SiC襯底持續(xù)突破“天花板”，全球8英寸晶圓廠將達(dá)11座！

近年來(lái)，隨著碳化硅（SiC）市場(chǎng)需求持續(xù)水漲船高，終端對(duì)于SiC降本的訴求也在不斷增強(qiáng)，因?yàn)樽罱K的產(chǎn)品價(jià)格始終是決定消費(fèi)端買單的關(guān)鍵。而SiC襯底成本在整個(gè)成本結(jié)構(gòu)中占比最高，可達(dá)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(shì)比較明顯，逐漸被寄予厚望。

根據(jù)SiC襯底廠商天科合達(dá)的測(cè)算，從4英寸提升到6英寸，單位成本預(yù)計(jì)能夠降低50%；從6英寸到8英寸，成本能夠在這個(gè)基礎(chǔ)上再降低35%。同時(shí)，8英寸襯底能夠切出更多的芯片（預(yù)計(jì)可多切90%），邊緣浪費(fèi)也會(huì)更低。

簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，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(kāi)始滲透市場(chǎng)，例如，Wolfspeed 2023年7月宣布其8英寸工廠已開(kāi)始向中國(guó)終端客戶批量出貨SiC MOSFET，側(cè)面說(shuō)明其8英寸SiC襯底的批量出貨；天科合達(dá)也已經(jīng)開(kāi)始小批量出貨8英寸襯底，預(yù)計(jì)2024年可形成中批量出貨······

除了出貨量的直觀說(shuō)明以外，技術(shù)和產(chǎn)品研發(fā)方面也能看到實(shí)質(zhì)性的突破和更進(jìn)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(guān)配套，這一趨勢(shì)在2023年相關(guān)進(jìn)展中均有跡可循。

8英寸SiC襯底梯隊(duì)加速進(jìn)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(guó)際廠商，除了已實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)的Wolfspeed，還有7家SiC襯底、外延、器件廠預(yù)計(jì)在今年或未來(lái)1-2年實(shí)現(xiàn)8英寸襯底的量產(chǎn)。

其中，Wolfspeed的8英寸襯底及MOSFET已實(shí)現(xiàn)批量應(yīng)用。投資方面，Wolfspeed目前仍在繼續(xù)建設(shè)John Palmour碳化硅制造中心（美國(guó)北卡羅來(lái)納州SiC襯底工廠），后續(xù)該工廠將持續(xù)推動(dòng)襯底產(chǎn)能的擴(kuò)充，配合其8英寸晶圓廠的擴(kuò)產(chǎn)需求。Coherent去年也公布了擴(kuò)產(chǎn)8英寸襯底和外延片的計(jì)劃，其將在美國(guó)和瑞典進(jìn)行大規(guī)模擴(kuò)產(chǎn)。

產(chǎn)品出?？诜矫?，Coherent已收到了來(lái)自三菱電機(jī)和電裝的10億美元投資，將為二者長(zhǎng)期提供6/8英寸SiC襯底及外延片。ST意法半導(dǎo)體去年也斥資投向8英寸領(lǐng)域，其正在聯(lián)合湖南三安半導(dǎo)體建設(shè)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(yīng)穩(wěn)定性。與此同時(shí)，ST也在自研襯底，其此前便與Soitec就量產(chǎn)8英寸SiC襯底達(dá)成了合作?？梢钥吹剑琒T在推廣和應(yīng)用8英寸襯底方面同樣是走得早、跑得快。

再看中國(guó)廠商，目前已超10家企業(yè)8英寸SiC襯底進(jìn)入了送樣、小批量生產(chǎn)階段，包括：爍科晶體、晶盛機(jī)電、天岳先進(jìn)、南砂晶圓、同光股份、天科合達(dá)、科友半導(dǎo)體、乾晶半導(dǎo)體、湖南三安半導(dǎo)體、超芯星、盛新材料（中國(guó)臺(tái)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(guó)廠商，如環(huán)球晶圓（中國(guó)臺(tái)灣）、東尼電子、合盛硅業(yè)、天成半導(dǎo)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(jìn)、天科合達(dá)、乾晶半導(dǎo)體、科友半導(dǎo)體、三安光電等均有8英寸襯底相關(guān)擴(kuò)產(chǎn)計(jì)劃，旨在提前為后續(xù)中下游客戶做好材料產(chǎn)能供應(yīng)的準(zhǔn)備。

