起(qǐ)碳化矽晶片，大家也許會覺得很陌生。但在我們熟知的電動汽車和5G通信中，它卻發(fā)揮着舉足輕重的作用。5G之所以速度快，是因爲它有一顆非常強大的心髒，這(zhè)個心髒依賴的就是一片薄如紙的碳化矽晶片。雖然從外表看隻是個小圓片，但作爲目前全球最先進(jìn)的第三代半導體材料，碳化矽晶片具有其他材料不具備的諸多優點，是制造高溫、高頻、大功率半導體器件的理想襯底。除電動汽車、5G通信外，在國(guó)防、航空航天等領域，碳化矽晶片也有着廣闊的應用前景，它的研究和應用極具戰略意義，有着不可替代的優勢，被視作國(guó)家新一代信息技術核心競争力的重要支撐。5月12日，習近平總書記來到山西轉型綜合改革示範區政務服務中心改革創新展廳，了解示範區改革創新發(fā)展情況。位于示範區内的中國(guó)電科（山西）碳化矽材料産業基地，就是全國(guó)最大生産規模的碳化矽生産基地。
從長(cháng)期依賴進(jìn)口、被國(guó)外“卡脖子”，到掌握批量生産技術、實現完全自主供應，近年來，中國(guó)的碳化矽研制與生産成(chéng)效卓著。這(zhè)小小的晶片裡(lǐ)蘊含着哪些創新技術？研發(fā)制造過(guò)程中又運用了哪些高超工藝？讓我們一探究竟。
① 晶片有什麼(me)用途？
每生産一輛電動汽車，至少要消耗一片碳化矽
厚度0.5毫米，約爲5張A4紙的厚度；直徑4英寸或6英寸，和一張CD光盤差不多。這(zhè)樣一個薄薄的圓片，就是碳化矽晶片。而就是這(zhè)樣一個薄片，市場售價卻在2000美元左右，還(hái)經(jīng)常是“一片難求”。
碳化矽晶片爲何這(zhè)麼(me)搶手？這(zhè)還(hái)要從碳化矽這(zhè)一材料說起(qǐ)。
碳化矽材料作爲成(chéng)熟的第三代半導體材料，具有耐高溫、大功率、高頻等天然優勢，在新能(néng)源汽車、智能(néng)電網、軌道(dào)交通、工業電機、5G通信等領域展現出極大的應用潛力，在許多戰略行業都(dōu)有重要應用價值。與普通矽相比，碳化矽器件的耐壓性是同等矽器件的10倍。同時，碳化矽材料對(duì)電力的能(néng)耗極低，是一種(zhǒng)理想的節能(néng)材料。如果按照年産40萬片碳化矽晶片算，僅僅應用在照明領域，每年減耗的電能(néng)就相當于節省2600萬噸标準煤。
記者了解到，目前，碳化矽制成(chéng)的晶片主要應用在兩(liǎng)個方面(miàn)。一個是作爲襯底用于制作射頻器件，比如今年政府工作報告提到的新基建中的5G基站建設、城際高速鐵路、新能(néng)源汽車充電樁等。就5G基站建設來說，5G之所以傳輸速度快，是因爲它有強大的5G芯片。而碳化矽晶片，就是5G芯片最理想的襯底。“現在咱們家裡(lǐ)邊也有5G的一些小路由器，但它隻是在室内，輻射距離很短，5G基站的輻射範圍至少要達到幾公裡(lǐ)。這(zhè)麼(me)高的功率，用碳化矽替代矽做射頻器件，就可以讓設備的體積做得更小，還(hái)能(néng)降低能(néng)量損耗、增加設備在惡劣環境下的可靠性。”山西碳化矽生産企業——中國(guó)電子科技集團公司（以下簡稱中電科）技術總監魏汝省介紹道(dào)。
碳化矽晶片的另一個作用是用于制造電力電子器件，比如三極管，主要的應用領域是電動汽車。魏汝省表示：“目前，電動汽車的續航還(hái)是個問題。如果用上碳化矽晶片的話，就能(néng)在電池不變的情況下，使汽車的續航力增加10%左右。雖然碳化矽在電動汽車上的應用才剛剛起(qǐ)步，尚在開(kāi)發(fā)中，但每生産一輛電動汽車，至少要消耗一片碳化矽，所以發(fā)展前景廣闊。”
