2022年5月初，国产第三代半导体材料又有新突破，中科院物理研究所科研人员通过优化生长工艺，改善晶体结晶质量，成功制备出厚度接近19.6mm的单一4H（4H具有禁带宽度大、临界击穿电场高、热导率高、饱和速度大等优势，适用于功率电子）晶型的8英寸碳化硅（SiC）晶锭（晶体），实现了国产大尺寸碳化硅单晶衬底的突破。8英寸19.6mm算不算突破？我们往下看。
国内：直径不同，厚度各异
上述研发团队解决了多型相变问题，持续改善晶体结晶质量，生长出的8英寸碳化硅晶坯（未经加工）厚度接近19.6mm，并加工出厚度约2mm的8英寸碳化硅晶片，对其进行了相关测试。
2017年，在已有的研究基础上，中国科学院物理研究所先进材料和结构分析实验室主任、团队负责人陈小龙研究员等开始了8英寸碳化硅晶体的研究，通过持续攻关，掌握了8英寸生长室温场分布和高温气相输运特点，以6英寸碳化硅为籽晶，设计了有利于碳化硅扩径生长的装置，解决了扩径生长过程中籽晶边缘多晶形核问题；设计的新型生长装置提高了原料输运效率；通过多次迭代，逐步扩大碳化硅晶体的尺寸；通过改进退火工艺减小了晶体中的应力，从而抑制了晶体开裂。2021年10月在自研衬底上初步生长出了8英寸碳化硅晶体。
6月17日，科友半导体（哈尔滨科友半导体产业装备与技术研究院有限公司）宣布，其实验线生长6英寸碳化硅晶体在厚度上实现突破，达到32.146mm的“业内领先水平”。此前的2月突破20mm，4月突破28mm。这样具体的尺寸还不多见。
科友半导体2018年成立，自主研发的碳化硅长晶炉（PVT（物理气相升华法）法感应炉）已有99%部件实现国产替代。在产业化方面，2021年10月，其一期生产车间大楼建成将铺设100台套设备。项目全部达产后，将年产碳化硅衬底近10万片；PVT-SiC晶体生长成套设备年产销200台套。
科友半导体称，其长晶炉的技术优势有三个方面：一是采用双线圈设计，基于多物理场仿真模拟，分别优化两个线圈的间距、匝数、线圈位置等参数实现籽晶与料源温场的独立控制，获得大尺寸高质量碳化硅生长温场。二是创新型独立支撑设计坩埚旋转结构，在生长过程中独立于保温旋转，降低保温对坩埚温场的影响，解决温场不可控难题，提升晶体生长成品率。三是优化坩埚和温度梯度结构，揭示晶体结晶和动力学过程，解决碳化硅晶体缺陷富集的难题。
上述两家的长晶设备都是自研的，还有一家叫恒普科技（宁波恒普真空科技股份有限公司），主要从事金属注射成形（MIM）脱脂烧结炉、碳化硅长晶炉、碳化硅同质外延设备等热工装备的研发、生产和销售。
6月，恒普科技推出新一代2.0版碳化硅电阻长晶炉，是基于其上一代6、8英寸电阻炉的全新版本。据称新的长晶炉是以轴径分离核心技术实现石墨发热的碳化硅晶体生长技术平台，突破性解决了晶体长大、长快、长厚的行业核心需求。
新一代石墨发热长晶炉在籽晶径向主动调节区域温度，轴向温度通过料区热场调节，从而实现轴径分离。随着晶体生长厚度的增加，籽晶区域采用径向平面发热体，可主动调节径向平面温度，实现径向平面的可控热量散失。随着原料分解，料的导热率发生变化使其上部结晶，料区热场温度可根据料的状态主动调节。
设定生长工艺时，只需直接设定籽晶区域温度曲线和轴向温度梯度温度曲线，实现“所见即所得”，降低工艺耦合难度，避免了工艺黑箱。为了实现轴径分离，对温度进行精准控制，新炉型标配了闭环控制全程长晶工艺温度。
