全球競逐SiC
全球競逐SiC
2022年整個SiC產(chǎn)業(yè)鏈好不熱鬧：首先是Wolfspeed的全球首座8英寸SiC工廠啟動，為產(chǎn)業(yè)傳遞了積極的信號。再就是II-VI的1200V SiC MOSFET獲得車規(guī)認證，并深化與通用的合作。英飛凌投資逾20億歐元在馬來西亞居林工廠擴大SiC前道產(chǎn)能，以應(yīng)對未來市場的變化。ASM完成對LPE的收購，入局SiC外延設(shè)備，由于下游需求持續(xù)的旺盛，碳化硅的外延設(shè)備正在以20%的復(fù)合增長率在增長。鴻?？萍既〉昧耸⑿虏牧?0%的股權(quán)，切入襯底材料環(huán)節(jié)。Soitec發(fā)布8英寸SmartSiC優(yōu)化襯底，并且擴大了制造規(guī)模。SEMISiC實現(xiàn)了8英寸N-Type拋光片小批量生產(chǎn)……
SiC襯底發(fā)展情況
SiC襯底是發(fā)展SiC的關(guān)鍵。目前從原始的工藝到襯底的加工技術(shù)再到材料的大口徑化擴展等各個環(huán)節(jié)，都是業(yè)界的焦點。不過SiC襯底目前仍存在密度較高、生長速率緩慢、成本比較高的挑戰(zhàn)。
在SiC晶體生長工藝方面，出現(xiàn)了兩家初創(chuàng)企業(yè)，分別是2020年6月17日創(chuàng)立的北京晶格領(lǐng)域，以及2021年6月成立的日本企業(yè)UJ-Crystal。一般而言，材料行業(yè)的初創(chuàng)企業(yè)并不常見，因為材料行業(yè)開發(fā)周期長，開發(fā)成本也比較高，但我們發(fā)現(xiàn)，這兩家企業(yè)都有著大學(xué)成果轉(zhuǎn)化的項目背景，可以說是產(chǎn)業(yè)的一大幸事。
2020年7月6日，中科院物理所科技成果轉(zhuǎn)化項目液相法生長碳化硅半導(dǎo)體襯底項目落戶中關(guān)村順義園，由北京晶格領(lǐng)域半導(dǎo)體有限公司實施運營，分三期落地實施，計劃總投資7.5億元，一期投資5000萬元，在中關(guān)村順義園租賃廠房1050平方米，建設(shè)4—6英寸液相法碳化硅晶體中試生產(chǎn)線。2021年4月，晶格領(lǐng)域投資設(shè)立的碳化硅晶圓項目廠房已裝修完畢，第一批設(shè)備全部進場，并開始試生產(chǎn)。
UJ-Crystal是日本名古屋大學(xué)孵化出的企業(yè)，名古屋大學(xué)的宇治原徹教授在大學(xué)研究了近20年的高品質(zhì)SiC晶體生長技術(shù)。通過結(jié)合材料科學(xué)方面的知識和AI的計算能力，找出了制造晶體時需要調(diào)整的溶液濃度和制造裝置的指標(biāo)。經(jīng)過4年的開發(fā)，成功制造出了產(chǎn)業(yè)用途至少需要的6英寸晶體。并計劃在未來幾年內(nèi)推進量產(chǎn)。
在襯底加工環(huán)節(jié)，切割可以說是整個產(chǎn)能最大的瓶頸。現(xiàn)有的SiC晶圓切片方法大多使用金剛石線鋸，然而，由于碳化硅的高硬度，加工時間較長，需要大量的金剛石線鋸來批量生產(chǎn)硅片。由于在切片過程中有大量的材料丟失，單個晶錠生產(chǎn)出的晶圓數(shù)量就很少，這是制造SiC功率器件成本增加的一個主要因素。日本的DISCO和英飛凌，兩者的光切割技術(shù)為大家熟知。
2016年DISCO開發(fā)了新的激光切片技術(shù)KABRA，該工藝可用于各種類型的SiC鑄錠。KABRA是一種鋼錠切片方法，通過激光連續(xù)照射鋼錠，在指定深度形成分離層(KABRA層)，從KABRA層開始生產(chǎn)晶圓。據(jù)DISCO稱，KABRA技術(shù)的優(yōu)勢主要有：1）處理時間大大縮短，現(xiàn)有工藝需要3.1小時才能切出一片6英寸SiC晶圓，而采用KABRA技術(shù)僅需要10分鐘；2）不再需要研磨過程，因為分離后的晶圓波動可以控制；3）生產(chǎn)的晶圓數(shù)量比現(xiàn)有工藝增加了1.4倍。
2018年英飛凌收購了碳化硅晶圓切割領(lǐng)域的新銳公司Siltectra，進入上游襯底領(lǐng)域，Siltectra專注于半導(dǎo)體材料的新切割技術(shù)—冷切（COLD SPLIT），該技術(shù)能將SiC晶圓的良率提高90%，在相同碳化硅晶錠的情況下，它可以提供3倍的材料，可生產(chǎn)更多的器件，最終SiC器件的成本可以降低20-30%。
國內(nèi)的晟光硅研（Lasic）成立于2021年2月，是航天基地科技成果就地轉(zhuǎn)化項目，技術(shù)團隊包括來自西安電子科技大學(xué)、中國工程物理研究院、山東大學(xué)、西北工業(yè)大學(xué)、yole等國內(nèi)外相關(guān)行業(yè)高校和研究機構(gòu)的專家。晟光硅研發(fā)明了微射流激光切割技術(shù)，該技術(shù)一次切割完成的晶片表面形貌已接近CMP處理水平。目前已經(jīng)成功完成6英寸碳化硅晶錠的切割。