除了功能(néng)強大，碳化矽晶片之所以如此珍貴的另一個更爲重要的原因，是碳化矽器件對(duì)工藝要求很高。其中，高穩定性的長(cháng)晶工藝技術是其核心，原來隻有美國(guó)等少數發(fā)達國(guó)家掌握，全球也僅有極少數企業能(néng)商業化量産。我國(guó)的碳化矽晶體研究起(qǐ)步較晚，20世紀90年代末才剛剛開(kāi)始。但近年來，我國(guó)在碳化矽晶片領域奮力追趕，從基本原理研究和基礎實驗做起(qǐ)，逐漸掌握了碳化矽晶片技術，一步一步，從實驗室走向(xiàng)了産業化。2018年，中電科二所曆經(jīng)11年艱苦攻關，在國(guó)内率先完成(chéng)4英寸高純半絕緣碳化矽單晶襯底材料的工程化和6英寸高純半絕緣碳化矽單晶襯底的研發(fā)，一舉突破國(guó)外對(duì)我國(guó)碳化矽晶體生長(cháng)技術的長(cháng)期封鎖。如今，國(guó)内已經(jīng)實現了6英寸碳化矽晶片和外延片的研制，晶體質量接近國(guó)際水平。
② 晶片制造難在哪裡(lǐ)？
晶體中連頭發(fā)絲幾十分之一細的微管都(dōu)不能(néng)有
“碳化矽具有十分穩定的特性，所以在一些惡劣環境下仍可穩定工作。也正是因爲穩定的化學(xué)鍵，碳化矽生産的技術門檻非常高。”談起(qǐ)碳化矽晶片研制之難，中國(guó)科學(xué)院半導體研究所副所長(cháng)張韻列舉了以下幾個方面(miàn)，“碳化矽晶錠生長(cháng)條件苛刻，需要高溫（~2600℃）和高壓（>350MPa）生長(cháng)環境；晶體生長(cháng)速度緩慢，産能(néng)有限，質量也相對(duì)不穩定；受到晶片生長(cháng)爐尺寸限制，束縛了晶錠尺寸；碳化矽屬于硬脆材料，硬度僅次于金剛石，切割難度大，研磨精度難控制。”
要想生産出高質量的碳化矽晶片，必須攻克這(zhè)些技術難關。“咱們國(guó)内就射頻器件方面(miàn)一年就有10萬片的需求量，國(guó)外又對(duì)此類産品封鎖禁運，核心技術花錢是買不來的，隻有自力更生，才能(néng)徹底解決被‘卡脖子’的問題。”中電科總經(jīng)理李斌向(xiàng)記者介紹了碳化矽晶片的複雜生産過(guò)程，“把高純度的碳化矽粉料放到長(cháng)晶爐裡(lǐ)加熱到2000多攝氏度，讓顆粒直接汽化，再控制它重新結晶，長(cháng)成(chéng)一個直徑爲4英寸或6英寸的圓餅狀晶錠。之後(hòu)，我們用很多根直徑僅0.18微米的金剛石線，同時切下去，把晶錠切成(chéng)一片一片的圓片。每一片圓片再放到研磨設備裡(lǐ)，把兩(liǎng)邊磨平，最後(hòu)進(jìn)行抛光，得到透明玻璃片一樣的晶片。”
目前，生産碳化矽晶片的兩(liǎng)大關鍵技術是晶體生長(cháng)和晶片的切割抛光。張韻表示，上遊企業所生産的晶片尺寸和質量會影響下遊碳化矽器件的性能(néng)、成(chéng)品率及成(chéng)本。隻有把襯底質量做好(hǎo)了、成(chéng)本降低了，才能(néng)讓下遊的科研機構或者企業不再束手束腳，有更多的機會去多做器件級研究。
記者了解到，一個直徑4英寸的晶片一次可做成(chéng)1000個芯片，而6英寸的晶片一次可做成(chéng)3000個芯片，所以直徑大的晶片更有優勢。從2英寸到6英寸，其中的關鍵是擴晶技術。“碳化矽晶片是由一個種(zhǒng)子開(kāi)始一層層生長(cháng)起(qǐ)來的，從2英寸長(cháng)到3英寸再到6英寸。在這(zhè)個生長(cháng)過(guò)程中，晶體很容易出現缺陷。”中電科生産主管毛開(kāi)禮說，“我們的一個指标叫(jiào)微管，就是晶體中出現的大概隻有頭發(fā)絲幾十分之一細的一個管狀孔洞，眼睛是看不到的。一旦出現微管，整個晶體就不合格了。由于溫度太高，沒(méi)辦法進(jìn)行人工幹預，所以整個生長(cháng)過(guò)程就如同‘蒙眼繡花’，這(zhè)恰恰是晶片最核心的技術。解決這(zhè)個技術難題，我們用了七八年的時間。”