据说石墨热场发热长晶炉具有温度的稳定性、过程重复性、温度场可控性，更适合大尺寸碳化硅晶体生长，包括8英寸或更大尺寸。不过报道中并没有介绍用户生长出的晶体有多厚。
早在4月，媒体报道恒普科技推出新一代碳化硅感应长晶炉技术平台，碳化硅8英寸炉已经开始量产。报道指出，当下国内主流碳化硅晶体生长速度在0.1-0.2mm/h，晶体厚度在15-25mm，晶体尺寸在从4英寸向6英寸切换。国际上主流碳化硅晶体生长速度在0.2-0.3mm/h，晶体厚度在30-40mm，晶体尺寸在由6英寸转向8英寸。
经请教业内专家称，碳化硅晶体PVT法长晶炉多为感应式。无论是技术追赶，还是市场需求，在保证晶体质量的前提下，让碳化硅晶体长快、长厚、长大是行业急迫需要解决的核心需求。恒普科技的感应发热技术平台可以解决这个问题。2款新的感应晶体生长炉型满足6英寸、8英寸需求；无籽晶托或超薄籽晶托，自由热膨胀利于应力释放，减少由应力产生的缺陷；料区与籽晶区更灵活的温度梯度调节；固定式水平线圈无需调节轴向移动，减少工艺变量，提高工艺稳定性。
在热场方面，可以装入更多原料，利用率高；料区温度分布对长晶影响的敏感度下降；增加了蒸发面积，可在超低压力下生长；传质效率提高且稳定，降低再结晶影响（避免二次传质）；减少边缘缺陷的扩径技术；生长后期降低碳包裹物的影响。
至于恒普科技设备的长晶厚度目前尚无确切信息。
为什么碳化硅厚度长不大？
2020年2月，露笑科技董秘李陈涛接受采访时表示：“无论是PVT法、LPE法，还是HTCVD法，都存在长晶速度慢，产能小等问题。PVT法下72小时只能生长不到20mm厚的晶锭，一次仅能切割不到10片晶片，所以碳化硅片价格极其昂贵。”
行业专家指出，碳化硅片昂贵的主要原因是缺乏高效的晶体制备技术，“谁能真正更快地解决此类问题，将能抢占市场，成为真正的行业龙头。”经与国内几家碳化硅晶锭厂商交流，普遍的说法是：国内仍以6英寸为主，8英寸在研，厚度一般在20mm左右。
陈小龙研究员认为，碳化硅技术最大的困难首先是基础研究，一些基本规律很难探索，因为材料是在2300至2500℃生长的，难以直接观察晶体生长情况，这是研究上的难点。在整个生长过程涉及的问题很多，包括相变、各个晶型相互转换、气氛控制、生长中如何避免缺陷，尤其是一些微观缺陷的形成等问题。
衬底生产过程中的核心难点在于精确控制。碳化硅单晶生长温度非常高，且碳化硅只有“固-气”二相，相比第一代、第二代半导体的“固-液-气”三相，控制起来要困难得多，没有相关技术可以参考借鉴。
另外，碳化硅的单晶结构有200余种同分异构体，很多晶型间的自由能差异非常小，这些都给其单晶的产业化生长制备带来了很大的挑战。这些问题处理不好，直接结果就是碳化硅单晶体中的缺陷。进入产业化阶段的最大问题在于怎样提高晶体良率，也就是长晶的重复性和稳定性一定要高。和实验室研究不同，产业化是一种生产行为，要求每次生长高度一致，最重要的还要降低成本，能够满足下游客户需求。如果不同批次的质量有所波动，下游客户是不能接受的。
现在面临的问题还涉及进一步增加尺寸，6英寸不是一个终点尺寸，还有8英寸、12英寸，增加尺寸都会带来新的问题，无论是生长还是后续加工，都需要不断去解决。
事实上，用过五关斩六将来形容碳化硅制造一点也不过分。主要原因是生产周期、生产难度和市场条件。碳化硅材料长晶速度非常慢，每小时只能生长0.2至0.3mm，效率非常低；而硅单晶72个小时就能长两三米，很容易就能达到数米。
