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       0 引 言

       碳化硅具有禁带宽度大、热导率高、电子饱和漂移速率大、临界击穿电场高、介电常数低及化学稳定性好等诸多优点，是具有广阔发展潜力的第三代新型半导体材料。碳化硅晶片和外延衬底主要用于制造功率器件、射频器件等分立器件，可广泛应用于新能源汽车、5G通信、光伏发电、轨道交通、智能电网、航空航天等现代工业领域，在我国“新基建”的各主要领域中发挥重要作用。我国政府高度重视以碳化硅为代表的第三代半导体材料的研发，其中第三代半导体被纳入关键战略材料发展重点。

       2021年3月13日，新华网刊登了《中华人民共和国国民经济和社会发展第十四个五年规划和2035年远景目标纲要》，其中“集成电路”领域，特别提出碳化硅、氮化镓等宽禁带半导体要取得发展。碳化硅和氮化镓都属于第三代半导体宽禁带半导体材料，能够在“十四五规划”中提名，足以说明其重要程度已经上升到了国家的层面。相信在国家的助推下，国内将迅速形成适合第三代半导体发展的环境，前景十分值得期待[1]。另一方面，碳化硅对于提 振地方经济意义重大。例如：作为“十四五”时期要全力打造“碳化硅”作为拳头型产品的山西省，在《山西省“十四五”新产品发展规划》中提到：推进6英寸及以上砷化镓、碳化硅等第二/三代半导体材料和蓝宝石材料大规模产业化，开展碳基半导体等新型材料基础研究。可以看出，碳化硅是山西省“十四五”期间重点发展的产品。因此，对比我国与美国、日本、欧洲等发达国家及地区碳化硅产品标准，分析我国碳化硅标准的先进与不足之处，借鉴和引用发达国家的先进经验和技术标准，对于提升山西省碳化硅质量，促进山西省碳化硅产业转型升级具有重要的意义。

       本论文旨在通过对比我国与美国、日本、欧洲等发达国家及地区碳化硅产品标准，分析我国碳化硅标准的先进与不足之处。研究内容包括：（1）检索并收集国内外现行的碳化硅相关标准；（2）对收集的碳化硅相关标准进行归类分析；（3）确定比对分析的对象：碳化硅物理特性、碳化硅磨料的化学分析方法、含碳化硅耐火材料化学分析方法以及碳化硅晶片；（4）对比对结果进行分析，得出结论。

       1 国内外碳化硅产品概况

       1.1 碳化硅产品介绍

       碳化硅（又称之金钢砂或耐火砂），化学式为SiC，是用石英砂、石油焦（或煤焦）、木屑（生产绿色碳化硅时需要加食盐）等原料通过电阻炉高温冶炼而成的一种无机物[2]。碳化硅在大自然中存在于罕见的矿物莫桑石中。在C、N、B等非氧化物高技术耐火原料中，碳化硅为应用最广泛、最经济的一种。碳化硅有黑碳化硅和绿碳化硅两个常用的基本品种，都属α-SiC。其中：（1）黑碳化硅含SiC约95%，其韧性高于绿碳化硅，大多用于加工抗张强度低的材料，如：玻璃、陶瓷、石材、耐火材料、铸铁和有色金属等；（2）绿碳化硅含SiC约97%以上，自锐性好，大多用于加工硬质合金、钛合金和光学玻璃，也用于珩磨汽缸套和精磨高速钢刀具。此外还有立方碳化硅，它是以特殊工艺制取的黄绿色晶体，制作的磨具适用于轴承的超精加工，可使表面粗糙度从Ra32~0.16微米一次加工到Ra0.04~0.02微米[3]。碳化硅在禁带宽度、击穿电场强度、饱和电子漂移速率、热导率以及抗辐射等关键参数方面具有显著优势，进一步满足了现代工业对高功率、高电压、高频率的需求。以碳化硅为衬底制成的功率器件相比硅基功率器件具有优越的电气性能，可以满足电力电子技术对高温、高功率、高压、高频及抗辐射等恶劣工作条件的新要求，从而成为半导体材料领域最具前景的材料之一。未来，以碳化硅（SiC）为代表的第三代宽禁带半导体将成为半导体产业升级的关键。