而2024年開(kāi)年以來(lái)，已有8英寸襯底項(xiàng)目傳來(lái)進(jìn)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(xiàng)目正式備案，該項(xiàng)目于2023年6月12日落地山東濟(jì)南，計(jì)劃在2025年滿產(chǎn)達(dá)產(chǎn)。根據(jù)業(yè)內(nèi)人士分析，現(xiàn)階段中國(guó)廠商在襯底領(lǐng)域與國(guó)際大廠的差距已顯著縮小，英飛凌與天岳先進(jìn)、天科合達(dá)等中國(guó)廠商達(dá)成長(zhǎng)期合作，也說(shuō)明了中國(guó)襯底產(chǎn)品的質(zhì)量受到認(rèn)可。

從技術(shù)水平這個(gè)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(guò)各家廠商的共同努力，推動(dòng)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(shì)，量和質(zhì)上皆有頗多突破。

全球8英寸SiC晶圓廠加速擴(kuò)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(kuò)張規(guī)模也在2023年達(dá)到了新高水平。據(jù)集邦化合物半導(dǎo)體不完全統(tǒng)計(jì)，2023年約12個(gè)8英寸晶圓相關(guān)擴(kuò)產(chǎn)項(xiàng)目落地，其中8個(gè)項(xiàng)目由Wolfspeed、Onsemi安森美、ST、Infineon英飛凌、Rohm羅姆等國(guó)際廠商主導(dǎo)，ST還與三安光電共同合作了1個(gè)項(xiàng)目，另外3個(gè)項(xiàng)目由泰科天潤(rùn)、芯聯(lián)集成、杰平方等中國(guó)廠商主導(dǎo)。

從區(qū)域分布來(lái)看，未來(lái)歐美、日韓、中國(guó)、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(guó)莫霍克、德國(guó)薩爾州）、博世1座（美國(guó)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(guó)重慶）、英飛凌1座（馬來(lái)西亞居林）、三菱電機(jī)1座（日本熊本）、羅姆2座（日本筑后、國(guó)富）、安森美1座（韓國(guó)富川）、富士電機(jī)1座（日本松本）。

若之后杰平方半導(dǎo)體進(jìn)一步落實(shí)在香港建設(shè)8英寸SiC先進(jìn)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(guó)福建也簽約了一個(gè)8英寸SiC晶圓項(xiàng)目，項(xiàng)目方為天睿半導(dǎo)體。預(yù)期今年將有更多資金投向8英寸SiC晶圓領(lǐng)域。從廠商擴(kuò)產(chǎn)方向來(lái)看，博世及安森美2023年的投資直指車用SiC市場(chǎng)，ST擬在意大利建設(shè)的8英寸SiC芯片廠也瞄準(zhǔn)了電動(dòng)汽車市場(chǎng)。雖然其他廠商沒(méi)有直接說(shuō)明未來(lái)產(chǎn)能的應(yīng)用方向，但電動(dòng)車是目前及未來(lái)SiC的主要增長(zhǎng)引擎，必然是各大廠商擴(kuò)產(chǎn)的重點(diǎn)之一。

在電動(dòng)汽車領(lǐng)域，800V高壓平臺(tái)已經(jīng)是比較明確的發(fā)展趨勢(shì)，而800V平臺(tái)需要更高壓的功率半導(dǎo)體元件，在此背景下，相關(guān)廠商已經(jīng)著手開(kāi)發(fā)1200V SiC功率器件。從成本角度來(lái)看，盡管短時(shí)間內(nèi)6英寸是主流，但為了降本增效，6英寸勢(shì)必會(huì)往8英寸等更大尺寸延伸，因此，電動(dòng)汽車市場(chǎng)未來(lái)將對(duì)8英寸晶圓有著持續(xù)增長(zhǎng)的需求。從供應(yīng)鏈的角度來(lái)看，8英寸也是SiC廠商未來(lái)的破局之道。

據(jù)集邦化合物半導(dǎo)體了解，6英寸SiC器件市場(chǎng)已經(jīng)進(jìn)入深度“內(nèi)卷”的階段，尤其是SiC JBD部分，對(duì)于規(guī)模小、競(jìng)爭(zhēng)力弱的企業(yè)而言，利潤(rùn)空間正在無(wú)限擠壓，未來(lái)無(wú)疑將進(jìn)行一輪洗牌。在此背景下，為了長(zhǎng)遠(yuǎn)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(chǎng)先機(jī)。

