當(dāng)下，新能源汽車、5G通訊、光伏、儲(chǔ)能等下游領(lǐng)域迸射出的強(qiáng)烈需求，正驅(qū)動(dòng)著碳化硅（SiC）產(chǎn)業(yè)在高速發(fā)展，與此同時(shí)多方紛紛加強(qiáng)研發(fā)力度，旨在突破技術(shù)壁壘，搶占市場(chǎng)先機(jī)。
其中，作為碳化硅突破瓶頸的重要工藝節(jié)點(diǎn)，8英寸SiC襯底成為各方搶攻的黃金賽道。
下一個(gè)拐點(diǎn)尺寸：8英寸SiC襯底
作為第三代半導(dǎo)體代表材料之一，碳化硅具有更寬的禁帶寬度、更高的擊穿電場(chǎng)、更高的熱導(dǎo)率等性能優(yōu)勢(shì)，在高溫、高壓、高頻領(lǐng)域表現(xiàn)優(yōu)異，已成為半導(dǎo)體材料技術(shù)領(lǐng)域的主要發(fā)展方向之一。
隨著下游需求的帶動(dòng)，碳化硅正處于高速增長(zhǎng)期，據(jù)TrendForce集邦咨詢的《2023全球SiC功率半導(dǎo)體市場(chǎng)分析報(bào)告》，2023年整體SiC功率元件市場(chǎng)規(guī)模達(dá)22.8億美元，年成長(zhǎng)41.4%，并預(yù)估至2026年SiC功率元件市場(chǎng)規(guī)?？赏_(dá)53.3億美元。
從產(chǎn)業(yè)鏈結(jié)構(gòu)上看，SiC器件的成本主要由襯底、外延、流片和封測(cè)等環(huán)節(jié)形成，襯底在SiC器件成本中占比高達(dá)~45%。業(yè)界認(rèn)為，為了降低單個(gè)器件的成本，進(jìn)一步擴(kuò)大SiC襯底尺寸，在單個(gè)襯底上增加器件的數(shù)量是降低成本的主要途徑。8英寸SiC襯底將比6英寸在成本降低上具有明顯優(yōu)勢(shì)。
Wolfspeed數(shù)據(jù)顯示，從6英寸升級(jí)到8英寸，襯底的加工成本有所增加，但合格芯片產(chǎn)量可以增加 80%-90%；同時(shí)8英寸襯底厚度增加有助于在加工時(shí)保持幾何形狀、減少邊緣翹曲度，降低缺陷密度，從而提升良率，采用8英寸襯底可以將單位綜合成本降低50%。
另?yè)?jù)TrendForce集邦咨詢此前表示，目前碳化硅產(chǎn)業(yè)以6英寸為主流，占據(jù)近80%市場(chǎng)份額，8英寸則不到1％。8英寸的晶圓尺寸擴(kuò)展，是進(jìn)一步降低碳化硅器件成本的關(guān)鍵。若達(dá)到成熟階段，8英寸單片的售價(jià)約為6英寸的1.5倍，且8英寸能夠生產(chǎn)的晶粒數(shù)約為6英寸SiC晶圓的1.8倍，晶圓利用率顯著提高。
顯然，6英寸向8英寸擴(kuò)徑的行業(yè)趨勢(shì)明確，8英寸SiC襯底蘊(yùn)含著國(guó)內(nèi)廠商實(shí)現(xiàn)彎道超車的機(jī)遇，TrendForce集邦咨詢研究數(shù)據(jù)指出，目前8英寸的產(chǎn)品市占率不到2%，并預(yù)測(cè)2026年市場(chǎng)份額才會(huì)成長(zhǎng)到15%左右。
搶抓機(jī)遇：進(jìn)擊8英寸SiC襯底
業(yè)界指出，8英寸SiC晶體生長(zhǎng)的難點(diǎn)在于，首先要研制出8英寸籽晶；其次要解決大尺寸帶來(lái)的溫場(chǎng)不均勻和氣相原料分布和輸運(yùn)效率問(wèn)題，還要解決應(yīng)力加大導(dǎo)致晶體開裂問(wèn)題。
據(jù)媒體引述業(yè)界人士稱，今年將會(huì)是8英寸碳化硅元年。今年以來(lái)，國(guó)際功率半導(dǎo)體巨頭Wolfspeeed、意法半導(dǎo)體等加速發(fā)展8英寸碳化硅。而國(guó)內(nèi)市場(chǎng)來(lái)看，碳化硅設(shè)備、襯底及外延環(huán)節(jié)亦迎來(lái)突破性進(jìn)展，并且多家行業(yè)龍頭選擇與國(guó)際功率半導(dǎo)體巨頭聯(lián)手。