       1.2 碳化硅产业国内概况

       碳化硅（SiC）作为第三代半导体材料的典型代表，与第一代半导体材料硅（Si）相比，拥有更加优异的物理化学特性，使得碳化硅器件能降低能耗20%以上、减少体积和重量30%~50%，降低碳排放量20%以上，实现电力电子系统的高效化、小型化、轻量化和低耗化。因此，碳化硅电力电子器件将广泛应用于电动汽车、轨道交通、智能电网、通信雷达和航空航天等重要国民经济和军工领域。国际上部分国家在该领域起步早，6英寸碳化硅衬底已经量产，8英寸已研制成功。而国内以4英寸为主，6英寸尚处在攻关阶段。我国碳化硅单晶衬底材料长期依赖进口，其高昂的售价和不稳定的供货情况大大限制了国内相关行业的发展。目前，中国有碳化硅冶炼企业200多家，年生产能力220多万吨（其中：绿碳化硅块120多万吨，黑碳化硅块约100万吨）；加工制砂、微粉生产企业300多家，年生产能力200多万吨[4]，国内碳化硅产业厂商见表1。

       2018年，山西省政府与中电科集团达成战略合作关系，展开全方位合作。通过吸引上游企业，形成产业聚集效应，打造电子装备制造、三代半导体产业生态链，建成国内最大的碳化硅材料供应基地。中国电科（山西）电子信息科技创新产业园项目包括“一个中心、三个基地”：“一个中心”即中国电科（山西）三代半导体技术创新中心；“三个基地”即中国电科（山西）碳化硅材料产业基地、中国电科（山西）电子装备智能制造产业基地、中国电科（山西）能源产业基地。这个1000亩的产业园将串联起山西转型综改示范区上下游十多个产业，带动山西半导体产业集群迅速发展，实现中国碳化硅的完全自主供应。其中，中国电科（山西）碳化硅产业基地一期项目建筑面积2.7万平方米，能容纳600台碳化硅单晶生产炉和18万片N型晶片的加工检测能力，可形成7.5万片的碳化硅晶片产能，基地的粉料合成设备、单晶生长设备都是自主研发生产的全国产化设备。2020年，碳化硅晶片产量达3万余片，市场占有率超过50%，公司实现产值27,986万元；2021年，投资大力提升车间的智能化水平，建设基于5G技术的智能化、数字化车间，各个生产环节的技术参数在中控室一屏可视。该项目目前成为中国前三、世界前十的碳化硅生产企业，可实现年产值10亿元。

       1.3 碳化硅产业国外概况

       受新能源汽车、工业电源等应用的推动，全球电力电子碳化硅的市场规模不断增长，2020年的市场规模达6亿美元。在竞争格局方面，行业龙头企业的经营模式以IDM模式为主，主要的市场份额被Infineon、Cree、罗姆以及意法半导体占据，国内外厂商的竞争差距较大。在半导体应用中，SiC主要用于电力电子器件的制造。从SiC器件制造流程顺序来看，SiC器件的制造成本中衬底、外延的成本占比最大，其中SiC衬底成本占比50%，SiC外延的成本占比25%，这两大工序是SiC器件的重要组成部分。在上游原料供应方面，高纯石英砂是碳化硅的主要原料之一。因高纯石英砂的制备成本高、加工工艺要求高，因此目前全球具备批量生产高纯石英砂的厂商较少，如表2所示。从下游需求情况来看，2018-2019年，受新能源汽车、工业电源等应用的推动，全球电力电子碳化硅的市场规模从4.3亿美元增长至5.64亿美元，2020年的市场规模超过6亿美元。

       从全球碳化硅衬底的企业经营情况来看，2018年美国CREE公司占龙头地位，市场份额达62%，其次是美国II-VI公司，市场份额约为16%。总体来看，在碳化硅市场中，美国厂商占据主要地位（详见表3）。

