1、碳化硅介绍
碳化硅是一种人工合成的碳化物，分子式为SiC，分子量为40，密度为3.22 g/cm³，熔点高达2700℃，莫氏硬度为9.2–9.8，仅次于金刚石。
作为第三代半导体材料，碳化硅是制造高温、高频、大功率及高压器件的理想材料之一。与传统的硅材料（Si）相比，碳化硅的禁带宽度为硅的3倍，热导率为硅的3倍，击穿电场强度为硅的10倍，电子饱和漂移速率为硅的2倍。
因此，基于碳化硅的半导体器件不仅能在更高温度下稳定运行，适用于高电压、高频率的应用场景，还能以更低的电能损耗实现更高的运行效率。三代半导体材料的关键参数对比如下表所示。

2、碳化硅衬底类型
衬底作为半导体芯片的底层材料，主要承担物理支撑、导热和导电功能。
根据工信部发布的《重点新材料首批次应用示范指导目录（2019年版）》，碳化硅衬底按电学性能可分为两类：一类为电阻率≥10⁵ Ω·cm 的半绝缘型碳化硅衬底；另一类为电阻率介于15–30 mΩ·cm 的导电型碳化硅衬底。这两类衬底经外延生长后，分别用于制造射频器件与功率器件。

以碳化硅材料为衬底的产业链主要包括衬底制备、外延生长、器件制造及下游应用。
衬底是碳化硅产业链中技术壁垒最高、价值占比最大的环节，也是推动未来碳化硅大规模产业化发展的关键。在碳化硅器件成本结构中，衬底占比高达46%。

半绝缘型碳化硅衬底主要用于制造氮化镓射频器件，最终应用于5G通信、国防等领域。在该衬底上生长氮化镓外延层，可制得碳化硅基氮化镓外延片，进而制造氮化镓射频器件。
导电型碳化硅衬底则主要用于制造功率器件，终端市场包括电动汽车、新能源、轨道交通等领域。
与传统硅基功率器件工艺不同，碳化硅功率器件需先在导电型衬底上生长碳化硅外延层，形成碳化硅外延片，再在外延层上制造各类功率器件。

碳化硅衬底制备流程复杂、技术难度高，具体步骤包括：原料合成、晶体生长、晶锭加工、晶棒切割、晶片研磨、晶片抛光、晶片检测和晶体清洗，如下图所示。

1、原料合成
将高纯硅粉和高纯碳粉按一定配比均匀混合，在超过2000℃的高温反应腔中合成特定晶型与颗粒度的碳化硅颗粒，再经破碎、筛分、清洗等工序，制得高纯度碳化硅粉原料，以满足晶体生长的要求。

2、晶体生长
晶体生长是碳化硅衬底制造中技术难度最高的环节，直接决定衬底的电学性能。目前主流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（HTCVD）和液相外延法（LPE）。
其中，PVT法是当前商业化生产SiC衬底的主流工艺，技术成熟且工程应用广泛；LPE法则被视为未来可能的工艺方向。

（1）物理气相传输法（PVT）
采用PVT法生长SiC晶体时，将高纯碳化硅微粉和籽晶分别置于单晶生长炉内石墨坩埚的下部和顶部，并在轴向形成温度梯度。碳化硅微粉在高温下升华为Si₂C、SiC₂、Si等气相组分，在温度梯度作用下输运至籽晶处形核、结晶，最终形成碳化硅晶锭。
PVT法生长成本较低，但目前主要挑战在于获取高纯度SiC原料，微量杂质会严重影响晶体纯度。

（2）高温化学气相沉积法（HTCVD）
HTCVD法将高纯度硅烷、乙烷/丙烷及氢气等气体从反应器底部通入，先在高温区反应形成碳化硅前驱物，再随气流进入低温区沉积于籽晶端，形成碳化硅晶体。
该方法的优势在于可精确控制Si/C比例，实现高纯度、高质量的晶体连续生长。尽管设备成本高于PVT法且应用尚未普及，但HTCVD法所制备的晶体缺陷少、质量高、杂质含量低，正日益受到重视。

（3）液相外延法（LPE）
LPE法将碳化硅籽晶固定于籽晶杆前端，石墨坩埚中装有硅原料及少量掺杂元素，加热至硅熔点（1500–1700℃）以上使其熔化。通过籽晶旋转或坩埚反向旋转使熔体中碳及掺杂元素均匀分布，再通过缓慢降温使溶液达到过饱和，进而在籽晶端生长碳化硅晶体。
LPE法可实现径向可控生长，并能获得无微管缺陷的晶体，但生长成本较高。

3、晶锭加工
利用X射线单晶定向仪对碳化硅晶锭进行定向，再经精密机械加工将其磨平、滚圆，加工成标准直径和角度的碳化硅晶棒，并对所有晶棒进行尺寸与角度检测。

4、晶棒切割
在预留后续加工余量的前提下，使用金刚石细线将晶棒切割成不同厚度的切割片，并采用全自动测试设备检测其翘曲度（Warp）、弯曲度（Bow）和厚度变化（TTV）等面型参数。

5、切割片研磨
通过专用研磨液将切割片减薄至指定厚度，并去除表面线痕与损伤。使用全自动测试设备与非接触电阻率测试仪对所有切割片进行面型与电学性能检测。

6、研磨片抛光
采用特定抛光液对研磨片进行机械抛光与化学抛光，以消除表面划痕、降低粗糙度并去除加工应力，使晶片表面达到纳米级平整度。
利用X射线衍射仪、原子力显微镜、表面平整度测试仪、表面缺陷综合测试仪等设备检测各项参数，据此判定抛光片的质量等级。

7、抛光片清洗
在百级超净间内，使用特定配比的化学试剂和去离子水对抛光片进行清洗，去除表面微粒、金属离子及有机污染物，经甩干后封装于洁净片盒中，最终形成碳化硅衬底。

根据共研网数据，2022年全球碳化硅衬底市场规模达7.54亿美元，同比增长27.8%；预计2025年将增长至16亿美元。

2022年，全球导电型碳化硅衬底市场规模为5.12亿美元，占比67.9%；半绝缘型碳化硅衬底市场规模为2.42亿美元，占比32.1%，如下图所示。

目前，全球导电型碳化硅衬底市场主要由国外厂商主导。
2020年，Wolfspeed在全球导电型碳化硅衬底市场中占据62%的份额，行业CR3达89%，而国内企业中天科合达的市占率为4%。导电型碳化硅衬底是当前国产替代的关键领域，市场替代空间广阔。

据不完全统计，国内已实现碳化硅衬底产业化的公司包括天岳先进、北京天科合达半导体股份有限公司、山西烁科晶体有限公司、河北同光半导体股份有限公司等。

提升生产效率与降低成本是碳化硅衬底技术发展的核心方向，其中衬底尺寸的扩大是关键路径。衬底尺寸越大，单位面积可制造的芯片数量越多，芯片平均成本随之降低。
目前，半绝缘型碳化硅衬底以4英寸（100mm）为主流规格，导电型碳化硅衬底则以6英寸（150mm）为主。综合考虑成本与下游应用发展趋势，未来6英寸半绝缘型碳化硅衬底与8英寸导电型碳化硅衬底将成为行业重点发展方向。