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(guān)鍵。而SiC襯底成本在整個成本結(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)的測算,從4英寸提升到6英寸,單位成本預(yù)計能夠降低50%;從6英寸到8英寸,成本能夠在這個基礎(chǔ)上再降低35%。同時,8英寸襯底能夠切出更多的芯片(預(yù)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(dá)也已經(jīng)開始小批量出貨8英寸襯底,預(yù)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(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,這一趨勢在2023年相關(guān)進(jìn)展中均有跡可循。
8英寸SiC襯底梯隊加速進(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,除了已實現(xiàn)量產(chǎn)的Wolfspeed,還有7家SiC襯底、外延、器件廠預(yù)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(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(jìn)行大規(guī)模擴產(chǎn)。產(chǎn)品出??诜矫妫珻oherent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(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,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。
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(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(yīng)的準(zhǔn)備。而2024年開年以來,已有8英寸襯底項目傳來進(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)化項目正式備案,該項目于2023年6月12日落地山東濟(jì)南,計劃在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。
總體而言,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(dá)到了新高水平。
據(jù)集邦化合物半導(dǎo)體不完全統(tǒng)計,2023年約12個8英寸晶圓相關(guān)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(dǎo),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(dǎo)。
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(dǎo)體進(jìn)一步落實在香港建設(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8英寸SiC晶圓項目,項目方為天睿半導(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(shè)的8英寸SiC芯片廠也瞄準(zhǔn)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(yīng)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(lǐng)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(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(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器件市場已經(jīng)進(jìn)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(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),以期搶占市場先機。
8英寸產(chǎn)業(yè)化突破口與進(jìn)展
8英寸已是大勢所趨,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、光儲充等應(yīng)用市場對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(guān),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(guān)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(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(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,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(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,在全球晶圓減薄機市場的市占率超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(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(yīng)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(shè)備廠也在8英寸領(lǐng)域取得了實質(zhì)性的進(jìn)展,例如,晶盛機電、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)
更多SiC和GaN的市場資訊,請關(guān)注微信公眾賬號:集邦化合物半導(dǎo)體。