碳化矽晶片的加工也是一個艱難過(guò)程。毛開(kāi)禮表示，晶片的粗糙度要求是表面(miàn)起(qǐ)伏小于0.1納米，國(guó)内現在是采用化學(xué)和機械聯合的方式進(jìn)行抛光。“從技術上來說，我們的一個圓片原來切完的話，可能(néng)是700-800微米厚，而最終産品要求是500微米，所以相當于要磨掉幾百微米。現在我們通過(guò)技術改進(jìn)，切完大概就是550微米，隻需磨掉50微米左右，整個生産成(chéng)本有了大幅降低。”
③ 晶片量産前景如何？
600台長(cháng)晶爐、18萬片年産量，徹底擺脫進(jìn)口依賴
今年3月，中國(guó)電科（山西）碳化矽材料産業基地在山西轉型綜合改革示範區正式投産，第一批設備正式啓動。基地一期項目可容納600台碳化矽單晶生長(cháng)爐，項目建成(chéng)後(hòu)將(jiāng)具備年産10萬片4-6英寸N型碳化矽單晶晶片、5萬片4-6英寸高純半絕緣型碳化矽單晶晶片的生産能(néng)力，是目前國(guó)内最大的碳化矽材料産業基地。這(zhè)一基地的啓動，將(jiāng)徹底打破國(guó)外對(duì)我國(guó)碳化矽封鎖的局面(miàn)，實現碳化矽的完全自主供應。
在基地的碳化矽生産車間，白色的長(cháng)晶爐一字排開(kāi)，碳化矽晶片正在裡(lǐ)面(miàn)安靜生長(cháng)。李斌介紹：“現在，咱們所使用的粉料合成(chéng)設備、長(cháng)晶爐，都(dōu)是自己研發(fā)、自己生産的全國(guó)産化的設備。設備的配套産品和功能(néng)元器件能(néng)滿足長(cháng)期、穩定、可靠使用的要求，同時節能(néng)效果好(hǎo)，具有連續工作高穩定性和良好(hǎo)精度保持性。”
對(duì)于國(guó)内半導體領域來說，産業化規模效應，不僅降低了碳化矽晶片的成(chéng)本，也不斷促使碳化矽晶片質量提升。據李斌介紹，目前國(guó)際上碳化矽晶片的合格率最高是70%-80%，而原來國(guó)内實驗室生産的碳化矽晶片的合格率僅有30%。但在碳化矽産業基地，這(zhè)個合格率可以達到65%。
實現這(zhè)樣高的合格率，一個是靠先進(jìn)的設備，一個是靠管理。毛開(kāi)禮介紹：“我們把所有的工藝分成(chéng)若幹段，增加了大量的一線工人，每段每個人隻幹這(zhè)一件事(shì)情，不僅效率會提高，而且出錯率也大幅降低，因爲原來一個人要參與前前後(hòu)後(hòu)大概有三四十道(dào)工序，不利于專業化，出錯率就會很高。”
目前，基地已經(jīng)實現4英寸晶片的大批量産，6英寸高純半絕緣碳化矽單晶襯底也已經(jīng)開(kāi)始工程化驗證，爲客戶提供小批量的産品試用，預計年底達到産業化應用與國(guó)際水平相當。展望未來，李斌信心滿滿地說，“在碳化矽領域，我們要緊跟國(guó)際的腳步，因爲目前我國(guó)在第三代半導體材料上跟國(guó)際的差距相對(duì)較小，我們要保證不能(néng)掉隊。習近平總書記說過(guò)，核心技術靠化緣是要不來的。在關鍵領域、卡脖子的地方要下大功夫。現在我們在實現迅速研發(fā)的同時也進(jìn)一步開(kāi)展量産，三年内整個項目要達到18萬片每年的産能(néng)。另外，我們目前在進(jìn)行8英寸晶片的研究，希望三年之後(hòu)，我們能(néng)有8英寸的樣片出來。因爲晶片是整個碳化矽産業鏈的上遊，要走到器件研究的前面(miàn)。”
（山西轉型綜合改革示範區紀檢監察工作委員會對(duì)本文亦有貢獻）