SiC襯底持續突破“天花板”,全球8英寸晶圓廠(chǎng)將達11座

作者 | 發(fā)布日期 2024 年 02 月 28 日 9:35 | 分類(lèi) 產(chǎn)業(yè)

近年來(lái),隨著(zhù)碳化硅(SiC)市場(chǎng)需求持續水漲船高,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(jià)格始終是決定消費端買(mǎi)單的關(guān)鍵。而SiC襯底成本在整個(gè)成本結構中占比最高,可達50%左右,這就意味著(zhù)襯底環(huán)節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SiC襯底廠(chǎng)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(gè)基礎上再降低35%。同時(shí),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(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(chǎng)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(chǎng)已開(kāi)始向中國終端客戶(hù)批量出貨SiC MOSFET,側面說(shuō)明其8英寸SiC襯底的批量出貨;天科合達也已經(jīng)開(kāi)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(guān)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(chǎng)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在,8英寸SiC襯底已經(jīng)有了7-8年的發(fā)展史,隨著(zhù)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(chǎng)商,除了已實(shí)現量產(chǎn)的Wolfspeed,還有7家SiC襯底、外延、器件廠(chǎng)預計在今年或未來(lái)1-2年實(shí)現8英寸襯底的量產(chǎn)。

其中,Wolfspeed的8英寸襯底及MOSFET已實(shí)現批量應用。投資方面,Wolfspeed目前仍在繼續建設John Palmour碳化硅制造中心(美國北卡羅來(lái)納州SiC襯底工廠(chǎng)),后續該工廠(chǎng)將持續推動(dòng)襯底產(chǎn)能的擴充,配合其8英寸晶圓廠(chǎng)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)行大規模擴產(chǎn)。產(chǎn)品出??诜矫?,Coherent已收到了來(lái)自三菱電機和電裝的10億美元投資,將為二者長(cháng)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(lǐng)域,其正在聯(lián)合湖南三安半導體建設8英寸SiC晶圓廠(chǎng),后者配套自建一座8英寸SiC襯底廠(chǎng),保障合資工廠(chǎng)的材料供應穩定性。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(chǎng)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、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(chǎng)商,目前還有不少在研8英寸襯底的中國廠(chǎng)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(jìn)、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(guān)擴產(chǎn)計劃,旨在提前為后續中下游客戶(hù)做好材料產(chǎn)能供應的準備。而2024年開(kāi)年以來(lái),已有8英寸襯底項目傳來(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(mǎn)產(chǎn)達產(chǎn)。

根據業(yè)內人士分析,現階段中國廠(chǎng)商在襯底領(lǐng)域與國際大廠(chǎng)的差距已顯著(zhù)縮小,英飛凌與天岳先進(jìn)、天科合達等中國廠(chǎng)商達成長(cháng)期合作,也說(shuō)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(gè)維度上看,兩方差距的縮小側面反映了全球整體襯底技術(shù)有了提升,后續有望通過(guò)各家廠(chǎng)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,量和質(zhì)上皆有頗多突破。

全球8英寸SiC晶圓廠(chǎng)加速擴張

隨著(zhù)襯底材料持續突破技術(shù)“天花板”,全球8英寸SiC晶圓廠(chǎng)的擴張規模也在2023年達到了新高水平。
據集邦化合物半導體不完全統計,2023年約12個(gè)8英寸晶圓相關(guān)擴產(chǎn)項目落地,其中8個(gè)項目由Wolfspeed、Onsemi安森美、ST、Infineon英飛凌、Rohm羅姆等國際廠(chǎng)商主導,ST還與三安光電共同合作了1個(gè)項目,另外3個(gè)項目由泰科天潤、芯聯(lián)集成、杰平方等中國廠(chǎng)商主導。

從區域分布來(lái)看,未來(lái)歐美、日韓、中國、東南亞等投資重要集中區都將有新的8英寸SiC晶圓工廠(chǎng)。截至目前,全球在建或擬建的8英寸晶圓工廠(chǎng)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(lái)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(jìn)一步落實(shí)在香港建設8英寸SiC先進(jìn)垂直整合晶圓廠(chǎng),那么全球8英寸SiC晶圓廠(chǎng)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(lǐng)域。