8英寸產(chǎn)業(yè)化突破口與進(jìn)展

8英寸已是大勢(shì)所趨，但不得不承認(rèn)的是，雖然技術(shù)的進(jìn)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(yuǎn)，在這其中，襯底是主要突破口。生產(chǎn)進(jìn)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(shí)間線跨越了7年左右，這就說(shuō)明8英寸SiC襯底大規(guī)模量產(chǎn)還面臨重重難關(guān)。即便產(chǎn)業(yè)整體有了明顯的進(jìn)展，但在新能源汽車、光儲(chǔ)充等應(yīng)用市場(chǎng)對(duì)SiC功率半導(dǎo)體快速增長(zhǎng)的需求面前，廠商仍顯得有些捉襟見(jiàn)肘，因此，8英寸SiC襯底的進(jìn)一步突破便更為迫在眉睫。

根據(jù)天科合達(dá)、爍科晶體、天域半導(dǎo)體等中國(guó)SiC襯底、外延主要廠商介紹，8英寸量產(chǎn)難題與長(zhǎng)晶爐、晶體生長(zhǎng)、切磨拋技術(shù)及外延技術(shù)息息相關(guān)，也是襯底產(chǎn)業(yè)化的突破口。長(zhǎng)晶爐主要涉及溫場(chǎng)控制問(wèn)題，據(jù)說(shuō)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(chǎng)。晶體生長(zhǎng)與長(zhǎng)晶法有關(guān)，難題主要包括襯底的位錯(cuò)密度、晶體的缺陷等，前者的位錯(cuò)問(wèn)題一直是制約SiC器件性能的關(guān)鍵，后者涉及點(diǎn)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(gè)缺陷之間存在相互聯(lián)系、相互影響的關(guān)系，不過(guò)，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(jìn)一步攻克。現(xiàn)階段，主流的長(zhǎng)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(xué)氣相沉積法）。

PVT是目前唯一實(shí)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(zhǎng)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(cuò)密度、純度、生長(zhǎng)率、大尺寸生長(zhǎng)上有明顯的優(yōu)勢(shì)，但這兩種方法目前仍不成熟。

為解決相關(guān)問(wèn)題，日本及中國(guó)研究者已經(jīng)開(kāi)始展開(kāi)LPE、HTCVD長(zhǎng)晶法的相關(guān)研究，可望逐步取得突破。切磨拋直接關(guān)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(shè)備。

但由于SiC硬度大、脆性高等特點(diǎn)，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(diǎn)，激光切割優(yōu)勢(shì)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(jìn)度和業(yè)務(wù)開(kāi)拓來(lái)看，日本Disco是切磨拋設(shè)備領(lǐng)域的龍頭廠商，已形成半導(dǎo)體切磨拋裝備材料完善的產(chǎn)品布局，在全球晶圓減薄機(jī)市場(chǎng)的市占率超70%。其在2023年12月推出了新型SiC切割設(shè)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(guó)廠商中，高測(cè)股份去年連續(xù)拿下8英寸SiC金剛線切片機(jī)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(shè)備······可見(jiàn)，8英寸切磨拋解決方案已經(jīng)開(kāi)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(xué)氣相沉積法，具體設(shè)備的運(yùn)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(zhǎng)均勻性和缺陷密度。

目前，德國(guó)AIXTRON SE愛(ài)思強(qiáng)的行星式反應(yīng)系統(tǒng)能夠做到片內(nèi)高度外延一致性，并實(shí)現(xiàn)多片機(jī)的高產(chǎn)能優(yōu)勢(shì)，可滿足8英寸外延的生長(zhǎng)。中國(guó)外延設(shè)備廠也在8英寸領(lǐng)域取得了實(shí)質(zhì)性的進(jìn)展，例如，晶盛機(jī)電、納設(shè)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(diǎn)需要攻關(guān)。但就國(guó)際廠商和中國(guó)廠商的技術(shù)研究和產(chǎn)品開(kāi)發(fā)進(jìn)度來(lái)看，產(chǎn)業(yè)化難題加速突破值得期待。

集邦化合物半導(dǎo)體Jenny