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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。”
