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近年來，隨著碳化硅（SiC）市場需求持續(xù)水漲船高，終端對于SiC降本的訴求也在不斷增強，因為最終的產(chǎn)品價格始終是決定消費端買單的關鍵。而SiC襯底成本在整個成本結(jié)構(gòu)中占比最高，可達50%左右，這就意味著襯底環(huán)節(jié)的降本增效尤為重要，也因此，大尺寸襯底由于成本優(yōu)勢比較明顯，逐漸被寄予厚望。
根據(jù)SiC襯底廠商天科合達的測算，從4英寸提升到6英寸，單位成本預計能夠降低50%；從6英寸到8英寸，成本能夠在這個基礎上再降低35%。同時，8英寸襯底能夠切出更多的芯片（預計可多切90%），邊緣浪費也會更低。
簡單來說，8英寸襯底具備更高的有效利用率，這也是各大廠商積極研發(fā)8英寸襯底的直接原因。目前，6英寸SiC襯底仍是主流，但8英寸襯底已經(jīng)開始滲透市場，例如，Wolfspeed 2023年7月宣布其8英寸工廠已開始向中國終端客戶批量出貨SiC MOSFET，側(cè)面說明其8英寸SiC襯底的批量出貨；天科合達也已經(jīng)開始小批量出貨8英寸襯底，預計2024年可形成中批量出貨······
除了出貨量的直觀說明以外，技術(shù)和產(chǎn)品研發(fā)方面也能看到實質(zhì)性的突破和更進一步的成果，廠商的許多布局也更明確地指向了8英寸襯底及相關配套，這一趨勢在2023年相關進展中均有跡可循。
8英寸SiC襯底梯隊加速進階
從Wolfspeed最初于2015年首次展示樣品到現(xiàn)在，8英寸SiC襯底已經(jīng)有了7-8年的發(fā)展史，隨著玩家的增多，8英寸SiC襯底技術(shù)的發(fā)展和產(chǎn)品研發(fā)在近兩年明顯加快了。? ?首先看國際廠商，除了已實現(xiàn)量產(chǎn)的Wolfspeed，還有7家SiC襯底、外延、器件廠預計在今年或未來1-2年實現(xiàn)8英寸襯底的量產(chǎn)。
其中，Wolfspeed的8英寸襯底及MOSFET已實現(xiàn)批量應用。投資方面，Wolfspeed目前仍在繼續(xù)建設John Palmour碳化硅制造中心（美國北卡羅來納州SiC襯底工廠），后續(xù)該工廠將持續(xù)推動襯底產(chǎn)能的擴充，配合其8英寸晶圓廠的擴產(chǎn)需求。Coherent去年也公布了擴產(chǎn)8英寸襯底和外延片的計劃，其將在美國和瑞典進行大規(guī)模擴產(chǎn)。
產(chǎn)品出?？诜矫?，Coherent已收到了來自三菱電機和電裝的10億美元投資，將為二者長期提供6/8英寸SiC襯底及外延片。ST意法半導體去年也斥資投向8英寸領域，其正在聯(lián)合湖南三安半導體建設8英寸SiC晶圓廠，后者配套自建一座8英寸SiC襯底廠，保障合資工廠的材料供應穩(wěn)定性。與此同時，ST也在自研襯底，其此前便與Soitec就量產(chǎn)8英寸SiC襯底達成了合作?？梢钥吹?，ST在推廣和應用8英寸襯底方面同樣是走得早、跑得快。
再看中國廠商，目前已超10家企業(yè)8英寸SiC襯底進入了送樣、小批量生產(chǎn)階段，包括：爍科晶體、晶盛機電、天岳先進、南砂晶圓、同光股份、天科合達、科友半導體、乾晶半導體、湖南三安半導體、超芯星、盛新材料（中國臺灣）、粵海金。
除了上述提及的廠商，目前還有不少在研8英寸襯底的中國廠商，如環(huán)球晶圓（中國臺灣）、東尼電子、合盛硅業(yè)、天成半導體、平煤神馬合資公司中宜創(chuàng)芯等。投資方面，爍科晶體、南砂晶圓、天岳先進、天科合達、乾晶半導體、科友半導體、三安光電等均有8英寸襯底相關擴產(chǎn)計劃，旨在提前為后續(xù)中下游客戶做好材料產(chǎn)能供應的準備。
