0 引 言

       碳化硅具有禁帶寬度大、熱導率高、電子飽和漂移速率大、臨界擊穿電場高、介電常數低及化學穩定性好等諸多優點，是具有廣闊發展潛力的第三代新型半導體材料。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，可廣泛應用于新能源汽車、5G通信、光伏發電、軌道交通、智能電網、航空航天等現代工業領域，在我國“新基建”的各主要領域中發揮重要作用。我國政府高度重視以碳化硅為代表的第三代半導體材料的研發，其中第三代半導體被納入關鍵戰略材料發展重點。

       2021年3月13日，新華網刊登了《中華人民共和國國民經濟和社會發展第十四個五年規劃和2035年遠景目標綱要》，其中“集成電路”領域，特別提出碳化硅、氮化鎵等寬禁帶半導體要取得發展。碳化硅和氮化鎵都屬于第三代半導體寬禁帶半導體材料，能夠在“十四五規劃”中提名，足以說明其重要程度已經上升到了國家的層面。相信在國家的助推下，國內將迅速形成適合第三代半導體發展的環境，前景十分值得期待[1]。另一方面，碳化硅對于提 振地方經濟意義重大。例如：作為“十四五”時期要全力打造“碳化硅”作為拳頭型產品的山西省，在《山西省“十四五”新產品發展規劃》中提到：推進6英寸及以上砷化鎵、碳化硅等第二/三代半導體材料和藍寶石材料大規模產業化，開展碳基半導體等新型材料基礎研究。可以看出，碳化硅是山西省“十四五”期間重點發展的產品。因此，對比我國與美國、日本、歐洲等發達國家及地區碳化硅產品標準，分析我國碳化硅標準的先進與不足之處，借鑒和引用發達國家的先進經驗和技術標準，對于提升山西省碳化硅質量，促進山西省碳化硅產業轉型升級具有重要的意義。

       本論文旨在通過對比我國與美國、日本、歐洲等發達國家及地區碳化硅產品標準，分析我國碳化硅標準的先進與不足之處。研究內容包括：（1）檢索并收集國內外現行的碳化硅相關標準；（2）對收集的碳化硅相關標準進行歸類分析；（3）確定比對分析的對象：碳化硅物理特性、碳化硅磨料的化學分析方法、含碳化硅耐火材料化學分析方法以及碳化硅晶片；（4）對比對結果進行分析，得出結論。

       1 國內外碳化硅產品概況

       1.1 碳化硅產品介紹

       碳化硅（又稱之金鋼砂或耐火砂），化學式為SiC，是用石英砂、石油焦（或煤焦）、木屑（生產綠色碳化硅時需要加食鹽）等原料通過電阻爐高溫冶煉而成的一種無機物[2]。碳化硅在大自然中存在于罕見的礦物莫桑石中。在C、N、B等非氧化物高技術耐火原料中，碳化硅為應用最廣泛、最經濟的一種。碳化硅有黑碳化硅和綠碳化硅兩個常用的基本品種，都屬α-SiC。其中：（1）黑碳化硅含SiC約95%，其韌性高于綠碳化硅，大多用于加工抗張強度低的材料，如：玻璃、陶瓷、石材、耐火材料、鑄鐵和有色金屬等；（2）綠碳化硅含SiC約97%以上，自銳性好，大多用于加工硬質合金、鈦合金和光學玻璃，也用于珩磨汽缸套和精磨高速鋼刀具。此外還有立方碳化硅，它是以特殊工藝制取的黃綠色晶體，制作的磨具適用于軸承的超精加工，可使表面粗糙度從Ra32~0.16微米一次加工到Ra0.04~0.02微米[3]。碳化硅在禁帶寬度、擊穿電場強度、飽和電子漂移速率、熱導率以及抗輻射等關鍵參數方面具有顯著優勢，進一步滿足了現代工業對高功率、高電壓、高頻率的需求。以碳化硅為襯底制成的功率器件相比硅基功率器件具有優越的電氣性能，可以滿足電力電子技術對高溫、高功率、高壓、高頻及抗輻射等惡劣工作條件的新要求，從而成為半導體材料領域最具前景的材料之一。未來，以碳化硅（SiC）為代表的第三代寬禁帶半導體將成為半導體產業升級的關鍵。