       2 国内外碳化硅产品标准化概况

       碳化硅作为一种化学成分较为单一的无机化工原料，其相关的产品标准较少，多为碳化硅的化学分析标准及检测标准。目前现行的国内外碳化硅产品标准有GB/T 2480《普通磨料 碳化硅》[2]，GOST 26327《碳化硅磨料 技术规范》和SR 5064《碳化硅》。

       2.1 我国碳化硅产品标准化概况

       中国目前已基本建成了一套由国家标准、行业标准和地方标准组成的碳化硅标准体系。目前现行的碳化硅相关国家标准共24项，行业标准共38项，地方标准共3项。我国第一部碳化硅标准为GB2480《碳化硅 技术条件》，该强制性标准于1984年1月1日实施。GB 2480的第一次修订版本于1997年2月1日实施，并转化为推荐性标准GB/T 2480《普通磨料 碳化硅》。2008年6月3日，第二次修订的GB/T2480《普通磨料 碳化硅》发布，并于2009年1月1日实施，该标准与GB/T 2480相比，对各牌号产品的SiC、F.C、Fe2O3含量指标和铁合金粒含量粒度段的划分进行了调整，增加了黑碳化硅微粉产品的化学成分指标，以及对检验规则进行了改动等。我国现行的碳化硅产品技术标准只有1个，即GB/T 2480《普通磨料 碳化硅》；磨料粒度及其组成、磨料粒度组成测定方法有：GB/T 2481.2《固结磨具用磨料 粒度组成的检测和标记 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：粒度组成》，GB/T 9258.2《涂附磨具用磨料 粒度分析 第2部分：粗磨粒P12～P220粒度组成的测定》[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粒度组成的测定》等；此外，化学分析及检测方法相关标准有：GB/T 3045《普通磨料 碳化硅化学分析方法》，GB/T 16555《含碳、碳化硅、氮化物耐火材料化学分析方法》，GB/T 37254《高纯碳化硅 微量元素的测定》，JB/T 5204《碳化硅脱氧剂化学分析方法》以及JC/T 2149《高纯碳化硅粉体成分分析方法》。

       2.2 国外碳化硅产品标准化概况

       目前，世界大多数发达国家市场经济运行了较长时期，法律法规健全，竞争机制规范，常依靠买卖双方合同约定，只对涉及碳化硅产品间配合/配套的术语、代号、尺寸公差、粒度标号/粒度分布和各项质量性能指标的测试分析方法制定国家标准或者协会标准。从国外发达国家与组织碳化硅及其制品标准制定情况来看，国际标准化组织（ISO）现行的碳化硅及其制品相关标准共有6项；美国现行的碳化硅相关标准共有14项；欧洲现行的碳化硅相关标准共有49项；日本现行的碳化硅相关标准共有5项；俄罗斯现行的碳化硅相关标准共有8项。现行的国外碳化硅相关产品标准有2个，即罗马尼亚标准SR 5064《碳化硅》和俄罗斯标准GOST26327《碳化硅磨料 技术规范》。此外，国际标准化组织/小型工具技术委员会/砂轮和磨料分委员会（ISO/TC29/SC5）于1997年1月15日发布实施了ISO9286《磨粒与磨料－碳化硅化学分析》。美国国家标准学会（ANSI）于1992年12月23日批准通过ANSIB74.15《碳化硅磨料粒和天然磨料的化学分析方法》。日本工业标准委员会（JISC）于1998年11月20日审议通过了JIS R6124《碳化硅磨料的化学分析方法》。韩国知识经济部技术标准院于2003年10月31日修订通过了KS L 6510《碳化硅磨料的化学分析方法》。ISO没有给出碳化硅的分类标准；美国ASTM对 纤维增强碳化硅的复合 结 构给出了分类 标准ASTM C1835《纤维增强碳化硅-碳化硅（SiC-SiC）复合结构的标准分类》；俄罗斯对纤维增强碳化硅复合材料也给出了分类标准GOST R58016《陶瓷复合材料 碳化硅纤维增强碳化硅复合材料 分类》。截至目前，我国还没有碳化硅相关的分类标准。