笔者了解到，在碳化硅晶体生长技术方面，与以往硅锭在融液中形成晶体的液相生长方式相比，升华法生长速度慢，容易产生晶体缺陷，因此对晶体控制需要更精细的技术。罗姆旗下的SiCrystal采用数值模拟方式（“改良瑞利法”），在高温下使碳化硅粉末升华，在低温晶种下使之结晶，以此制备出高质量的碳化硅晶锭。
不管怎样，长晶的过程就是“黑箱”操作，技术门槛高，需要积累经验。目前，碳化硅生长的体积（直径）比较小，大多数情况下只能制备出直径4英寸或6英寸晶圆，硅的最大尺寸已达12英寸。硅已经做了几十年，缺陷非常少，以个/片来描述；碳化硅规模应用不到十年，缺陷单位是个/平方厘米。如果长晶阶段缺陷比较多，整个碳化硅单晶锭就会报废，浪费生产投入的时间和能量。另外，在外延工艺，衬底上的缺陷会继承甚至被放大，从而影响外延良率；而用有缺陷的外延制造碳化硅芯片，良率也会降低。
国外：晶锭厚度雾里看花
国际上，晶锭厚度到底是多少，相信你很难查到。2019年8月，GT Advanced Technologies（GTAT）和环球晶圆曾签署长期碳化硅材料供应协议，后者将使用GTAT碳化硅晶锭制造6英寸碳化硅晶圆。2020年3月，GTAT与安森美签订为期5年的协议总价值可达5000万美元协议，将向后者供应其6英寸碳化硅晶锭CrystXSiC™，用于高增长市场和应用。当时的报道称，CrystXSiC™的目标可用高度为25毫米或以上。
2020年10月，境外有媒体报道了GTAT从晶体生长设备制造商转向材料制造并开始生产的消息。同年11月，GTAT与英飞凌签署碳化硅晶锭供货协议，合同为期5年。根据供货合同，GTAT将进一步确保满足英飞凌在该领域不断增长的需求，包括已面向工业应用市场推出业界规模最大的CoolSiC™ 产品组合，还有正在迅速扩大面向消费和汽车应用的产品组合。
事实上，2017年GTAT就宣布推出6英寸n型（通过掺入氮制成）CrystXSiC晶锭，并称拥有数十年晶体生长领域（此前是光伏组件用单晶材料）经验。GTAT总裁兼首席执行官Greg Knight说：“现在我们的设备有20多台，需要的话可以增加到300台。在晶体生长方面的传统给我们提供了生产CrystXSiC的极好平台，未来我们将积极专注于降低成本。”
产生碳化硅升华所需的高温有两种选择，与碳化硅衬底的价格有关：一种是电阻加热炉，通过辐射将热量从加热器传递到坩埚；另一种是以坩埚作为加热器的感应加热。电阻炉设备固定成本高，通过操作和技术改进来降低成本机会有限；感应法资本支出少，生产率较高，电耗较低且体积较小。出于上述原因，GTAT采用了感应法。
看看GTAT的背景，2011年8月，作为全球最大的光伏铸锭设备制造商之一的GT Solar更名为GT Advanced Technologies。2012年10月底，GTAT大规模重组，裁员25%，将业务部门合成一个晶体生长部门，又宣布由于光伏、多晶硅和蓝宝石设备核心业务遇到困境将退出市场。
2013年，GTAT称制造出一种体积大两倍的“晶柱”，可作为手机屏幕，并与苹果签署5.78亿美元协议，但将近半数晶柱因破裂“无法使用”，令GTAT 5年官司缠身。2014年10月6日，GTAT提出破产保护申请，股价单日跌幅92.76%，几乎跌没。之后，GTAT面临美国证券交易委员会调查起诉、拖欠苹果债款、变卖设备、裁员40%等。
2018年到2019年，北京京运通科技公告与GTAT签署许可协议，一次性支付技术许可费136.5万美元作为Czochralski连续直拉单晶炉的技术使用费，加速光伏组件中单晶材料的使用。这是在GTAT早已退出光伏市场之后。