       1.2 碳化硅產業國內概況

       碳化硅（SiC）作為第三代半導體材料的典型代表，與第一代半導體材料硅（Si）相比，擁有更加優異的物理化學特性，使得碳化硅器件能降低能耗20%以上、減少體積和重量30%~50%，降低碳排放量20%以上，實現電力電子系統的高效化、小型化、輕量化和低耗化。因此，碳化硅電力電子器件將廣泛應用于電動汽車、軌道交通、智能電網、通信雷達和航空航天等重要國民經濟和軍工領域。國際上部分國家在該領域起步早，6英寸碳化硅襯底已經量產，8英寸已研制成功。而國內以4英寸為主，6英寸尚處在攻關階段。我國碳化硅單晶襯底材料長期依賴進口，其高昂的售價和不穩定的供貨情況大大限制了國內相關行業的發展。目前，中國有碳化硅冶煉企業200多家，年生產能力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、微粉生產企業300多家，年生產能力200多萬噸[4]，國內碳化硅產業廠商見表1。

       2018年，山西省政府與中電科集團達成戰略合作關系，展開全方位合作。通過吸引上游企業，形成產業聚集效應，打造電子裝備制造、三代半導體產業生態鏈，建成國內最大的碳化硅材料供應基地。中國電科（山西）電子信息科技創新產業園項目包括“一個中心、三個基地”：“一個中心”即中國電科（山西）三代半導體技術創新中心；“三個基地”即中國電科（山西）碳化硅材料產業基地、中國電科（山西）電子裝備智能制造產業基地、中國電科（山西）能源產業基地。這個1000畝的產業園將串聯起山西轉型綜改示范區上下游十多個產業，帶動山西半導體產業集群迅速發展，實現中國碳化硅的完全自主供應。其中，中國電科（山西）碳化硅產業基地一期項目建筑面積2.7萬平方米，能容納600臺碳化硅單晶生產爐和18萬片N型晶片的加工檢測能力，可形成7.5萬片的碳化硅晶片產能，基地的粉料合成設備、單晶生長設備都是自主研發生產的全國產化設備。2020年，碳化硅晶片產量達3萬余片，市場占有率超過50%，公司實現產值27,986萬元；2021年，投資大力提升車間的智能化水平，建設基于5G技術的智能化、數字化車間，各個生產環節的技術參數在中控室一屏可視。該項目目前成為中國前三、世界前十的碳化硅生產企業，可實現年產值10億元。

       1.3 碳化硅產業國外概況

       受新能源汽車、工業電源等應用的推動，全球電力電子碳化硅的市場規模不斷增長，2020年的市場規模達6億美元。在競爭格局方面，行業龍頭企業的經營模式以IDM模式為主，主要的市場份額被Infineon、Cree、羅姆以及意法半導體占據，國內外廠商的競爭差距較大。在半導體應用中，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、工業電源等應用的推動，全球電力電子碳化硅的市場規模從4.3億美元增長至5.64億美元，2020年的市場規模超過6億美元。

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

       2 國內外碳化硅產品標準化概況

       碳化硅作為一種化學成分較為單一的無機化工原料，其相關的產品標準較少，多為碳化硅的化學分析標準及檢測標準。目前現行的國內外碳化硅產品標準有GB/T 2480《普通磨料 碳化硅》[2]，GOST 26327《碳化硅磨料 技術規范》和SR 5064《碳化硅》。