       3 国内外碳化硅产品标准比对研究

       目前中国电科（山西）碳化硅材料产业基地实施的国内标准有GB/T 30656《碳化硅单晶抛光片》；碳化硅晶片检测方面的标准有：GB/T 32278《碳化硅单晶片平整度测试方法》、GB/T 30866《碳化硅单晶片直径测试方法》、GB/T 37254《高纯碳化硅 微量元素的测定》、GB/T 30867《碳化硅晶片厚度和总厚度变化测试方法》、GB/T 30868《碳化硅晶片微管密度的测定 化学腐蚀法》。虽然山西企业目前无已批准的标准，但在2021年6月公司申请了3项标准，企业标准补充了国标及行业标准在某些方面的缺失。尤其在测试方法，相关参数要求方面严于国家标准及行业标准。

       3.1 可比对的碳化硅国内外标准

       通过碳化硅产品相关标准的收集与分析，表4~表7列出了国内外可比对的标准。

       3.2 碳化硅产品关键指标比对

       3.2.1 碳化硅物理特性标准比对

       我国现执行的碳化硅产品技术条件国家标准为GB/T 2480《普通磨料 碳化硅》，根据不同用途分牌号规定了粒度组成、化学成分、磁性物含量、铁合金粒、密度等项目。俄罗斯国家标准委员会于1984年11月1日发布了碳化硅磨料的技术条件国家标准GOST 26327《碳化硅磨料 技术规范》，规定了绿碳化硅磨料和黑碳化硅磨料的相关技术水平指标，包括粒度组成、化学成分、磁性物含量、密度、粉化率等项目。罗马尼亚标准协会（ASRO）发布的国家标准SR 5064《碳化硅》，对碳化硅的类型、物理化学特性、体积密度等项目做了规定。

       （1）碳化硅的分类

       中国工业生产的碳化硅主要是黑色碳化硅（SiC含量约95%）和绿色碳化硅（SiC含量约97%以上）两种。GB/T 2480《普通磨料 碳化硅》将磨料碳化硅分为陶瓷结合剂磨具、砂带用黑碳化硅；陶瓷结合剂磨具、砂带用绿碳化硅；有机结合剂磨具用黑碳化硅；有机结合剂磨具用绿碳化硅；手工打磨的砂页用黑碳化硅；手工打磨的砂页用绿碳化硅。俄罗斯国家标准GOST 26327《碳化硅磨料 技术规范》对碳化硅磨料分为绿色碳化硅和黑色碳化硅两种，其质量等级和粒度分类具体见表8。

       罗马尼亚国家标准SR 5064《碳化硅》根据颜色将碳化硅分为绿色碳化硅（GC）和黑色碳化硅（GC）；根据碳化硅含量（SiC）分为优质碳化硅（S）和普通碳化硅（N）。（2）化学成分分析比对GB/T 2480《普通磨料 碳化硅》根据不同种类的磨料碳化硅做了化学成分规定，见表9。

       GOST 26327《碳化硅磨料 技术规范》对碳化硅磨料的化学成分做了规定，见表11。

       根据SR 5064《碳化硅》，不同种类的碳化硅化学成分见表12。

       （3）密度比对GB/T 2480《普通磨料 碳化硅》对碳化硅磨料的体积密度规定见表14。

       GOST 26327《碳化硅磨料 技术规范》和SR5064《碳化硅》对碳化硅磨料的体积密度规定见表15。

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

       GOST 26327《碳化硅磨料 技术规范》对磁性材料的含量规定见表17。

       SR 5064《碳化硅》碳化硅磁性材料的含量规定见表18。

       3.2.2 碳化硅磨料的化学分析方法标准比对

       我国GB/T 3045《普通磨料 碳化硅化学分析方法》规定了表面杂质分析以及磨料及结晶块中碳化硅含量的间接法测定；美国国家标准ANSI B74.15《碳化硅磨粒与磨料的化学分析方法》规定了磨料中碳化硅的测定以及其他杂质的化学分析；国际标准化组织ISO 9286《磨粒与磨料-碳化硅化学分析》规定了表面杂质分析和碳化硅碎片中碳化硅的测定；日本工业标准JIS R6124《碳化硅磨料的化学分析方法》规定了表面杂质分析和荧光X射线分析方法；此外，韩国KS L 6510《碳化硅磨料的化学分析方法》规定了碳化硅磨料的化学分析方法和荧光X射线分析方法。具体分析方法见表19。