針對(duì)8英寸碳化硅襯底布局，TrendForce集邦咨詢旗下化合物半導(dǎo)體市場(chǎng)此前統(tǒng)計(jì)，目前國(guó)內(nèi)有10家企業(yè)和機(jī)構(gòu)在研發(fā)8英寸襯底，包含爍科晶體、晶盛機(jī)電、天岳先進(jìn)、南砂晶圓、同光股份、中科院物理所、山東大學(xué)、天科合達(dá)、科友半導(dǎo)體、乾晶半導(dǎo)體等。
今年來(lái)，國(guó)內(nèi)廠商在8英寸碳化硅襯底方面取得了何種成績(jī)以及部分產(chǎn)能如何？
科友半導(dǎo)體
2023年4月，科友半導(dǎo)體8英寸SiC中試線正式貫通并進(jìn)入中試線生產(chǎn)，打破了國(guó)際在寬禁帶半導(dǎo)體關(guān)鍵材料的限制和封鎖。
2023年6月，科友半導(dǎo)體突破了8英寸SiC量產(chǎn)關(guān)鍵技術(shù)，并在晶體尺寸、厚度、缺陷控制、生長(zhǎng)速率、制備成本、及裝備穩(wěn)定性等方面取得進(jìn)步，其中，8英寸SiC中試線平均長(zhǎng)晶良率已突破50%，晶體厚度15mm以上。
2023年9月，科友半導(dǎo)體首批自產(chǎn)8英寸SiC襯底于科友產(chǎn)學(xué)研聚集區(qū)襯底加工車間成功下線，這標(biāo)志著科友在8英寸SiC襯底加工，以及大尺寸襯底產(chǎn)業(yè)化方面邁出了堅(jiān)實(shí)一步。
乾晶半導(dǎo)體
2023年5月，乾晶半導(dǎo)體成功生長(zhǎng)出厚度達(dá)27毫米的8英寸n型碳化硅單晶錠。據(jù)悉，其8英寸碳化硅晶體生長(zhǎng)技術(shù)于2023年四季度轉(zhuǎn)入蕭山研發(fā)中心進(jìn)行中試。
9月下旬，乾晶半導(dǎo)體與譜析光晶、綠能芯創(chuàng)簽訂三方戰(zhàn)略合作協(xié)議。三方約定緊密配合、共同投入開發(fā)及驗(yàn)證應(yīng)用于特殊領(lǐng)域的SiC相關(guān)產(chǎn)品，簽約同時(shí)項(xiàng)目啟動(dòng)（9月），并簽訂了5年內(nèi)4.5億的意向訂單。
10月12日，乾晶半導(dǎo)體（衢州）有限公司（以下簡(jiǎn)稱“乾晶半導(dǎo)體（衢州）”）碳化硅襯底項(xiàng)目中試線主廠房結(jié)頂儀式在智造新城東港八路78號(hào)一期地塊舉行。
該項(xiàng)目總占地面積22畝，總建筑面積約19000平方米，第一期總投資約3億元，計(jì)劃建成碳化硅6/8英寸單晶生長(zhǎng)和襯底加工的中試基地。第一期項(xiàng)目將在2023年底具備設(shè)備搬入條件。
乾晶半導(dǎo)體透露稱，隨著衢州生產(chǎn)基地項(xiàng)目一期到三期的分批建成，乾晶將逐步實(shí)現(xiàn)年產(chǎn)60萬(wàn)片碳化硅6-8寸襯底供給能力。
南砂晶圓
今年6月，南砂晶圓啟動(dòng)濟(jì)南中晶芯源基地建設(shè)，規(guī)劃產(chǎn)能50萬(wàn)片，增加8英寸比例，項(xiàng)目計(jì)劃在2025年滿產(chǎn)達(dá)產(chǎn)，屆時(shí)預(yù)計(jì)產(chǎn)值達(dá)到50億元以上。
8月，據(jù)《無(wú)機(jī)材料學(xué)報(bào)》消息，山東大學(xué)與南砂晶圓在8英寸SiC襯底位錯(cuò)缺陷控制方面取得了重大突破，使用物理氣相傳輸法實(shí)現(xiàn)了近“零螺位錯(cuò)（TSD）”密度和低基平面位錯(cuò)（BPD）密度的8英寸導(dǎo)電型4H-SiC單晶襯底制備，其中螺位錯(cuò)密度為0.55 cm-2，基平面位錯(cuò)密度為202 cm-2。
