細談中國碳化硅的從無(wú)到有，老一輩工藝先驅者的匠心足跡

艾新德魯夫執行院長(cháng) 幻實(shí)（左） 中國電子科技集團第四十六研究所副總工程師 郝建民（右）

·初生代新風(fēng)口——國產(chǎn)碳化硅的發(fā)展軌跡

·設備與工藝——從無(wú)到有的跨越與突破

·縮小差距——高歌猛進(jìn)的乘風(fēng)破浪

大咖談芯 | 細談中國碳化硅的從無(wú)到有，老一輩工藝先驅者的匠心足跡！

幻實(shí)（主播）：

本期我們邀請到了中國電科第四十六研究所副總工程師郝建民先生。請郝總跟大家打招呼！

郝建民（嘉賓）：
各位聽(tīng)友大家好！

幻實(shí)（主播）：
我知道您特別低調，搜索您的詞條發(fā)現您是國務(wù)院政府特殊津貼的獲得者，很好奇您大部分時(shí)間都在忙什么？

郝建民（嘉賓）：
主要忙兩件事：一個(gè)是關(guān)注半導體行業(yè)發(fā)生了什么？另一個(gè)是思考它為什么會(huì )這樣？大部分時(shí)間我會(huì )看很多資料，在開(kāi)會(huì )的時(shí)候給大家講一講半導體材料的未來(lái)趨勢。

主播幻實(shí)對話(huà)中國電科第四十六所副總工程師郝建民

幻實(shí)（主播）：
您應該是國內最早做碳化硅相關(guān)研究工作的，當年您著(zhù)手做這個(gè)的時(shí)候，產(chǎn)業(yè)的環(huán)境和狀態(tài)是什么樣的？

郝建民（嘉賓）：
1986年，我大學(xué)畢業(yè)。之后一直在從事X射線(xiàn)結晶學(xué)方面的研究，實(shí)際上結晶學(xué)就是研究晶體里邊原子怎么排列的。1987年科銳公司成立，沒(méi)過(guò)多久碳化硅出現了，我從1999年開(kāi)始做碳化硅，當時(shí)其實(shí)還沒(méi)有產(chǎn)業(yè)概念。

科銳成立于1987年，是美國著(zhù)名制造商和行業(yè)領(lǐng)先者

2021年正式更名為Wolfspeed，是目前全球最大的碳化硅功率器件供應商 （圖源：百度百科）

碳化硅材料的結構比較復雜，跟原來(lái)的硅材料、鍺材料等結構都不一樣，為了要攻克它就得找一個(gè)懂結構的人，這時(shí)候就把我選上了。

幻實(shí)（主播）：
是做單晶的研究嗎？

郝建民（嘉賓）：
做單晶的生長(cháng)研究，它長(cháng)完了會(huì )是什么？需要掌握其結構。

幻實(shí)（主播）：
那時(shí)候是起步階段嗎？

郝建民（嘉賓）：
對于我們國家的碳化硅產(chǎn)業(yè)來(lái)講，絕對是起步階段——當時(shí)國內實(shí)際上只有三個(gè)人在做。接手后發(fā)現我們需要單晶爐，這也需要資金的支持。2002年9、10月份就到了實(shí)驗室階段，可以說(shuō)我國的研發(fā)算得上比較早。

幻實(shí)（主播）：
那個(gè)時(shí)候常規的硅晶做的怎么樣了？能不能把硅晶的單晶爐拿過(guò)來(lái)做碳化硅？

郝建民（嘉賓）：
完全不行。因為硅本身是熔體，熔點(diǎn)在1420度左右，而碳化硅要2000度以上，要做的話(huà)就得把爐子升溫1000度，但那樣爐子會(huì )被燒化。

當時(shí)歐洲的碳化硅也才起步不久，設備也不足。很有意思的是當時(shí)有一家公司說(shuō)可以做單晶爐，我們就去買(mǎi)，買(mǎi)回來(lái)后在一所大學(xué)里用這種爐子長(cháng)出了一個(gè)小晶體，對方看到后很驚訝，說(shuō)我們這么大的爐子只長(cháng)出了這么小的晶體？這就是當時(shí)人們對碳化硅的理解。