       3.2.3 含碳化硅耐火材料化学分析方法标准比对

       我国于2017年9月7日发布GB/T 16555《含碳、碳化硅、氮化物耐火材料化学分析方法》[13]。国际标准化组织ISO于2008年8月1日发布了ISO 21068-2《含碳化硅的原材料和耐火制品的化学分析 第2部分：烧失量、总碳、游离碳和碳化硅、总二氧化硅和游离二氧化硅及总硅和游离硅的测定》。欧洲标准化委员会分别于2007年4月30日和5月31日发布了EN 12698-1《氮化物结合碳化硅耐火材料的化学分析 第1部分：化学法》和EN 12698-2《氮化物结合碳化硅耐火材料的化学分析 第2部分：X射线衍射(XRD)法》。上述标准的分析方法比对见表20。

       3.2.4 碳化硅晶片相关标准比对

       有关碳化硅晶片产品标准，目前我国国家标准有GB/T 30656《碳化硅单晶抛光片》，碳化硅晶片检测方面的国家标准有：GB/T 32278《碳化硅单晶片平整度测试方法》、GB/T 30866《碳化硅单晶片直径测试方法》、GB/T 37254《高纯碳化硅微量元素的测定》、GB/T 30867《碳化硅晶片厚度和总厚度变化测试方法》、GB/T 30868《碳化硅晶片微管密度的测定》。行业标准有SJ/T 11499《碳化硅单晶电学性能的测试方法》、SJ/T 11500《碳化硅单晶晶向的测试方法》、SJ/T 11501《碳化硅单晶晶型的测试方法》、SJ/T 11502《碳化硅单晶抛光片规范》、SJ/T 11503《碳化硅单晶抛光片表面粗糙度的测试方法》、SJ/T 11504《碳化硅单晶抛光片表面质量的测试方法》、SJ 20858《碳化硅单晶材料电学参数测试方法》。国外无相关标准。

       有关缺陷测试方法，国内有一个行业标准和一个团体标准，即SJ 21493《碳化硅外延片表面缺陷测试方法》、T/IAWBS 002《碳化硅外延片表面缺陷测试方法》。国外标准有：IEC 63068-2《半导体器件 动力器件用碳化硅同质外延晶片缺陷的无损识别准则 第2部分：光学检查法识别缺陷的试验方法》；IEC 63068-3《半导体器件 动力器件用碳化硅同质外延晶片缺陷的无损识别准则 第3部分：使用光致发光缺陷的测试方法》。JEITA EDR-4712/200《SiC晶片晶体缺陷的无损检测方法 第2部分：利用光学检测技术检测SiC外延层缺陷的方法》；JEITA EDR-4712/300《SiC晶片晶体缺陷的无损检测方法 第3部分：利用光致发光法检查SiC外延层缺陷的方法》。

       3.3 比对结论

       从上述标准指标比对结果可以看出：

       （1）国外有关碳化硅标准，例如：GOST 26327、SR 5064和JISR 6111，都制定了碳化硅产品的理化性能标准，其指标要求比中国国家标准宽松。但在对外技术交流和贸易合作过程中，我们发现发达国家碳化硅生产企业和应用企业标准指标远远优于其所在国家标准和我国家标准[7]。有些项目在我国国家标准和部分企业实际质量控制中未列入检测控制项目，如：振实密度、比表面积、清洁度、韧性、电导率等；

       （2）针对碳化硅粒度砂与微粉产品，发达国家根据其用途不用，按照对口专用、精密化、综合利用原则，分成了多种牌号专用产品，专用产品的企业标准指标要求也不同，使生产者和使用者找到了最佳结合点，产品产生了最大效益；

       （3）从碳化硅磨料的化学分析方法标准比对和含碳化硅耐火材料化学分析方法标准比对结果看，我国国家标准的比对项目相较于美国、欧盟及日本等发达国家及地区而言较为完整，但也有个别项目没有涉及，例如：碳化硅磨料的碳化硅、表面硅酸以及全硅等；