       2.1 我國碳化硅產品標準化概況

       中國目前已基本建成了一套由國家標準、行業標準和地方標準組成的碳化硅標準體系。目前現行的碳化硅相關國家標準共24項，行業標準共38項，地方標準共3項。我國第一部碳化硅標準為GB2480《碳化硅 技術條件》，該強制性標準于1984年1月1日實施。GB 2480的第一次修訂版本于1997年2月1日實施，并轉化為推薦性標準GB/T 2480《普通磨料 碳化硅》。2008年6月3日，第二次修訂的GB/T2480《普通磨料 碳化硅》發布，并于2009年1月1日實施，該標準與GB/T 2480相比，對各牌號產品的SiC、F.C、Fe2O3含量指標和鐵合金粒含量粒度段的劃分進行了調整，增加了黑碳化硅微粉產品的化學成分指標，以及對檢驗規則進行了改動等。我國現行的碳化硅產品技術標準只有1個，即GB/T 2480《普通磨料 碳化硅》；磨料粒度及其組成、磨料粒度組成測定方法有：GB/T 2481.2《固結磨具用磨料 粒度組成的檢測和標記 第2部分：微粉》[9]，GB/T 9258.1《涂附磨具用磨料 粒度分析 第1部分：粒度組成》，GB/T 9258.2《涂附磨具用磨料 粒度分析 第2部分：粗磨粒P12～P220粒度組成的測定》[10]和GB/T 9258.3《涂附磨具用磨料 粒度分析 第3部分：微粉P240～P2500粒度組成的測定》等；此外，化學分析及檢測方法相關標準有：GB/T 3045《普通磨料 碳化硅化學分析方法》，GB/T 16555《含碳、碳化硅、氮化物耐火材料化學分析方法》，GB/T 37254《高純碳化硅 微量元素的測定》，JB/T 5204《碳化硅脫氧劑化學分析方法》以及JC/T 2149《高純碳化硅粉體成分分析方法》。

       2.2 國外碳化硅產品標準化概況

       目前，世界大多數發達國家市場經濟運行了較長時期，法律法規健全，競爭機制規范，常依靠買賣雙方合同約定，只對涉及碳化硅產品間配合/配套的術語、代號、尺寸公差、粒度標號/粒度分布和各項質量性能指標的測試分析方法制定國家標準或者協會標準。從國外發達國家與組織碳化硅及其制品標準制定情況來看，國際標準化組織（ISO）現行的碳化硅及其制品相關標準共有6項；美國現行的碳化硅相關標準共有14項；歐洲現行的碳化硅相關標準共有49項；日本現行的碳化硅相關標準共有5項；俄羅斯現行的碳化硅相關標準共有8項。現行的國外碳化硅相關產品標準有2個，即羅馬尼亞標準SR 5064《碳化硅》和俄羅斯標準GOST26327《碳化硅磨料 技術規范》。此外，國際標準化組織/小型工具技術委員會/砂輪和磨料分委員會（ISO/TC29/SC5）于1997年1月15日發布實施了ISO9286《磨粒與磨料－碳化硅化學分析》。美國國家標準學會（ANSI）于1992年12月23日批準通過ANSIB74.15《碳化硅磨料粒和天然磨料的化學分析方法》。日本工業標準委員會（JISC）于1998年11月20日審議通過了JIS R6124《碳化硅磨料的化學分析方法》。韓國知識經濟部技術標準院于2003年10月31日修訂通過了KS L 6510《碳化硅磨料的化學分析方法》。ISO沒有給出碳化硅的分類標準；美國ASTM對 纖維增強碳化硅的復合 結 構給出了分類 標準ASTM C1835《纖維增強碳化硅-碳化硅（SiC-SiC）復合結構的標準分類》；俄羅斯對纖維增強碳化硅復合材料也給出了分類標準GOST R58016《陶瓷復合材料 碳化硅纖維增強碳化硅復合材料 分類》。截至目前，我國還沒有碳化硅相關的分類標準。