2019年，意法半导体收购Norste公司，并将其更名为意法半导体碳化硅公司，依托其在碳化硅晶锭生长技术开发方面的深厚积累和沉淀，为自己的碳化硅器件制造提供来源。2021年7月，意法半导体成功制造出8英寸碳化硅晶圆，意味着晶锭也是8英寸。据称ST的首批8英寸碳化硅晶圆片质量上乘，影响芯片良率和晶体位错的缺陷非常少，合格芯片产量达到6英寸晶圆的1.8-1.9倍。
或许是上游材料供应并不解渴，亦或感觉到供应链存在危机，2021年11月，安森美完成4.2亿美元对GTAT的收购，据称以增强安森美确保和增加碳化硅供应的能力。安森美的目的是扩大和加速GTAT的碳化硅开发规模，保证客户关键器件的原料供应，进一步商用化“智能电源”技术。
从碳化硅价值链可以看出，GTAT的晶体生长和安森美的器件业务之间还隔着一级晶圆制造。不过，安森美却在2022年3月完成了其位于比利时Oudenaarde的晶圆制造厂的出售，又在6月签署最终协议剥离其在美国缅因州南波特兰的工厂。用安森美的话说是“剥离落后晶圆制造产能”。图中显示，GTAT的晶体生长也是PVT法。
安森美2022财年第一季度财报预计，其资本支出约为1.5至1.7亿美元，主要用于扩产12英寸硅产线产能，以及用于在2022年将碳化硅产能扩充4倍。财报也提到了碳化硅业务方面GTAT的扩展。
通过收购GTAT，安森美搭建了从碳化硅晶锭到器件和模块封装的垂直整合模式，不过还没有扩产投产的详细报道。
2022年7月初，安森美Roman Malousek和Jan Chochol在“超结推进碳化硅中的超级器件” 研究报告中指出：“整个电力电子行业都在进行碳化硅活动。毫无疑问，碳化硅器件的介电击穿场强是硅的十倍，电子饱和速度是现任器件的两倍，带隙的三倍，热导率是硅的三倍。所有高功率应用都受益于这些特性。因此，供应商、晶圆厂和OEM正在接受碳化硅的快速采用也就不足为奇了。所有人都在努力超越竞争对手。”
他们明确表示，如果不扩大整个碳化硅生态系统，碳化硅器件的采用及其相关发展是不可能的。无论是制作衬底，都涉及晶圆、研磨、抛光，或外延生长及其他前端或后端工艺；每一步都是一项要求很高的操作，需要利用来之不易的专业知识和专业工具。
他们介绍说，安森美碳化硅最初是2014年从飞兆半导体（Fairchild）收购的，那时这种技术并不起眼。后来的器件技术一直是由以下各方密切合作开发的：“瑞典硅谷”Kista的设计中心；韩国布川的设备和工艺集成团队；以及开发碳化硅外延技术的美国缅因州南波特兰的工程团队。
他们还披露：“我们目前的职责包括支持韩国布川和捷克Rožnov pod Radhoštěm关键晶圆厂的碳化硅开发和生产。这个坐落在贝斯基德山脉的小镇关注材料开发，并获得了该地区最具创新公司奖。”
Roman Malousek说：“收购GT使我们公司提高了垂直整合水平，巩固了碳化硅器件组合，也加强了我们在电力电子行业中的重要地位，并磨砺了前沿的碳化硅技术。”
由此可见，器件厂商向上游收购材料供应商已成为一个趋势。不过，作为全球碳化硅功率器件领域的翘楚，英飞凌还没有考虑收购材料公司，还是在履行与Wolfspeed、SiCrystal、安森美旗下GTAT及昭和电工签订了碳化硅衬底/晶锭/外延片的长期供货协议，提前锁定产能，以期后续能够快速响应市场。
