分类

碳化硅衬底的电学特性直接影响下游芯片的性能与功能，为了满足不同类型芯片的需求，必须制备具有各种电学特性的碳化硅衬底。根据电学性能的不同，碳化硅衬底可以分为两大类：一类是高电阻率（电阻率≥105Ω·cm）的半绝缘型碳化硅衬底，另一类是低电阻率（电阻率在15~30mΩ·cm之间）的导电型碳化硅衬底。

半绝缘型碳化硅衬底主要应用于氮化镓射频器件的制造。这类衬底需要在其上生长一层氮化镓外延层，从而形成碳化硅基氮化镓外延片，用于各种高频、高功率应用。由于其高电阻率特性，这类衬底能够有效地抑制寄生电流，提高器件的性能和可靠性。另一方面，导电型碳化硅衬底则主要用于功率器件的制造。这类衬底需要在其上生长碳化硅外延层，以实现所需的电学特性。导电型衬底的低电阻率特性使其非常适合用于高功率和高温环境下的电子器件，有助于提高器件的导电效率和热稳定性。

总的来说，通过选择适合的碳化硅衬底类型，可以根据具体应用需求优化芯片的电学性能，提升整个电子器件的性能和可靠性。

制备方法及工艺难点

碳化硅衬底行业是一个技术密集型领域，融合了材料科学、热动力学、半导体物理、化学、计算机仿真模拟以及机械工程等多学科知识。目前，最为成熟且广泛应用的碳化硅衬底制备方法是物理气相传输法（PVT法），该方法利用高纯度碳粉和硅粉为原料，在特定的温度场下合成碳化硅粉末，并通过一系列复杂的加工步骤生成不同尺寸的碳化硅晶锭，最终制成高质量的碳化硅衬底。碳化硅衬底的制作过程通常包括原料合成、晶体生长、晶锭加工、晶棒切割、晶片研磨、抛光和清洗等环节。

（1）原料合成

原料合成是碳化硅衬底制造的第一步，关乎最终产品的质量。首先，将高纯度的硅粉和碳粉按特定比例均匀混合。在超过2000℃的高温条件下，这些混合物在原料合成炉的反应腔内进行化学反应，去除杂质，合成特定晶型和颗粒度的碳化硅颗粒。这些颗粒随后经过破碎、筛分和清洗等工序，制成高纯度的碳化硅粉末，以满足晶体生长的严格要求。

（2）晶体生长

晶体生长是碳化硅单晶衬底生产的关键环节，对技术和设备的要求极高。目前，主要的晶体生长方法包括物理气相传输法（PVT）、高温化学气相沉积法（HT-CVD）和液相外延法（LPE）。

PVT法通过感应加热碳化硅粉料，使其在高温低压的密闭生长腔室内升华，产生反应气体。然后，反应气体通过固—气反应在腔室顶部的碳化硅籽晶表面进行原子沉积，逐渐生长为碳化硅单晶。HT-CVD法在2000-2500℃的高温区内使用高纯度气体生成碳化硅气态前驱物，随后在低温区沉积形成碳化硅晶体。LPE法则基于“溶解—析出”原理，通过碳在1400℃至1800℃的高温纯硅溶液中溶解，再从过饱和溶液中析出碳化硅晶体实现生长，需要使用助熔剂提高碳的溶解度。

目前，国内主要生产4英寸和6英寸的碳化硅衬底，8英寸的衬底尚未实现量产。随着衬底尺寸的增大，热场均匀性控制的难度也在增加。晶体生长的技术难点包括控制生长条件、提高长晶速度、满足高晶型要求等。碳化硅单晶需要在高温密闭腔室内进行重结晶，这一过程周期较长，且稳定控制特定晶型的难度较大。

（3）晶锭加工与晶棒切割

晶锭加工与晶棒切割是碳化硅衬底制造的关键步骤。在这一步骤中，碳化硅晶锭首先需要用X射线单晶定向仪进行定向，然后经过精密机械加工成标准尺寸和角度的碳化硅晶棒，并对其进行尺寸、角度等指标的检测。为了确保后续加工的精度和效果，需要考虑加工余量，然后用金刚石细线切割碳化硅晶棒至所需厚度，并通过全自动测试设备对其表面进行检测。

切片作为晶体加工的首要步骤，对后续加工和生产效率有着重要影响。碳化硅的高硬度导致切割过程中的锯线消耗大、加工时间长、废料率高、产量有限且成本高。

（4）切割片研磨与抛光

切割片研磨和抛光是碳化硅衬底制备中的重要环节。通过研磨液将切割片减薄至所需厚度，并去除表面线痕和损伤。接着，通过抛光液对研磨片进行机械和化学抛光，消除表面的划痕，降低粗糙度并消除应力，使其表面达到纳米级的平整度。

碳化硅切片的薄化主要通过磨削与研磨来实现，但由于碳化硅晶片易开裂，减薄过程的难度较大。未来需要优化单面研磨技术，以实现大尺寸碳化硅晶片的高效加工。

（5）抛光片清洗

在百级超净间内，使用化学试剂和去离子水清洗抛光片，去除表面的微尘、金属离子和有机污染物。清洗后，抛光片被甩干并封装在洁净片盒内，形成可直接使用的高质量碳化硅衬底。这一步骤的精确操作确保了衬底的洁净度和质量。

综上所述，碳化硅衬底的制备涉及多种复杂的技术和工艺，每一个步骤都需要严格控制，以确保最终产品的高性能和高质量。技术难点包括原料纯度的控制、晶体生长条件的精确调控、加工工序的高精度操作以及清洗过程的洁净度控制。

竞争格局及重点企业

竞争格局

在碳化硅衬底市场，材料端良率的提升和设备端国产化率的提高是两个关键因素。国内企业正积极努力，实现国产替代，以缩小与国际领先企业的差距。美国在这一市场中占据着领先地位，特别是Wolfspeed作为全球最大的碳化硅衬底生产商，拥有最高的市场份额，其在良率和产能方面均处于全球领先水平。根据Yole的数据显示，2022年，Wolfspeed、美国II-VI和日本ROHM三家公司合计占据了全球碳化硅衬底市场约72%的份额。与此同时，中国的天科合达和天岳先进等企业也在努力缩小差距，2022年，国内导电型衬底的营收达到了1.04亿美元，占全球市场的15%。

从制作流程来看，晶体生长环节预计在2025年，全球和国内6英寸碳化硅单晶炉的新增市场空间将分别达到100亿元和40亿美元。国内厂商在这一环节已经取得了显著的国产化进展。切片环节方面，预计到2025年，全球和国内6英寸碳化硅切片设备的新增市场空间将分别达到30亿元和13亿美元。而在磨抛设备方面，预计到2025年，全球和国内市场的空间将分别达到56亿元和23亿美元。