       （4）从碳化硅晶片相关标准比对结果看，我国国家标准对碳化硅单晶抛光片以及晶片检测方面制定了相关标准，而美国、欧盟、日本等发达国家及地区没有涉及。针对碳化硅外延片表面缺陷的测试环境，我国国家标准相较于欧盟以及日本标准要求更高。

       4 对策建议分析

       4.1 国内碳化硅产品标准优势

       通过调研发现，中国电科（山西）碳化硅材料产业基地作为全国最大的碳化硅材料供应基地，其产品主要面向国内市场。目前国内碳化硅材料供应基地全面掌握了高纯碳化硅粉料制备工艺、4英寸高纯半绝缘碳化硅单晶衬底的制备工艺，形成了从碳化硅粉料制备、晶体生长、晶片加工、外延验证等整套碳化硅材料研制线，在国内最早实现了高纯度碳化硅单晶的商业化量产，高纯碳化硅粉料纯度和晶体良品率居于国际先进水平，彻底解决了国外对我国碳化硅封锁的局面，实现了完全自主供应。此外，中国电科（山西）碳化硅材料产业基地目前虽无已批准的标准，但在2021年6月公司申请3项标准，企业标准补充了国标及行业标准在某些方面的缺失，在测试方法及参数要求方面严于国标及行标。

       4.2 国内碳化硅产品标准不足

       目前我国已成为碳化硅的生产大国，但还不是碳化硅产业强国。从产品来看，国内碳化硅产品主要集中在中低端市场，真正用于高精尖科技，比如：高级研磨粉、精密电子元件等方面的碳化硅产品生产工艺技术还被国外垄断；在碳化硅深加工产品上，对粒度砂和微粉产品的质量管理不够精细，产品质量的稳定性不够，国内产品技术含量低，与美国、日本、欧洲等发达国家及地区先进水平相比还有较大差距，国内高端技术产品缺乏；此外，西方发达国家从事该产品研发生产时间早经验丰富，产品指标领先我国，且产品验 证周期长、产品技术壁垒难以打破，国内产品难以进入国际市场；最后，碳化硅属于发展中产品，有较大的市场需求，但其工艺不成熟，标准也处于低发展状态，例如：没有统一的包装标准，检验标准不完善等。

       4.3 提升我国碳化硅产业发展的对策建议

       针对我国碳化硅产品发展存在的不足，提出了下述建议和对策。

       （1）制定培育和扶持碳化硅产品的政策和实施细则建议从顶层设计的角度，建立系统的碳化硅产品培育政策和实施细则，扶持有关企业的研发和生产，从政府层面给予扶持和奖励。积极帮助企业寻求出口市场，并以加大国内销售带动产品出口。在碳化硅方面，作为第三代半导体的新型材料，希望政府能予以资金扶持推进研发，牵引推动应用端国内龙头企业与碳化硅产品生产商进行联合攻关试验，对比碳化硅进口产品使用效果，对国内产品提出持续改进意见，加快国产化替代步伐。

       （2）修订完善碳化硅产品的质量标准体系通过标准比对发现，目前国内碳化硅产品的质量标准体系不够完善。碳化硅作为《中华人民共和国国民经济和社会发展第十四个五年规划和2035年远景目标纲要》中集成电路领域的重点产品，可以结合当前碳化硅技术发展和未来趋势合理进行标准的制修订，例如：碳化硅产品的包装和运输标准等。此外，中国电科（山西）碳化硅材料产业基地作为全国最大的碳化硅材料供应基地，企业标准和地方标准较为缺乏，建议先从制定团体标准和地方标准开始，逐步建立并规范现有的产品标准体系。

       （3）借助科技力量，加强技术创新建议科研院所和企业一起协作，广泛收集国内外碳化硅产品的政策、法规，生产和市场等相关信息。例如：可围绕“安全”和“智慧”两大热点，聚焦电子装备智能制造、三代半导体、光伏新能源、网络信息安全和综合治理安全等领域，通过技术创新驱动与应用示范项目推广，助力经济转型。