       3 國內外碳化硅產品標準比對研究

       目前中國電科（山西）碳化硅材料產業基地實施的國內標準有GB/T 30656《碳化硅單晶拋光片》；碳化硅晶片檢測方面的標準有：GB/T 32278《碳化硅單晶片平整度測試方法》、GB/T 30866《碳化硅單晶片直徑測試方法》、GB/T 37254《高純碳化硅 微量元素的測定》、GB/T 30867《碳化硅晶片厚度和總厚度變化測試方法》、GB/T 30868《碳化硅晶片微管密度的測定 化學腐蝕法》。雖然山西企業目前無已批準的標準，但在2021年6月公司申請了3項標準，企業標準補充了國標及行業標準在某些方面的缺失。尤其在測試方法，相關參數要求方面嚴于國家標準及行業標準。

       3.1 可比對的碳化硅國內外標準

       通過碳化硅產品相關標準的收集與分析，表4~表7列出了國內外可比對的標準。

       3.2 碳化硅產品關鍵指標比對

       3.2.1 碳化硅物理特性標準比對

       我國現執行的碳化硅產品技術條件國家標準為GB/T 2480《普通磨料 碳化硅》，根據不同用途分牌號規定了粒度組成、化學成分、磁性物含量、鐵合金粒、密度等項目。俄羅斯國家標準委員會于1984年11月1日發布了碳化硅磨料的技術條件國家標準GOST 26327《碳化硅磨料 技術規范》，規定了綠碳化硅磨料和黑碳化硅磨料的相關技術水平指標，包括粒度組成、化學成分、磁性物含量、密度、粉化率等項目。羅馬尼亞標準協會（ASRO）發布的國家標準SR 5064《碳化硅》，對碳化硅的類型、物理化學特性、體積密度等項目做了規定。

       （1）碳化硅的分類

       中國工業生產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合劑磨具、砂帶用黑碳化硅；陶瓷結合劑磨具、砂帶用綠碳化硅；有機結合劑磨具用黑碳化硅；有機結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。俄羅斯國家標準GOST 26327《碳化硅磨料 技術規范》對碳化硅磨料分為綠色碳化硅和黑色碳化硅兩種，其質量等級和粒度分類具體見表8。

       羅馬尼亞國家標準SR 5064《碳化硅》根據顏色將碳化硅分為綠色碳化硅（GC）和黑色碳化硅（GC）；根據碳化硅含量（SiC）分為優質碳化硅（S）和普通碳化硅（N）。（2）化學成分分析比對GB/T 2480《普通磨料 碳化硅》根據不同種類的磨料碳化硅做了化學成分規定，見表9。

       GOST 26327《碳化硅磨料 技術規范》對碳化硅磨料的化學成分做了規定，見表11。

       根據SR 5064《碳化硅》，不同種類的碳化硅化學成分見表12。

       （3）密度比對GB/T 2480《普通磨料 碳化硅》對碳化硅磨料的體積密度規定見表14。

       GOST 26327《碳化硅磨料 技術規范》和SR5064《碳化硅》對碳化硅磨料的體積密度規定見表15。

       （4）磁性物含量比對GB/T 2480《普通磨料 碳化硅》對碳化硅磁性

       GOST 26327《碳化硅磨料 技術規范》對磁性材料的含量規定見表17。

       SR 5064《碳化硅》碳化硅磁性材料的含量規定見表18。

       3.2.2 碳化硅磨料的化學分析方法標準比對

       我國GB/T 3045《普通磨料 碳化硅化學分析方法》規定了表面雜質分析以及磨料及結晶塊中碳化硅含量的間接法測定；美國國家標準ANSI B74.15《碳化硅磨粒與磨料的化學分析方法》規定了磨料中碳化硅的測定以及其他雜質的化學分析；國際標準化組織ISO 9286《磨粒與磨料-碳化硅化學分析》規定了表面雜質分析和碳化硅碎片中碳化硅的測定；日本工業標準JIS R6124《碳化硅磨料的化學分析方法》規定了表面雜質分析和熒光X射線分析方法；此外，韓國KS L 6510《碳化硅磨料的化學分析方法》規定了碳化硅磨料的化學分析方法和熒光X射線分析方法。具體分析方法見表19。