研究團(tuán)隊(duì)認(rèn)為，近“零TSD”和低BPD密度的8英寸SiC襯底制備，有助于加快國(guó)產(chǎn)8英寸SiC襯底的產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程，提升市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。
合盛硅業(yè)
5月，合盛硅業(yè)披露8英寸碳化硅襯底研發(fā)順利，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了量產(chǎn)。合盛半導(dǎo)體SiC項(xiàng)目營(yíng)銷部負(fù)責(zé)人當(dāng)時(shí)表示，公司已完整掌握了Sic材料的原料合成、晶體生長(zhǎng)襯底加工等全產(chǎn)業(yè)鏈核心工藝技術(shù)，突破了關(guān)鍵材料多孔石墨、涂層材料) 和裝備的技術(shù)壁壘。
截止目前，合盛2萬(wàn)片寬禁帶半導(dǎo)體SiC襯底產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)線項(xiàng)目已通過(guò)驗(yàn)收，并具備量產(chǎn)能力。
同光股份
4月，據(jù)“河北黨員教育”消息，河北同光半導(dǎo)體股份有限公司（同光股份）歷經(jīng)2年多的研發(fā)，8英寸導(dǎo)電型碳化硅晶體樣品已經(jīng)出爐。預(yù)計(jì)這款新產(chǎn)品年底可實(shí)現(xiàn)小批量生產(chǎn)，將被客戶制為功率芯片。
2021年9月，同光晶體碳化硅單晶淶源項(xiàng)目正式投產(chǎn)，項(xiàng)目總投資10億元，計(jì)劃增購(gòu)單晶生長(zhǎng)爐600臺(tái)，滿產(chǎn)后達(dá)到年產(chǎn)10萬(wàn)片生產(chǎn)能力。
同光科技董事長(zhǎng)鄭清超當(dāng)時(shí)表示，下一步，公司正謀劃建設(shè)2000臺(tái)碳化硅晶體生長(zhǎng)爐生長(zhǎng)基地，以及年產(chǎn)60萬(wàn)片碳化硅單晶襯底加工基地，擬總投資40億元。預(yù)計(jì)2025年末實(shí)現(xiàn)滿產(chǎn)運(yùn)營(yíng)，預(yù)計(jì)新增產(chǎn)值40-50億元，成為全球重要的碳化硅單晶襯底供應(yīng)商。
天科合達(dá)
2023年1月，天科合達(dá)研發(fā)團(tuán)隊(duì)在《人工晶體學(xué)報(bào)》上發(fā)表8英寸導(dǎo)電型SiC單晶襯底制備與表征重要文章。根據(jù)內(nèi)容，天科合達(dá)研發(fā)團(tuán)隊(duì)使用物理氣相傳輸法(PVT)通過(guò)擴(kuò)徑技術(shù)制備出直徑為209 mm的4H-SiC單晶，并通過(guò)多線切割、研磨和拋光等一系列加工工藝制備出標(biāo)準(zhǔn)8英寸SiC單晶襯底。
5月，天科合達(dá)與英飛凌簽訂了一份長(zhǎng)期協(xié)議，為其供應(yīng)碳化硅材料。根據(jù)該協(xié)議，第一階段將側(cè)重于150毫米碳化硅材料的供應(yīng)，并將提供200毫米直徑碳化硅材料，幫助英飛凌向200毫米（8英寸）直徑晶圓的過(guò)渡。
此外，8月8日，天科合達(dá)全資子公司江蘇天科合達(dá)碳化硅晶片二期擴(kuò)產(chǎn)項(xiàng)目開工。二期項(xiàng)目將新增16萬(wàn)片產(chǎn)能，并計(jì)劃明年6月份建設(shè)完成，同年8月份竣工投產(chǎn)，屆時(shí)江蘇天科合達(dá)總產(chǎn)能將達(dá)到23萬(wàn)片。
晶盛機(jī)電
