國內(nèi)外碳化硅產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)比對分析

為探明碳化硅國內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)的情況和差異，本文調(diào)研、分析并選擇了中國國家標(biāo)準(zhǔn)和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)、國際標(biāo)準(zhǔn)及美國、歐洲、日本、俄羅斯、羅馬尼亞相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，選擇碳化硅物理特性、碳化硅磨料化學(xué)分析方法、含碳化硅耐火材料化學(xué)分析方法、碳化硅晶片產(chǎn)品規(guī)格等進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)比對。

碳化硅具有禁帶寬度大、熱導(dǎo)率高、電子飽和漂移速率大、臨界擊穿電場高、介電常數(shù)低及化學(xué)穩(wěn)定性好等諸多優(yōu)點，是具有廣闊發(fā)展?jié)摿Φ牡谌滦?a target="_blank">半導(dǎo)體材料。碳化硅晶片和外延襯底主要用于制造功率器件、射頻器件等分立器件，可廣泛應(yīng)用于新能源汽車、5G通信、光伏發(fā)電、軌道交通、智能電網(wǎng)、航空航天等現(xiàn)代工業(yè)領(lǐng)域，在我國“新基建”的各主要領(lǐng)域中發(fā)揮重要作用。我國政府高度重視以碳化硅為代表的第三代半導(dǎo)體材料的研發(fā)，其中第三代半導(dǎo)體被納入關(guān)鍵戰(zhàn)略材料發(fā)展重點。

2021年3月13日，新華網(wǎng)刊登了《中華人民共和國國民經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展第十四個五年規(guī)劃和2035年遠(yuǎn)景目標(biāo)綱要》，其中“集成電路”領(lǐng)域，特別提出碳化硅、氮化鎵等寬禁帶半導(dǎo)體要取得發(fā)展。

碳化硅和氮化鎵都屬于第三代半導(dǎo)體寬禁帶半導(dǎo)體材料，能夠在“十四五規(guī)劃”中提名，足以說明其重要程度已經(jīng)上升到了國家的層面。相信在國家的助推下，國內(nèi)將迅速形成適合第三代半導(dǎo)體發(fā)展的環(huán)境，前景十分值得期待。

另一方面，碳化硅對于提振地方經(jīng)濟(jì)意義重大。例如：作為“十四五”時期要全力打造“碳化硅”作為拳頭型產(chǎn)品的山西省，在《山西省“十四五”新產(chǎn)品發(fā)展規(guī)劃》中提到：推進(jìn)6英寸及以上砷化鎵、碳化硅等第二/三代半導(dǎo)體材料和藍(lán)寶石材料大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化，開展碳基半導(dǎo)體等新型材料基礎(chǔ)研究?？梢钥闯?，碳化硅是山西省“十四五”期間重點發(fā)展的產(chǎn)品。

因此，對比我國與美國、日本、歐洲等發(fā)達(dá)國家及地區(qū)碳化硅產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)，分析我國碳化硅標(biāo)準(zhǔn)的先進(jìn)與不足之處，借鑒和引用發(fā)達(dá)國家的先進(jìn)經(jīng)驗和技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，對于提升碳化硅質(zhì)量，促進(jìn)碳化硅產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級具有重要的意義。

1、國內(nèi)外碳化硅產(chǎn)品概況

1.1 碳化硅產(chǎn)業(yè)國內(nèi)概況

國際上部分國家在該領(lǐng)域起步早，6英寸碳化硅襯底已經(jīng)量產(chǎn)，8英寸已研制成功。而國內(nèi)以4英寸為主，6英寸尚處在攻關(guān)階段。我國碳化硅單晶襯底材料長期依賴進(jìn)口，其高昂的售價和不穩(wěn)定的供貨情況大大限制了國內(nèi)相關(guān)行業(yè)的發(fā)展。目前，中國有碳化硅冶煉企業(yè)200多家，年生產(chǎn)能力220多萬噸（其中：綠碳化硅塊120多萬噸，黑碳化硅塊約100萬噸）；加工制砂、微粉生產(chǎn)企業(yè)300多家，年生產(chǎn)能力200多萬噸，國內(nèi)碳化硅產(chǎn)業(yè)廠商見表1。

