$三安光电(SH600703)$ 2024年6月19日-20日，由巨力自动化总冠名，电动汽车电驱动系统全产业链技术创新战略联盟主办，中国电工技术学会电动车辆专委会协办，NE时代承办，中车电驱、上海电驱动为战略合作单位的“2024第四届全球xEV驱动系统技术暨产业大会”在上海嘉定圆满召开。
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湖南三安半导体有限责任公司总经理助理高玉强博士就《8英寸碳化硅单晶材料进展》进行了主题报告，内容如下：
今天的会议大部分讲器件和封装，材料就这一个报告。实际上碳化硅器件的成本和可靠性和材料的相关性是最大的，我讲一下三安为了提高碳化硅器件的可靠性在材料质量和降低成本方面做的工作，8英寸是报告的本次报告的题目。
我这个报告分三部分：
一、产业链的情况。
二、现在从6英寸到8英寸碳化硅材料的过渡和8英寸面临的技术趋势和挑战。
三、8英寸碳化硅单晶材料整个行业的发展情况和展望。
现在碳化硅电力电子产业链上公司比较多，既有垂直整合的公司，比如像ST、wolf speed、ROHM、三安。还有一些单项的，比如单做材料、做外延、做芯片的。大家的策略不同，但是目前都对标龙头企业如ST、英飞凌，去追赶，确确实实这个行业对于成本的要求越来越高，对质量的要求越来越高。
这个产业链分了上中下游，上游是材料，今天我讲的主题包含衬底、外延，这是器件的材料部分；中游是芯片和封装，下游的应用就是汽车，还有光伏、储能。今天会议的主题是下游占六七成以上的汽车领域的应用。但是目前产业链上游材料的成本占50%以上，可能后面占比更高，为什么会贵？为什么它的成本高？
刚才讲了它的优势非常多，碳化硅耐高温、高频、高功率、耐高压、散热好，为什么碳化硅会贵？大家都想用碳化硅，但是跟硅比它的长晶速度低，硅是拉单晶的（液相法），碳化硅是PVT（气相法），碳化硅的速率比硅慢600倍，速度非常慢。硅的单晶能拉两层楼高，几米，碳化硅是按毫米的，最大也就是50毫米左右，现在行业普遍做到二三十毫米，连50毫米都做不到，毫米到米差两个量级。
直径现在有点差，但是直径稍微好一点，努力的从6寸到8寸，曾经我们努力从4寸到6寸，赶上硅的尾巴，大家说我到6寸能赶上硅淘汰的6寸线了，现在三年不到说搞8寸线，也是硅的尾巴，用硅淘汰的8寸线。
另外一个是可靠性里面的问题，做CPU的硅能做到零缺陷，但碳化硅现在是1000的量级，缺陷又差了两个量级，造成了缺陷多、速度慢。缺陷多就质量差（相对硅来说），可靠性就差，良率就低，器件筛选的比例就低。第二，生长速度慢，虽然碳化硅中的碳和硅不值钱，但是速度太慢了，生产温度太高，硅是1400-1600度，碳化硅要2000多度，所以造成了生长难度高、效率低、缺陷多，这就是它贵的原因。
大家想用碳化硅，只能是不断扩大尺寸，从4寸到6寸，面积扩大了2.25倍，从6寸到8寸面积再扩大1.8倍，随着面积的扩大，理论来讲，面积越大，成本越低，硅也是这个规律。但面临的挑战就是你得保证质量的前提下，你不能降低质量，否则没有意义。第二，你长晶的效率和衬底的良率，8寸碳化硅的硬度仅次于钻石，所以切磨抛的难度非常大，还得保证良率；第三是控制成本，现在6寸的规格是350微米，8寸目前有两个规格，主流的规格还在500毫米，厚度上又高了20%多，你的成本又增加了20%多，你能不能控制成本跟6寸一致，这都是很大的挑战。
简单介绍一下现在材料的工艺路线，这里面有很多选择，但是这里面的挑战也很多。
第一，长晶方法有三种。
（1）PVT法。大部分同行都在用，包括wolfspeed、Ⅱ-Ⅵ、天科、天岳（音），PVT法是主流。
（2）HTCVD法。
（3）液相法。原来日本名古屋大学在做，包括国内目前也有几家创业公司在做，但是主要做P型的，做N型的还有困难。
HTCVD现在主要在日本，日本的电装在做。主流是PVT，液相法、HTCVD它们的优势还没有发挥出来。
切磨抛工艺，碳化硅的硬度很大，6寸的时候用多线切，金刚线切或砂线切，到8寸一切就要切10天甚至半个月，对设备要求很高，成本也很高，效率太低。现在有激光切割，但是激光剥片像日本三菱做激光剥离工艺做了20年，到现在为止才刚刚有所产业化，因为难度很大，激光剥片存在均匀性的问题，解决这些问题难度很大。但现在国内几家公司在做，比较激光切和线切割，目前还没有看到明显的优势。
另外一个是外延，有水平的外延方式、水平的、垂直的、多片、单片的。但是目前主流用得多的还是单片水平气流的，一个月的产能是300-400片（单片），到8寸还是单片，你这个效率就很低、产能很低，就不停地堆炉子，一台炉子几百万，你的资产很高，设备折旧很贵，成本降不下来。
现在到8寸我们也做了几年，讲一些现在的进展。从质量角度来讲，微管是致命缺陷，做到了8寸和6寸达到相当的水平。另外一个是对于BPD要求比较高，因为它影响电子迁移，搞材料的都知道它跟应力有关，我如何降低应力？通过降低应力之后，现在我们优化了BPD，原来从3000到1500，现在800到500，甚至到200，未来到100，我们在逐步提升质量。可以看到现在BPD的密度到8寸可以优化到质量上不输于6寸。
