近年來，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(chǎng)，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(dá)也已經(jīng)開始小批量出貨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（美國北卡羅來納州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，其將在美國和瑞典進(jìn)行大規(guī)模擴(kuò)產(chǎn)。產(chǎn)品出?？诜矫妫珻oherent已收到了來自三菱電機(jī)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(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。可以看到，ST在推廣和應(yīng)用8英寸襯底方面同樣是走得早、跑得快。
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再看中國廠商，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英寸襯底的中國廠商，如環(huán)球晶圓（中國臺(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年開年以來，已有8英寸襯底項(xiàng)目傳來進(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)階段中國廠商在襯底領(lǐng)域與國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)等中國廠商達(dá)成長期合作，也說明了中國襯底產(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。
總體而言，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、芯聯(lián)集成、杰平方等中國廠商主導(dǎo)。
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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(jī)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(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)。雖然其他廠商沒有直接說明未來產(chǎn)能的應(yīng)用方向，但電動(dòng)車是目前及未來SiC的主要增長引擎，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)著手開發(fā)1200V SiC功率器件。從成本角度來看，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)未來將對(duì)8英寸晶圓有著持續(xù)增長的需求。
從供應(yīng)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(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，利潤空間正在無限擠壓，未來無疑將進(jìn)行一輪洗牌。在此背景下，為了長遠(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(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(guān)，也是襯底產(chǎn)業(yè)化的突破口。
長晶爐主要涉及溫場(chǎng)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(chǎng)。
晶體生長與長晶法有關(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，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、生長率、大尺寸生長上有明顯的優(yōu)勢(shì)，但這兩種方法目前仍不成熟。為解決相關(guān)問題，日本及中國研究者已經(jīng)開始展開LPE、HTCVD長晶法的相關(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)開拓來看，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，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(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均勻性和缺陷密度。目前，德國AIXTRON SE愛思強(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。中國外延設(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)。但就國際廠商和中國廠商的技術(shù)研究和產(chǎn)品開發(fā)進(jìn)度來看，產(chǎn)業(yè)化難題加速突破值得期待。（文：化合物半導(dǎo)體Jenny）
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