晶盛機(jī)電已成功生長(zhǎng)出8英寸N型碳化硅晶體，完成了6英寸到8英寸的擴(kuò)徑和質(zhì)量迭代，實(shí)現(xiàn)8英寸拋光片的開發(fā)，解決了8英寸SiC晶體生長(zhǎng)過(guò)程中溫場(chǎng)不均、晶體開裂、氣相原料分布等難點(diǎn)問(wèn)題。
6月27日，晶盛機(jī)電帶來(lái)了碳化硅設(shè)備方面的新消息，即成功研發(fā)出8英寸單片式碳化硅外延生長(zhǎng)設(shè)備，可兼容6、8寸碳化硅外延生產(chǎn)。
目前，該公司在子公司晶瑞的8英寸襯底基礎(chǔ)上，已實(shí)現(xiàn)8英寸單片式碳化硅外延生長(zhǎng)設(shè)備的自主研發(fā)與調(diào)試，外延的厚度均勻性1.5%以內(nèi)、摻雜均勻性4%以內(nèi)，已達(dá)到行業(yè)領(lǐng)先水平。
三安光電
今年6月，三安光電宣布與意法半導(dǎo)體在重慶成立合資公司，雙方將新建一座8英寸碳化硅器件制造廠。該工廠全部建設(shè)總額預(yù)計(jì)約達(dá)32億美元，計(jì)劃于2025年第四季度開始生產(chǎn)，2028年全面建廠，將采用ST的碳化硅專利制造工藝技術(shù)生產(chǎn)碳化硅器件。
合資公司持股方面，三安光電下屬子公司湖南三安半導(dǎo)體持股比例為51%，意法半導(dǎo)體持股比例為49%。此外，意法半導(dǎo)體稱，新合資廠將助力公司實(shí)現(xiàn)到2030年取得50億美元以上的碳化硅營(yíng)收目標(biāo)。
9月，湖南三安半導(dǎo)體首發(fā)8英寸碳化硅襯底，適用于電力電子。資料顯示，湖南三安半導(dǎo)體是國(guó)內(nèi)為數(shù)不多的碳化硅垂直產(chǎn)業(yè)鏈制造平臺(tái)，其碳化硅產(chǎn)能已達(dá)12000片/月，硅基氮化鎵產(chǎn)能2000片/月。湖南三安二期工程將于2023年貫通，達(dá)產(chǎn)后配套年產(chǎn)能將達(dá)到36萬(wàn)片。
10月23日，三安光電宣布，旗下子公司湖南三安8英寸碳化硅襯底已完成開發(fā)，產(chǎn)品進(jìn)入小批量生產(chǎn)及送樣階段。湖南三安依托精準(zhǔn)熱場(chǎng)控制的自主PVT工藝，8英寸碳化硅襯底實(shí)現(xiàn)更低成本及更低缺陷密度，后續(xù)將持續(xù)提升良率，加快設(shè)備調(diào)試與工藝優(yōu)化，并持續(xù)推進(jìn)湖南與重慶工廠量產(chǎn)進(jìn)程。
天岳先進(jìn)
5月，天岳先進(jìn)與英飛凌簽訂了一項(xiàng)新的襯底和晶棒供應(yīng)協(xié)議。根據(jù)該協(xié)議，天岳先進(jìn)將為英飛凌供應(yīng)150毫米碳化硅襯底和晶棒，第一階段將側(cè)重于150毫米碳化硅材料，但天岳先進(jìn)將助力英飛凌向200毫米（8英寸）直徑碳化硅晶圓過(guò)渡。
此外，英飛凌正著力提升碳化硅產(chǎn)能，以實(shí)現(xiàn)在2030年之前占據(jù)全球30%市場(chǎng)份額的目標(biāo)。英飛凌預(yù)計(jì)，到2027年，其碳化硅產(chǎn)能將增長(zhǎng)10倍。
6月，天岳先進(jìn)采用液相法制備出了低缺陷的8英寸晶體，通過(guò)熱場(chǎng)、溶液設(shè)計(jì)和工藝創(chuàng)新突破了碳化硅單晶高質(zhì)量生長(zhǎng)界面控制和缺陷控制難題。除了產(chǎn)品尺寸，在大尺寸單晶高效制備方面，采用公司最新技術(shù)制備的晶體厚度已突破60mm，而這對(duì)提升產(chǎn)能具有重要意義。（文：全球半導(dǎo)體觀察）
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