另外一个是TSD，TSD位错比较大，对于器件的漏电影响比较大。TSD也是有办法降低的，通过碳化硅台阶流的生长，把TSD慢慢推出去，把它推到边上然后慢慢的减少，这是一个很长期的迭代过程。
现在用KOH腐蚀法测试我们8寸衬底的TSD已经 做到非常低了，在业界这个数据应该是领先的，。TSD 8寸经过我们两年多的迭代，也把质量做到和6寸相当。
还有一个是器件可用面积，这个跟良率有关，叫Total Usable Area、TUA，把缺陷去掉以后你还有多少面积可以用，这样你晶圆芯片的可用面积才会高，现在能做到跟6寸相当。
还有一个是面型的问题，8寸的面积大了以后，翘曲就会变大。现在我们8寸衬底用500微米，把晶片从350微米拉到500微米，厚度高了150微米，我们实测500微米的8寸衬底面型好于350微米的6英寸衬底，但这是以成本为代价，整个成本高了20%多。这些是不可持续的，如果是这样的话，我们过渡不到8英寸，必须要降低厚度，要想把厚度做到350微米跟6寸一样，这不光是晶圆的问题，还有外延和芯片。芯片制程里面，提高对翘曲度的容忍度，这里面包括机台、制程，大家都要做很多工作，这个难度很大。
（如图）这是外延，外延的均匀性我们做了很多调整。8寸的厚度均匀性和浓度均匀性现在基本上接近6寸，和6寸能打平，为后续8寸打下很好的基础。
外延之后是芯片，从图中可以看到，外延会继承衬底的缺陷，比如micropipe 直接穿透，TSD也是穿透过来，BPD通过外延之后，99.9999%的BPD都会转化成TED，这样可以保证MOSFET良率和可靠性。
目前三安8寸外延的TUA能做到95%、96%以上。衬底损失一个点，外延损失不到两个点，能做到只有四个点的良率损失，Die尺寸是按照3毫米乘3毫米的尺寸做的。
后面还要解决一个重要问题，350微米8寸薄片的外延，能不能控制外延之后的面型。无论是6寸还是8寸，外延完了之后，经过高温低温的变化，它翘曲度会变大，BOW值会变正。原来比如平的，它会鼓起来，洼的会变平一点，如果本身是鼓的，它会更鼓，到下面的芯片制程就麻烦了。芯片制程中氧化层工艺的均匀性就有问题，这都是难点。怎么控制？不只是从工艺上，还要从设备上（控制）。
我们测算过，如果我们衬底的厚度8英寸突破350微米这个壁垒，达到同样的厚度，加上本身面积增大在外延和芯片节约一部分成本，这样就能够跨越8寸的成本壁垒，真正从6寸跨越到8寸，我们预计还有一两年的时间。
这是我们为这个行业真正大规模地上车在降成本上做的努力。
另外讲一下现在8英寸的行业发展情况，这是去年行家说的research报告。国内外主流的碳化硅衬底供应商已经完成了8英寸的开发和小批量的试产和客户的验证。
因为三安和ST有合作，包括国内几个专门做外延的厂家，包括瀚天天成、天域，这些已经宣布8英寸批量生产或者技术突破。我认为国内的供应商现在从8寸来讲完全能供应，包括衬底。我们的国产材料替代国外材料，我看到最新的材料占有率已经接近50%，这两年超越没有问题，从材料上来讲，我们很有自信。这一年过来，衬底降价30-40%，大家都是在为这个行业做努力。
最大的驱动力还是8寸线，国内国外做的8寸线是推动整个行业从6寸到8寸过渡，包括上车的芯片降低成本的动力。这里是重庆三安跟意法合资的工厂。
汇总：
现在材料来讲，从多家主流的衬底和外延供应商已经完成了8寸的研发，包括试量产，有些进入量产阶段。另外，材料端的推动，还有应用端的拉动。应动端包括汽车、芯片厂，首先要有8寸线，目前三安的8寸线今年要通线，但国际上的可能快一点，国内8寸线会慢慢多起来，这是整个行业拉动的力量。
对于整个行业的需求，我们这个车又要高质量、高可靠性，又要低成本、低价格，必然是要走向8寸。
350微米的8寸衬底和外延材料的突破，包括在芯片上制程的突破是这个行业目前突破壁垒的关键。
简单介绍一下三安的情况，这是我们长沙项目，它是全产业链的碳化硅项目，从粉料到长晶-衬底-外延-芯片-封测，我们是一条线（1.2公里长），二期也在做，是8寸。1000亩的地，投资160个亿，年产能是20多万片，规划是36片6寸碳化硅晶圆，48万片8寸碳化硅晶圆。
另外，我们现在有800多家客户，出货的芯片已经到2亿颗，包括SBD和MOSFET，主要是光伏、储能、数据中心这些，上车也是有的。
另外是后面合作的情况，三安跟意法半导体在重庆合资建的厂现在马上要点火，总共投资是32亿美金（指芯片部分）。2025年Q4量产，应该到明年年初差不多了，规划是52万片/年；苏州斯科，我们跟理想汽车合资了一个模块厂，今年Q3会量产；车规认证做得比较全，因为三安的品控在业内是有口皆碑的。
另外是可靠性，现在碳化硅诟病比较多的是可靠性，三安花了很多钱做可靠性的实验室，所有的器件在厂内做严格的可靠性测试，可靠性的管控是三安对产品品质非常重要的保障。
再一个是失效分析，这是为了保障产品和研发非常重要的基础条件，这些是必要的和必须的。