表1 SiC產(chǎn)業(yè)鏈國內(nèi)廠商情況

1.2 碳化硅產(chǎn)業(yè)國外概況

受新能源汽車、工業(yè)電源等應(yīng)用的推動，全球電力電子碳化硅的市場規(guī)模不斷增長，2020年的市場規(guī)模達(dá)6億美元。在競爭格局方面，行業(yè)龍頭企業(yè)的經(jīng)營模式以IDM模式為主，主要的市場份額被Infineon、Cree、羅姆以及意法半導(dǎo)體占據(jù)，國內(nèi)外廠商的競爭差距較大。

在半導(dǎo)體應(yīng)用中，SiC主要用于電力電子器件的制造。從SiC器件制造流程順序來看，SiC器件的制造成本中襯底、外延的成本占比最大，其中SiC襯底成本占比50%，SiC外延的成本占比25%，這兩大工序是SiC器件的重要組成部分。

在上游原料供應(yīng)方面，高純石英砂是碳化硅的主要原料之一。因高純石英砂的制備成本高、加工工藝要求高，因此目前全球具備批量生產(chǎn)高純石英砂的廠商較少，如表2所示。從下游需求情況來看，2018-2019年，受新能源汽車、工業(yè)電源等應(yīng)用的推動，全球電力電子碳化硅的市場規(guī)模從4.3億美元增長至5.64億美元，2020年的市場規(guī)模超過6億美元。

表2 國內(nèi)外生產(chǎn)高純石英砂龍頭企業(yè)

從全球碳化硅襯底的企業(yè)經(jīng)營情況來看，2018年美國CREE公司占龍頭地位，市場份額達(dá)62%，其次是美國II-VI公司，市場份額約為16%?？傮w來看，在碳化硅市場中，美國廠商占據(jù)主要地位（詳見表3）。

表3 SiC產(chǎn)業(yè)鏈國外廠商情況

2、國內(nèi)外碳化硅產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)化概況

碳化硅作為一種化學(xué)成分較為單一的無機化工原料，其相關(guān)的產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)較少，多為碳化硅的化學(xué)分析標(biāo)準(zhǔn)及檢測標(biāo)準(zhǔn)。目前現(xiàn)行的國內(nèi)外碳化硅產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)有GB/T 2480《普通磨料碳化硅》，GOST 26327《碳化硅磨料 技術(shù)規(guī)范》和SR 5064《碳化硅》。

2.1 我國碳化硅產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)化概況

中國目前已基本建成了一套由國家標(biāo)準(zhǔn)、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和地方標(biāo)準(zhǔn)組成的碳化硅標(biāo)準(zhǔn)體系。目前現(xiàn)行的碳化硅相關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)共24 項，行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)共38項，地方標(biāo)準(zhǔn)共3項。我國現(xiàn)行的碳化硅產(chǎn)品技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)只有1個，即 GB/T 2480《普通磨料碳化硅》。

2.2 國外碳化硅產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)化概況

目前，世界大多數(shù)發(fā)達(dá)國家市場經(jīng)濟(jì)運行了較長時期，法律法規(guī)健全，競爭機制規(guī)范，常依靠買賣雙方合同約定，只對涉及碳化硅產(chǎn)品間配合/配套的術(shù)語、代號、尺寸公差、粒度標(biāo)號/粒度分布和各項質(zhì)量性能指標(biāo)的測試分析方法制定國家標(biāo)準(zhǔn)或者協(xié)會標(biāo)準(zhǔn)。從國外發(fā)達(dá)國家與組織碳化硅及其制品標(biāo)準(zhǔn)制定情況來看，國際標(biāo)準(zhǔn)化組織（ISO）現(xiàn)行的碳化硅及其制品相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)共有6項；美國現(xiàn)行的碳化硅相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)共有14 項；歐洲現(xiàn)行的碳化硅相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)共有49項；日本現(xiàn)行的碳化硅相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)共有5項；俄羅斯現(xiàn)行的碳化硅相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)共有8項。

現(xiàn)行的國外碳化硅相關(guān)產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)有2個，即羅馬尼亞標(biāo)準(zhǔn)SR 5064《碳化硅》和俄羅斯標(biāo)準(zhǔn)GOST 26327《碳化硅磨料技術(shù)規(guī)范》。

3、國內(nèi)外碳化硅產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)比對研究

3.1 可比對的碳化硅國內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)