從廠(chǎng)商擴產(chǎn)方向來(lái)看,博世及安森美2023年的投資直指車(chē)用SiC市場(chǎng),ST擬在意大利建設的8英寸SiC芯片廠(chǎng)也瞄準了電動(dòng)汽車(chē)市場(chǎng)。雖然其他廠(chǎng)商沒(méi)有直接說(shuō)明未來(lái)產(chǎn)能的應用方向,但電動(dòng)車(chē)是目前及未來(lái)SiC的主要增長(cháng)引擎,必然是各大廠(chǎng)商擴產(chǎn)的重點(diǎn)之一。

在電動(dòng)汽車(chē)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體元件,在此背景下,相關(guān)廠(chǎng)商已經(jīng)著(zhù)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6英寸是主流,但為了降本增效,6英寸勢必會(huì )往8英寸等更大尺寸延伸,因此,電動(dòng)汽車(chē)市場(chǎng)未來(lái)將對8英寸晶圓有著(zhù)持續增長(cháng)的需求。

從供應鏈的角度來(lái)看,8英寸也是SiC廠(chǎng)商未來(lái)的破局之道。據集邦化合物半導體了解,6英寸SiC器件市場(chǎng)已經(jīng)進(jìn)入深度“內卷”的階段,尤其是SiC JBD部分,對于規模小、競爭力弱的企業(yè)而言,利潤空間正在無(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(cháng)遠的發(fā)展,廠(chǎng)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。

8英寸產(chǎn)業(yè)化突破口與進(jìn)展

8英寸已是大勢所趨,但不得不承認的是,雖然技術(shù)的進(jìn)步正在逐漸轉換為成果,但8英寸產(chǎn)業(yè)化短期內還任重道遠,在這其中,襯底是主要突破口。

生產(chǎn)進(jìn)度上,目前能夠大規模量產(chǎn)8英寸SiC襯底的企業(yè)屈指可數。量產(chǎn)速度上,Wolfspeed從成功研發(fā)到量產(chǎn)的時(shí)間線(xiàn)跨越了7年左右,這就說(shuō)明8英寸SiC襯底大規模量產(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(chē)、光儲充等應用市場(chǎng)對SiC功率半導體快速增長(cháng)的需求面前,廠(chǎng)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。

根據天科合達、爍科晶體、天域半導體等中國SiC襯底、外延主要廠(chǎng)商介紹,8英寸量產(chǎn)難題與長(cháng)晶爐、晶體生長(cháng)、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(cháng)晶爐主要涉及溫場(chǎng)控制問(wèn)題,據說(shuō)目前業(yè)內提出一種解決方案:用電阻加熱,因其溫度更均勻,更容易控制溫場(chǎng)。

晶體生長(cháng)與長(cháng)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(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(xiàn)缺陷和面缺陷,缺陷類(lèi)型較多。據爍科晶體介紹,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。

現階段,主流的長(cháng)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)現大規模生產(chǎn)的方法,全球90%以上的襯底廠(chǎng)商采用PVT法,但該方法生長(cháng)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(cháng)率、大尺寸生長(cháng)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(wèn)題,日本及中國研究者已經(jīng)開(kāi)始展開(kāi)LPE、HTCVD長(cháng)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(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(xiàn)切割和金剛線(xiàn)多線(xiàn)切割為主,兩種方法各有優(yōu)缺點(diǎn),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(chǎng)商的生產(chǎn)進(jìn)度和業(yè)務(wù)開(kāi)拓來(lái)看,日本Disco是切磨拋設備領(lǐng)域的龍頭廠(chǎng)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(chǎng)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(hù)。

中國廠(chǎng)商中,高測股份去年連續拿下8英寸SiC金剛線(xiàn)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(xiàn);大族激光作為激光技術(shù)廠(chǎng)商的代表之一,已經(jīng)可以規?;a(chǎn)SiC激光切割設備······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(chǎng)商多采用CVD化學(xué)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(cháng)均勻性和缺陷密度。目前,德國AIXTRON SE愛(ài)思強的行星式反應系統能夠做到片內高度外延一致性,并實(shí)現多片機的高產(chǎn)能優(yōu)勢,可滿(mǎn)足8英寸外延的生長(cháng)。中國外延設備廠(chǎng)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(diǎn)需要攻關(guān)。但就國際廠(chǎng)商和中國廠(chǎng)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。(文:化合物半導體Jenny)

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