而2024年開年以來，已有8英寸襯底項目傳來進展：南砂晶圓旗下中晶芯源8英寸SiC單晶和襯底產(chǎn)業(yè)化項目正式備案，該項目于2023年6月12日落地山東濟南，計劃在2025年滿產(chǎn)達產(chǎn)。根據(jù)業(yè)內(nèi)人士分析，現(xiàn)階段中國廠商在襯底領域與國際大廠的差距已顯著縮小，英飛凌與天岳先進、天科合達等中國廠商達成長期合作，也說明了中國襯底產(chǎn)品的質(zhì)量受到認可。
從技術(shù)水平這個維度上看，兩方差距的縮小側(cè)面反映了全球整體襯底技術(shù)有了提升，后續(xù)有望通過各家廠商的共同努力，推動8英寸襯底技術(shù)的發(fā)展步伐?？傮w而言，8英寸SiC襯底整體發(fā)展有加速向上之勢，量和質(zhì)上皆有頗多突破。
全球8英寸SiC晶圓廠加速擴張
隨著襯底材料持續(xù)突破技術(shù)“天花板”，全球8英寸SiC晶圓廠的擴張規(guī)模也在2023年達到了新高水平。據(jù)集邦化合物半導體不完全統(tǒng)計，2023年約12個8英寸晶圓相關擴產(chǎn)項目落地，其中8個項目由Wolfspeed、Onsemi安森美、ST、Infineon英飛凌、Rohm羅姆等國際廠商主導，ST還與三安光電共同合作了1個項目，另外3個項目由泰科天潤、芯聯(lián)集成、杰平方等中國廠商主導。
從區(qū)域分布來看，未來歐美、日韓、中國、東南亞等投資重要集中區(qū)都將有新的8英寸SiC晶圓工廠。截至目前，全球在建或擬建的8英寸晶圓工廠約11座（較明確的），其中，Wolfspeed 2座（美國莫霍克、德國薩爾州）、博世1座（美國羅斯維爾）、ST 1座自建（意大利卡塔尼亞）、1座與三安合建（中國重慶）、英飛凌1座（馬來西亞居林）、三菱電機1座（日本熊本）、羅姆2座（日本筑后、國富）、安森美1座（韓國富川）、富士電機1座（日本松本）。
若之后杰平方半導體進一步落實在香港建設8英寸SiC先進垂直整合晶圓廠，那么全球8英寸SiC晶圓廠將再增1座。
另值得一提的是，近日中國福建也簽約了一個8英寸SiC晶圓項目，項目方為天睿半導體。預期今年將有更多資金投向8英寸SiC晶圓領域。從廠商擴產(chǎn)方向來看，博世及安森美2023年的投資直指車用SiC市場，ST擬在意大利建設的8英寸SiC芯片廠也瞄準了電動汽車市場。雖然其他廠商沒有直接說明未來產(chǎn)能的應用方向，但電動車是目前及未來SiC的主要增長引擎，必然是各大廠商擴產(chǎn)的重點之一。
在電動汽車領域，800V高壓平臺已經(jīng)是比較明確的發(fā)展趨勢，而800V平臺需要更高壓的功率半導體元件，在此背景下，相關廠商已經(jīng)著手開發(fā)1200V SiC功率器件。從成本角度來看，盡管短時間內(nèi)6英寸是主流，但為了降本增效，6英寸勢必會往8英寸等更大尺寸延伸，因此，電動汽車市場未來將對8英寸晶圓有著持續(xù)增長的需求。從供應鏈的角度來看，8英寸也是SiC廠商未來的破局之道。
據(jù)集邦化合物半導體了解，6英寸SiC器件市場已經(jīng)進入深度“內(nèi)卷”的階段，尤其是SiC JBD部分，對于規(guī)模小、競爭力弱的企業(yè)而言，利潤空間正在無限擠壓，未來無疑將進行一輪洗牌。在此背景下，為了長遠的發(fā)展，廠商前瞻布局8英寸等更大尺寸的技術(shù)，以期搶占市場先機。
8英寸產(chǎn)業(yè)化突破口與進展
8英寸已是大勢所趨，但不得不承認的是，雖然技術(shù)的進步正在逐漸轉(zhuǎn)換為成果，但8英寸產(chǎn)業(yè)化短期內(nèi)還任重道遠，在這其中，襯底是主要突破口。生產(chǎn)進度上，目前能夠大規(guī)模量產(chǎn)8英寸SiC襯底的企業(yè)屈指可數(shù)。
量產(chǎn)速度上，Wolfspeed從成功研發(fā)到量產(chǎn)的時間線跨越了7年左右，這就說明8英寸SiC襯底大規(guī)模量產(chǎn)還面臨重重難關。即便產(chǎn)業(yè)整體有了明顯的進展，但在新能源汽車、光儲充等應用市場對SiC功率半導體快速增長的需求面前，廠商仍顯得有些捉襟見肘，因此，8英寸SiC襯底的進一步突破便更為迫在眉睫。