通過碳化硅產(chǎn)品相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的收集與分析，表4~表7列出了國內(nèi)外可比對的標(biāo)準(zhǔn)。 表4 碳化硅物理特性標(biāo)準(zhǔn)比對

表5 碳化硅磨料的化學(xué)分析方法標(biāo)準(zhǔn)比對

表6 含碳化硅耐火材料化學(xué)分析方法標(biāo)準(zhǔn)比對

表7 碳化硅晶片標(biāo)準(zhǔn)比對

3.2 碳化硅產(chǎn)品關(guān)鍵指標(biāo)比對

3.2.1碳化硅物理特性標(biāo)準(zhǔn)比對

我國現(xiàn)執(zhí)行的碳化硅產(chǎn)品技術(shù)條件國家標(biāo)準(zhǔn)為GB/T 2480《普通磨料碳化硅》，根據(jù)不同用途分牌號規(guī)定了粒度組成、化學(xué)成分、磁性物含量、鐵合金粒、密度等項目。俄羅斯國家標(biāo)準(zhǔn)委員會于 1984年11月1日發(fā)布了碳化硅磨料的技術(shù)條件國家標(biāo)準(zhǔn)GOST 26327《碳化硅磨料技術(shù)規(guī)范》，規(guī)定了綠碳化硅磨料和黑碳化硅磨料的相關(guān)技術(shù)水平指標(biāo)，包括粒度組成、化學(xué)成分、磁性物含量、密度、粉化率等項目。羅馬尼亞標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會（ASRO）發(fā)布的國家標(biāo)準(zhǔn)SR 5064《碳化硅》，對碳化硅的類型、物理化學(xué)特性、體積密度等項目做了規(guī)定。

由于篇幅有限，本文在此僅從碳化硅的分類來介紹：

碳化硅的分類

中國工業(yè)生產(chǎn)的碳化硅主要是黑色碳化硅（SiC含量約95%）和綠色碳化硅（SiC含量約97%以上）兩種。GB/T 2480《普通磨料碳化硅》將磨料碳化硅分為陶瓷結(jié)合劑磨具、砂帶用黑碳化硅；陶瓷結(jié)合劑磨具、砂帶用綠碳化硅；有機結(jié)合劑磨具用黑碳化硅；有機結(jié)合劑磨具用綠碳化硅；手工打磨的砂頁用黑碳化硅；手工打磨的砂頁用綠碳化硅。

俄羅斯國家標(biāo)準(zhǔn)GOST 26327《碳化硅磨料技術(shù)規(guī)范》對碳化硅磨料分為綠色碳化硅和黑色碳化硅兩種，其質(zhì)量等級和粒度分類具體見表8。

表8 俄羅斯GOST標(biāo)準(zhǔn)對碳化硅的分類

羅馬尼亞國家標(biāo)準(zhǔn)SR 5064《碳化硅》根據(jù)顏色將碳化硅分為綠色碳化硅（GC）和黑色碳化硅（GC）；根據(jù)碳化硅含量（SiC）分為優(yōu)質(zhì)碳化硅（S）和普通碳化硅（N）。

3.3 比對結(jié)論

通過各項標(biāo)準(zhǔn)指標(biāo)比對結(jié)果可以看出：

（1）國外有關(guān)碳化硅標(biāo)準(zhǔn)，例如：GOST 26327、SR 5064和 JISR 6111，都制定了碳化硅產(chǎn)品的理化性能標(biāo)準(zhǔn)，其指標(biāo)要求比中國國家標(biāo)準(zhǔn)寬松。但在對外技術(shù)交流和貿(mào)易合作過程中，我們發(fā)現(xiàn)發(fā)達(dá)國家碳化硅 生產(chǎn)企業(yè)和應(yīng)用企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)指標(biāo)遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于其所在國家標(biāo)準(zhǔn)和我國家標(biāo)準(zhǔn)。有些項目在我國國家標(biāo)準(zhǔn)和部分企業(yè)實際質(zhì)量控制中未列入檢測控制項目，如：振實密度、比表面積、清潔度、韌性、電導(dǎo)率等； （2）針對碳化硅粒度砂與微粉產(chǎn)品，發(fā)達(dá)國家根據(jù)其用途不用，按照對口專用、精密化、綜合利用原則，分成了多種牌號專用產(chǎn)品，專用產(chǎn)品的企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)指標(biāo)要求也不同，使生產(chǎn)者和使用者找到了最佳結(jié)合點，產(chǎn)品產(chǎn)生了最大效益； （3）從碳化硅磨料的化學(xué)分析方法標(biāo)準(zhǔn)比對和含碳化硅耐火材料化學(xué)分析方法標(biāo)準(zhǔn)比對結(jié)果看，我國國家標(biāo)準(zhǔn)的比對項目相較于美國、歐盟及日本等發(fā)達(dá)國家及地區(qū)而言較為完整，但也有個別項目沒有涉及，例如：碳化硅磨料的碳化硅、表面硅酸以及全硅等；