有一点可以肯定：一旦下游厂商完成了材料供应商收购，信息的披露也就不那么透明了，所以晶锭的确切厚度还是一个谜。目前的说法是：国外厂商产品厚度差不多可以到50mm，不过未经证实。经与一些公司交流，结果惊人的相似：A公司“目前量产的是6英寸，2024年量产8英寸，其他数据（晶锭厚度）暂时没有”；B公司“目前是6英寸，厚度没有公开资料呢”；C公司“这个信息我这边也不掌握”；D公司“现在是6英寸，计划在2024年下旬逐步转向8英寸晶圆”（厚度没有给）；E公司：“这个信息我这边也不掌握”；F公司：“也不知道问谁，我们在中国没有前端制造的业务。”
还有一家上面提到的公司——英飞凌，其资深工程师在介绍碳化硅冷切割技术商用化时表示“因为碳化硅价格很高，主要原因是原材料成本太高，占到总成本一半以上。如果想把碳化硅价格降下来，让它用到更多应用和市场，就要想办法从源头降低成本。”
他说：“买回来的碳化硅原材料最初是4、5厘米厚的晶锭，需要将它切成晶圆，在晶圆上生长外延，再做器件。前道材料损耗非常大的工序是晶锭切割，一个4、5厘米厚的晶锭要切成几百微米的晶圆，切割难度很大，特别是碳化硅硬度很高，切割时损耗很大。英飞凌的冷切割技术是在低温下用激光切割，损耗非常小，可以将产能效率提高2至3倍。这对最后成本的降低大有好处。”
那么，英飞凌“买回来的”晶锭厚度的确是40、50mm，它从谁家买的，这家现在的归属也就一目了然了。
吃着碗里，看着锅里
4月下旬在莫霍克山谷开设新的8英寸设施的Wolfspeed联合创始人兼首席技术官John Palmour博士在接受记者采访时表示：“我们的8英寸碳化硅2024年将全面达产。从一开始我们就致力于碳化硅二极管和MOSFET开发，平面栅碳化硅MOSFET技术优势远未耗尽。”这与行业采用沟槽栅的共识有些矛盾。
至于一个8英寸晶圆能出多少颗碳化硅MOSFET，他回答说：“8英寸晶圆面积大得多，多出80%到85%。更重要的是，更大晶圆能够将碳化硅MOSFET的制造成本降低多达30%。”
那么，未来10年到15年，我们会看到在12英寸晶圆上制造碳化硅MOSFET吗？John Palmour认为，这主要取决于届时碳化硅MOSFET的市场规模。如果需求足够大，12英寸晶圆生产就会有利可图。“我预计，转向12英寸晶圆不会有任何重大的技术限制。晶体生长是时间和金钱的问题，在设备制造方面，硅为生产12英寸晶圆的工艺和处理铺平了道路。如果需求情况合适，切换到12英寸晶圆可能有助于碳化硅MOSFET的生产。”
他还透露，目前Wolfspeed在与6家设备制造商进行合作，一些企业专门为其工艺开发特殊设备，以保证高度自动化生产。“起初，我们计划逐步为新工厂配备8英寸设备，但我们很快就放弃了这一策略，我们为自己能够在如此短的时间内实现高度自动化而感到自豪。在设备交货时间方面，我们预计工厂最早将在2024年达到全部生产能力，并且我们正在迅速采购设备，在未来几年内为工厂提供充足的产能。”
无独有偶，7月中旬芜湖举办的“PSiC2022第五届中国国际新能源汽车功率半导体关键技术论坛”上，安森美首席碳化硅专家、中国区汽车团队技术市场负责人吴桐在“碳化硅如何改变电动汽车的未来”的演讲中表示：“平面栅还有机会，现在没有必要激进地走到沟槽栅，”与Wolfspeed John Palmour博士的说法不谋而合。
关于收购GT，吴桐说：“收购有助于我们从6英寸到8英寸转型。GT的晶锭在40mm左右，补足了安森美此前缺少的前道工艺。”
综上，您是否可以得出碳化硅晶锭的厚度是多少毫米呢？