碳化硅本身的形狀由坩堝形狀決定，坩堝規則，碳化硅的形狀就規則。但是長(cháng)出的晶體并不完全是單晶，一吋的坩堝產(chǎn)出的單晶與多晶混合，晶型上也是4H、6H等混合，看起來(lái)黑乎乎的一塊東西，我們就是從這里起步的。

單晶硅生長(cháng)爐主要由主機、加熱電源和計算機控制系統三大部分組成 （圖源：百度百科）

幻實(shí)（主播）：
解決了單晶爐后團隊又是怎樣去突破后續難關(guān)的？

郝建民（嘉賓）：
從2002到2014年，十二年時(shí)間中我一直在做單晶爐的耐高溫測試，這是非常磨人的工作。因為燒爐子跟燒硅不一樣，燒硅是能看見(jiàn)過(guò)程的，而燒碳化硅是看不見(jiàn)的，蒙在里面一個(gè)禮拜后才能知道結果。

幻實(shí)（主播）：
感覺(jué)有點(diǎn)像瓷器開(kāi)窯，好的壞的開(kāi)了才能完全知道。

郝建民（嘉賓）：
是的。但是它比瓷器的燒制時(shí)間還長(cháng)，窗口還窄，在燒制過(guò)程中，九成情況下都不清楚最后能不能成功。我們就是在這樣的情況下摸索共性的規律，慢慢走出了一條路。

幻實(shí)（主播）：
這方面去海外交流學(xué)習可以學(xué)回經(jīng)驗來(lái)嗎？

郝建民（嘉賓）：
完全不可能，因為在各種學(xué)術(shù)會(huì )議上討論的都只是結果。他們只會(huì )宣布已經(jīng)成功生產(chǎn)的材料規格、缺陷，應用等，但絕不會(huì )告訴你這究竟是怎么做出來(lái)的。

幻實(shí)（主播）：
海外的高校也不做工藝上的交流嗎？

郝建民（嘉賓）：
從來(lái)都沒(méi)有。

幻實(shí)（主播）：

我們國內現在的碳化硅單晶這十幾年發(fā)展到了什么水平？

郝建民（嘉賓）：
應該說(shuō)進(jìn)步很大，但是未來(lái)的路還很長(cháng)，越走越難，而且尺度提高了。

幻實(shí)（主播）：
這個(gè)尺度是指什么？

郝建民（嘉賓）：
晶體中的原子是一個(gè)挨著(zhù)一個(gè)排列的，當年我做結晶學(xué)研究時(shí)是從測量的角度去認知它，現在不一樣了，我們要自己來(lái)排原子，看做出來(lái)的材料是否百分之百排列整齊了？這個(gè)是不知道的。

幻實(shí)（主播）：
它屬于一個(gè)微觀(guān)的控制？

郝建民（嘉賓）：
實(shí)際上我們的研究大體可以分為兩大路徑。通過(guò)對工藝的控制來(lái)測試操作與結果之間的關(guān)系——哪些能對上？哪些對不上？怎樣調整修改？這是一條途徑；還有一條途徑是現在比較先進(jìn)的，就是用電腦模擬仿真再比對，這是結晶學(xué)里邊我們國家跟國外差距比較大的地方，我們在這塊重視程度不夠。由于基礎工作做得不夠，在99.8%到99.98%這個(gè)區間難度會(huì )更大，因為越往后，精度要求越高，我們粗放的認知方式就無(wú)法滿(mǎn)足相應的要求。

碳化硅爐 （圖源：網(wǎng)絡(luò )）

幻實(shí)（主播）：
產(chǎn)業(yè)發(fā)展具有越來(lái)越高的標準,這也決定了我們成品率的高低。

郝建民（嘉賓）：
所以我說(shuō)要走的路還很長(cháng)。

幻實(shí)（主播）：
除了這些，在其他工作中還遇到過(guò)什么問(wèn)題？

郝建民（嘉賓）：
其實(shí)我們研究所里有些小組在做氧化鎵、氮化鋁、金剛石等其他材料。我發(fā)現年輕人在工作的時(shí)候是從感性到知性，而我有工藝認知的基礎，有認知一些未知事物的能力，我的工作就是要引導他們從知性到理性。我們在不同的層面上展開(kāi)討論，這樣的話(huà)對于他們是有幫助的，這就是我現在存在的價(jià)值。