       3.2.3 含碳化硅耐火材料化學分析方法標準比對

       我國于2017年9月7日發布GB/T 16555《含碳、碳化硅、氮化物耐火材料化學分析方法》[13]。國際標準化組織ISO于2008年8月1日發布了ISO 21068-2《含碳化硅的原材料和耐火制品的化學分析 第2部分：燒失量、總碳、游離碳和碳化硅、總二氧化硅和游離二氧化硅及總硅和游離硅的測定》。歐洲標準化委員會分別于2007年4月30日和5月31日發布了EN 12698-1《氮化物結合碳化硅耐火材料的化學分析 第1部分：化學法》和EN 12698-2《氮化物結合碳化硅耐火材料的化學分析 第2部分：X射線衍射(XRD)法》。上述標準的分析方法比對見表20。

       3.2.4 碳化硅晶片相關標準比對

       有關碳化硅晶片產品標準，目前我國國家標準有GB/T 30656《碳化硅單晶拋光片》，碳化硅晶片檢測方面的國家標準有：GB/T 32278《碳化硅單晶片平整度測試方法》、GB/T 30866《碳化硅單晶片直徑測試方法》、GB/T 37254《高純碳化硅微量元素的測定》、GB/T 30867《碳化硅晶片厚度和總厚度變化測試方法》、GB/T 30868《碳化硅晶片微管密度的測定》。行業標準有SJ/T 11499《碳化硅單晶電學性能的測試方法》、SJ/T 11500《碳化硅單晶晶向的測試方法》、SJ/T 11501《碳化硅單晶晶型的測試方法》、SJ/T 11502《碳化硅單晶拋光片規范》、SJ/T 11503《碳化硅單晶拋光片表面粗糙度的測試方法》、SJ/T 11504《碳化硅單晶拋光片表面質量的測試方法》、SJ 20858《碳化硅單晶材料電學參數測試方法》。國外無相關標準。

       有關缺陷測試方法，國內有一個行業標準和一個團體標準，即SJ 21493《碳化硅外延片表面缺陷測試方法》、T/IAWBS 002《碳化硅外延片表面缺陷測試方法》。國外標準有：IEC 63068-2《半導體器件 動力器件用碳化硅同質外延晶片缺陷的無損識別準則 第2部分：光學檢查法識別缺陷的試驗方法》；IEC 63068-3《半導體器件 動力器件用碳化硅同質外延晶片缺陷的無損識別準則 第3部分：使用光致發光缺陷的測試方法》。JEITA EDR-4712/200《SiC晶片晶體缺陷的無損檢測方法 第2部分：利用光學檢測技術檢測SiC外延層缺陷的方法》；JEITA EDR-4712/300《SiC晶片晶體缺陷的無損檢測方法 第3部分：利用光致發光法檢查SiC外延層缺陷的方法》。

       3.3 比對結論

       從上述標準指標比對結果可以看出：

       （1）國外有關碳化硅標準，例如：GOST 26327、SR 5064和JISR 6111，都制定了碳化硅產品的理化性能標準，其指標要求比中國國家標準寬松。但在對外技術交流和貿易合作過程中，我們發現發達國家碳化硅生產企業和應用企業標準指標遠遠優于其所在國家標準和我國家標準[7]。有些項目在我國國家標準和部分企業實際質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、電導率等；

       （2）針對碳化硅粒度砂與微粉產品，發達國家根據其用途不用，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品，專用產品的企業標準指標要求也不同，使生產者和使用者找到了最佳結合點，產品產生了最大效益；