（4）從碳化硅晶片相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)比對結(jié)果看，我國國家標(biāo)準(zhǔn)對碳化硅單晶拋光片以及晶片檢測方面制定了相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，而美國、歐盟、日本等發(fā)達(dá)國家及地區(qū)沒有涉及。針對碳化硅外延片表面缺陷的測試環(huán)境，我國國家標(biāo)準(zhǔn)相較于歐盟以及日本標(biāo)準(zhǔn)要求更高。

4、對策建議分析

4.1 國內(nèi)碳化硅產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)優(yōu)勢

通過調(diào)研發(fā)現(xiàn)，中國電科（山西）碳化硅材料產(chǎn)業(yè)基地作為全國最大的碳化硅材料供應(yīng)基地，其產(chǎn)品主要面向國內(nèi)市場。目前國內(nèi)碳化硅材料供應(yīng)基地全面掌握了高純碳化硅粉料制備工藝、4英寸高純半絕緣碳化硅單晶襯底的制備工藝，形成了從碳化硅粉料制備、晶體生長、晶片加工、外延驗證等整套碳化硅材料研制線，在國內(nèi)最早實現(xiàn)了高純度碳化硅單晶的商業(yè)化量產(chǎn)，高純碳化硅粉料純度和晶體良品率居于國際先進(jìn)水平，徹底解決了國外對我國碳化硅封鎖的局面，實現(xiàn)了完全自主供應(yīng)。

4.2 國內(nèi)碳化硅產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)不足

目前我國已成為碳化硅的生產(chǎn)大國，但還不是碳化硅產(chǎn)業(yè)強國。 從產(chǎn)品來看，國內(nèi)碳化硅產(chǎn)品主要集中在中低端市場，真正用于高精尖科技，比如：高級研磨粉、精密電子元件等方面的碳化硅產(chǎn)品生產(chǎn)工藝技術(shù)還被國外壟斷； 在碳化硅深加工產(chǎn)品上，對粒度砂和微粉產(chǎn)品的質(zhì)量管理不夠精細(xì)，產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定性不夠，國內(nèi)產(chǎn)品技術(shù)含量低，與美國、日本、歐洲等發(fā)達(dá)國家及地區(qū)先進(jìn)水平相比還有較大差距，國內(nèi)高端技術(shù)產(chǎn)品缺乏； 此外，西方發(fā)達(dá)國家從事該產(chǎn)品研發(fā)生產(chǎn)時間早經(jīng)驗豐富，產(chǎn)品指標(biāo)領(lǐng)先我國，且產(chǎn)品驗證周期長、產(chǎn)品技術(shù)壁壘難以打破，國內(nèi)產(chǎn)品難以進(jìn)入國際市場；

最后，碳化硅屬于發(fā)展中產(chǎn)品，有較大的市場需求，但其工藝不成熟，標(biāo)準(zhǔn)也處于低發(fā)展?fàn)顟B(tài)，例如：沒有統(tǒng)一的包裝標(biāo)準(zhǔn)，檢驗標(biāo)準(zhǔn)不完善等。

4.3 提升我國碳化硅產(chǎn)業(yè)發(fā)展的對策建議 針對我國碳化硅產(chǎn)品發(fā)展存在的不足，提出了下述建議和對策。

（1）制定培育和扶持碳化硅產(chǎn)品的政策和實施細(xì)則

（2）修訂完善碳化硅產(chǎn)品的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)體系

（3）借助科技力量，加強技術(shù)創(chuàng)新

審核編輯：黃飛

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