幻實(shí)（主播）：
相當于把您當時(shí)做技術(shù)管理的優(yōu)勢發(fā)揮出來(lái)，讓他們少走點(diǎn)彎路。

郝建民（嘉賓）：
我常常問(wèn)他們“你為什么不這樣？”或者“為什么這樣做有道理？”用來(lái)促使他們思考。

幻實(shí)（主播）：
感覺(jué)像在帶博士生？

郝建民（嘉賓）：
我們研究所不招學(xué)生，但我的角色就是這樣的。

幻實(shí)（主播）：
問(wèn)一個(gè)現實(shí)的問(wèn)題，當前在碳化硅領(lǐng)域，國內水平和國際的科技大牛的差距是拉大了還是縮小了？情況怎么樣？

郝建民（嘉賓）：
似乎是縮小了。在各種公開(kāi)的場(chǎng)合我們和別人比的都是尺寸，例如你說(shuō)你有6吋的，我說(shuō)我也有6吋的。但是真實(shí)情況是，雖然尺寸相同，但二者差距依舊較大。

國內很多人都太過(guò)浮躁，實(shí)際上技術(shù)是有規律的。我在會(huì )議報告里經(jīng)常為我們年輕的技術(shù)人員爭取寬容的生存環(huán)境，盡量能夠有一個(gè)聲音來(lái)說(shuō)服甲方，不要那么急，他們已經(jīng)挺努力的了。有些事情得尊重規律，這是我要傳達的聲音。

幻實(shí)（主播）：
您從事這個(gè)行業(yè)多久了？

郝建民（嘉賓）：
我是1986年畢業(yè)的，到現在已經(jīng)36年了。

幻實(shí)（主播）：
您能用幾句話(huà)給我們說(shuō)一說(shuō)這三十幾年走過(guò)來(lái)的感受嗎？

郝建民（嘉賓）：
我本身的專(zhuān)業(yè)是凝聚態(tài)物理，后來(lái)做碳化硅。開(kāi)會(huì )的時(shí)候，很多人會(huì )覺(jué)得我好像哪種材料都能講，哪個(gè)問(wèn)題都了解；我想說(shuō)的是，我自己日常就是一直在知性和理性之間轉換。很榮幸這一輩子趕上了國家的****展時(shí)期，我非常樂(lè )觀(guān)和知足。

幻實(shí)（主播）：
您對行業(yè)的后輩有什么寄語(yǔ)嗎？

郝建民（嘉賓）：
我希望我們的年輕人能夠沉得住氣，沿著(zhù)一個(gè)領(lǐng)域踏踏實(shí)實(shí)地做下去，終究會(huì )有收獲的。

碳化硅單晶的制備一直是全球性難題，而高穩定性的晶體生長(cháng)工藝則是其中最核心的技術(shù)。之前，這項技術(shù)只掌握在美國人手里，且長(cháng)期對我國進(jìn)行技術(shù)封鎖。我國半導體材料長(cháng)期依賴(lài)進(jìn)口，由此帶來(lái)的問(wèn)題就是半導體材料價(jià)格昂貴、渠道不穩，隨時(shí)都可能面對斷供的風(fēng)險，而且產(chǎn)品的質(zhì)量也難以得到有效保證。

我國是碳化硅最大的應用市場(chǎng)。LED照明、高壓電力傳輸、家電領(lǐng)域、5G通信、新能源汽車(chē)，這些碳化硅和其他三代半導體的核心應用場(chǎng)景，都以我國作為最大主場(chǎng)。全球生產(chǎn)的碳化硅器件，50%左右就在我國消耗。有市場(chǎng)，有應用場(chǎng)景，就有技術(shù)創(chuàng )新的最大原動(dòng)力和資本市場(chǎng)的投資機會(huì )。有最大工業(yè)制造業(yè)的規模，有國家產(chǎn)業(yè)政策的適度引導，碳化硅的產(chǎn)業(yè)發(fā)展就有成功的基礎和追趕的希望。