       （3）從碳化硅磨料的化學分析方法標準比對和含碳化硅耐火材料化學分析方法標準比對結果看，我國國家標準的比對項目相較于美國、歐盟及日本等發達國家及地區而言較為完整，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）從碳化硅晶片相關標準比對結果看，我國國家標準對碳化硅單晶拋光片以及晶片檢測方面制定了相關標準，而美國、歐盟、日本等發達國家及地區沒有涉及。針對碳化硅外延片表面缺陷的測試環境，我國國家標準相較于歐盟以及日本標準要求更高。

       4 對策建議分析

       4.1 國內碳化硅產品標準優勢

       通過調研發現，中國電科（山西）碳化硅材料產業基地作為全國最大的碳化硅材料供應基地，其產品主要面向國內市場。目前國內碳化硅材料供應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，在國內最早實現了高純度碳化硅單晶的商業化量產，高純碳化硅粉料純度和晶體良品率居于國際先進水平，徹底解決了國外對我國碳化硅封鎖的局面，實現了完全自主供應。此外，中國電科（山西）碳化硅材料產業基地目前雖無已批準的標準，但在2021年6月公司申請3項標準，企業標準補充了國標及行業標準在某些方面的缺失，在測試方法及參數要求方面嚴于國標及行標。

       4.2 國內碳化硅產品標準不足

       目前我國已成為碳化硅的生產大國，但還不是碳化硅產業強國。從產品來看，國內碳化硅產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品生產工藝技術還被國外壟斷；在碳化硅深加工產品上，對粒度砂和微粉產品的質量管理不夠精細，產品質量的穩定性不夠，國內產品技術含量低，與美國、日本、歐洲等發達國家及地區先進水平相比還有較大差距，國內高端技術產品缺乏；此外，西方發達國家從事該產品研發生產時間早經驗豐富，產品指標領先我國，且產品驗 證周期長、產品技術壁壘難以打破，國內產品難以進入國際市場；最后，碳化硅屬于發展中產品，有較大的市場需求，但其工藝不成熟，標準也處于低發展狀態，例如：沒有統一的包裝標準，檢驗標準不完善等。

       4.3 提升我國碳化硅產業發展的對策建議

       針對我國碳化硅產品發展存在的不足，提出了下述建議和對策。

       （1）制定培育和扶持碳化硅產品的政策和實施細則建議從頂層設計的角度，建立系統的碳化硅產品培育政策和實施細則，扶持有關企業的研發和生產，從政府層面給予扶持和獎勵。積極幫助企業尋求出口市場，并以加大國內銷售帶動產品出口。在碳化硅方面，作為第三代半導體的新型材料，希望政府能予以資金扶持推進研發，牽引推動應用端國內龍頭企業與碳化硅產品生產商進行聯合攻關試驗，對比碳化硅進口產品使用效果，對國內產品提出持續改進意見，加快國產化替代步伐。

       （2）修訂完善碳化硅產品的質量標準體系通過標準比對發現，目前國內碳化硅產品的質量標準體系不夠完善。碳化硅作為《中華人民共和國國民經濟和社會發展第十四個五年規劃和2035年遠景目標綱要》中集成電路領域的重點產品，可以結合當前碳化硅技術發展和未來趨勢合理進行標準的制修訂，例如：碳化硅產品的包裝和運輸標準等。此外，中國電科（山西）碳化硅材料產業基地作為全國最大的碳化硅材料供應基地，企業標準和地方標準較為缺乏，建議先從制定團體標準和地方標準開始，逐步建立并規范現有的產品標準體系。

       （3）借助科技力量，加強技術創新建議科研院所和企業一起協作，廣泛收集國內外碳化硅產品的政策、法規，生產和市場等相關信息。例如：可圍繞“安全”和“智慧”兩大熱點，聚焦電子裝備智能制造、三代半導體、光伏新能源、網絡信息安全和綜合治理安全等領域，通過技術創新驅動與應用示范項目推廣，助力經濟轉型。