根據(jù)天科合達、爍科晶體、天域半導體等中國SiC襯底、外延主要廠商介紹，8英寸量產(chǎn)難題與長晶爐、晶體生長、切磨拋技術(shù)及外延技術(shù)息息相關，也是襯底產(chǎn)業(yè)化的突破口。長晶爐主要涉及溫場控制問題，據(jù)說目前業(yè)內(nèi)提出一種解決方案：用電阻加熱，因其溫度更均勻，更容易控制溫場。晶體生長與長晶法有關，難題主要包括襯底的位錯密度、晶體的缺陷等，前者的位錯問題一直是制約SiC器件性能的關鍵，后者涉及點缺陷、線缺陷和面缺陷，缺陷類型較多。
據(jù)爍科晶體介紹，SiC單晶各個缺陷之間存在相互聯(lián)系、相互影響的關系，不過，目前SiC的缺陷密度已經(jīng)得到有效控制，但是仍存在下降的空間，因此需要產(chǎn)業(yè)鏈進一步攻克?，F(xiàn)階段，主流的長晶法包括三種：PVT（物理氣相傳輸法）、LPE（液相外延技術(shù)）、HTCVD（高溫化學氣相沉積法）。
PVT是目前唯一實現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)的方法，全球90%以上的襯底廠商采用PVT法，但該方法生長的SiC襯底厚度有限，缺陷水平偏高，大尺寸制備技術(shù)尚不成熟。相比PVT，LPE、HTCVD在位錯密度、純度、生長率、大尺寸生長上有明顯的優(yōu)勢，但這兩種方法目前仍不成熟。
為解決相關問題，日本及中國研究者已經(jīng)開始展開LPE、HTCVD長晶法的相關研究，可望逐步取得突破。切磨拋直接關系到襯底加工的效率和產(chǎn)品良率，其中，切片是SiC由晶錠轉(zhuǎn)化為晶片的第一道工序，決定了后道加工的整體良率，因此需要穩(wěn)定性、可靠性高的高精密切割設備。
但由于SiC硬度大、脆性高等特點，晶錠分割成為晶圓加工的歷史難題。目前，晶錠切割以砂漿多線切割和金剛線多線切割為主，兩種方法各有優(yōu)缺點，激光切割優(yōu)勢更明顯，逐漸成為切割硬度高、脆性大材料的首選技術(shù)。
就廠商的生產(chǎn)進度和業(yè)務開拓來看，日本Disco是切磨拋設備領域的龍頭廠商，已形成半導體切磨拋裝備材料完善的產(chǎn)品布局，在全球晶圓減薄機市場的市占率超70%。其在2023年12月推出了新型SiC切割設備，支持切割8英寸SiC材料，可將SiC晶圓的切割速度提高10倍，首批產(chǎn)品已交付客戶。
中國廠商中，高測股份去年連續(xù)拿下8英寸SiC金剛線切片機的訂單；通用智能則交付了自主研發(fā)的8英寸SiC晶錠剝離產(chǎn)線；大族激光作為激光技術(shù)廠商的代表之一，已經(jīng)可以規(guī)?；a(chǎn)SiC激光切割設備······可見，8英寸切磨拋解決方案已經(jīng)開始產(chǎn)業(yè)化落地。外延技術(shù)也是SiC器件質(zhì)量和良率的直接影響因素，目前主要廠商多采用CVD化學氣相沉積法，具體設備的運行方式分為垂直式、水平式、行星式。外延制備的難題主要在于波長均勻性和缺陷密度。
目前，德國AIXTRON SE愛思強的行星式反應系統(tǒng)能夠做到片內(nèi)高度外延一致性，并實現(xiàn)多片機的高產(chǎn)能優(yōu)勢，可滿足8英寸外延的生長。中國外延設備廠也在8英寸領域取得了實質(zhì)性的進展，例如，晶盛機電、納設智能、中電48所等均已成功研制出8英寸SiC外延爐。
總體而言，大尺寸高質(zhì)量襯底與外延技術(shù)存在較高的技術(shù)壁壘，目前仍有不少難點需要攻關。但就國際廠商和中國廠商的技術(shù)研究和產(chǎn)品開發(fā)進度來看，產(chǎn)業(yè)化難題加速突破值得期待。
集邦化合物半導體Jenny
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