信心满满地说,“在碳化硅领域,我们要紧跟国际的脚步,因为目前我国在第三代半导体材料上跟国际的差距相对较小,我们要保证不能掉队。习近平总书记说过,核心技术靠化缘是要不来的。在关键领域、卡脖子的地方要下大功夫。现在我们在实现迅速研发的同时也进一步开展量产,三年内整个项目要达到18万片每年的产能。另外,我们目前在进行8英寸晶片的研究,希望三年之后,我们能有8英寸的样片出来。因为晶片是整个碳化硅产业链的上游,要走到器件研究的前面。”


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