晟光硅研的微射流激光切割技術(shù)
SiC 晶圓表面質(zhì)量對于后續(xù)SiC器件制造至關(guān)重要，因為晶圓表面上的任何缺陷都會遷移到后續(xù)層。所以SiC晶圓還需要一些拋光和表面準(zhǔn)備工作，在這方面，應(yīng)用材料取得了比較大的突破，其中應(yīng)用材料推出了新型200毫米CMP系統(tǒng)，該系統(tǒng)將拋光、材料去除測量、清潔和干燥集成在一個系統(tǒng)中。與機械研磨的SiC晶片相比，新系統(tǒng)的成品晶片表面粗糙度降低了50倍，與批量CMP處理系統(tǒng)相比，粗糙度降低了3倍。
在晶圓擴徑方面，主要是以8英寸擴徑為主。早在2015年Wolfspeed、II-VI、ROHM就已經(jīng)成功研發(fā)出8英寸襯底晶圓片。從2021年開始，安森美、ST、Soitec、SEMISiC等陸續(xù)研發(fā)出來。
各廠商8英寸SiC晶圓研發(fā)和量產(chǎn)時間一覽
（圖源：行家說第三代半導(dǎo)體）
看向SiC襯底的價格方面，據(jù)TendForce對N-Type SiC襯底價格下降趨勢的預(yù)測，4英寸襯底片價格已經(jīng)非常穩(wěn)定，在一些低端器件二極管還有一定的市場。6英寸襯底片隨著技術(shù)不斷成熟價格逐漸穩(wěn)定。8寸片目前剛推向市場，由于良率比較低，而且制造成本過高，短期內(nèi)不具備性價比，下降空間相當(dāng)大。
在不同尺寸N-Type SiC襯底需求方面，4英寸片會慢慢淡出市場，6英寸片會長時間作為市場主流供應(yīng)能力，8英寸將會在2025年到2026年取得一定的市場份額，預(yù)估到2026年能有15%的份額。
值得一提的是，中國正在大量布局碳化硅襯底，投資產(chǎn)線遍布大半個中國，有天科合達、天岳先進、爍科晶體、同光半導(dǎo)體、盛新材料、三安光電、南砂晶圓、露笑科技、東尼電子。7月21日晚間，據(jù)天岳先進披露，公司簽署了時長三年的6英寸導(dǎo)電型碳化硅襯底產(chǎn)品銷售合同，合同作價近14億元。
SiC功率元件迎來快速發(fā)展期
據(jù)TendForce的預(yù)測，SiC功率元件在2022年的市場規(guī)模大約15.89億美元，到2026年將達到53.02億美元，年復(fù)合增長率高達35%。其中，汽車是當(dāng)前SiC功率元件市場最核心的動力，目前SiC已經(jīng)在車身的OBC、取得了快速的應(yīng)用，隨著800V的高壓需求來了，SiC功率元件會被進一步放大。再就是可再生能源、工業(yè)UPS和軌道交通燈的需求。
車用SiC功率元件的關(guān)鍵供應(yīng)商主要有，特斯拉憑借車用MOSFET第一供應(yīng)商身份，連續(xù)奪得SiC功率元件市場第一。Planar MOSFET的供應(yīng)商主要是ST、安森美、Wolfspeed。Tench MOSFET的供應(yīng)商是英飛凌、羅姆和博世。
中國車企如上汽、北汽、廣汽、吉利、小鵬等正在積極投資本土供應(yīng)鏈，在《汽車廠投資加碼第三代半導(dǎo)體》一文中我們詳細介紹了車廠的投資布局。在SiC本土供應(yīng)鏈當(dāng)中，SiC二極管供應(yīng)商主要有泰科天潤、三安、華潤微電子、揚杰科技；SiC MOSFET供應(yīng)商有瀚薪、瞻芯電子、派恩杰、ASI、飛锃半導(dǎo)體（Alpha Power Solutions，簡稱APS）、國基南方；SiC模組供應(yīng)商主要包括比亞迪、基本半導(dǎo)體、利普思、斯達半導(dǎo)體、芯聚能。
SiC代工廠開始興起
受益于車用市場的繁榮，碳化硅的市場已經(jīng)開始進行大規(guī)模的放量，整個產(chǎn)業(yè)鏈還沒完全的成熟，代工廠的配套支持將是非常必要的。
在全球SiC代工領(lǐng)域，德國的X-Fab全球第一家提供6英寸SiC工藝的代工廠，其位于德克薩斯州的6英寸工廠2020年月產(chǎn)能已達26000片。SiC功率半導(dǎo)體廠商如Littlefuse、United SiC（被Qorvo收購）、GeneSiC、派恩杰等都通過X-Fab代工。
英國的Clas-SiC Wafer Fab也是一家專門制造碳化硅功率半導(dǎo)體的開放式晶圓廠，投資了中低規(guī)模的 SiC 產(chǎn)能，其可以生產(chǎn)JBS/MPS二極管和MOSFET的6英寸SiC晶圓。
Yes Power Technix是韓國唯一一家可以設(shè)計和制造SiC功率半導(dǎo)體的公司，他們擁有100毫米和150毫米晶圓的生產(chǎn)設(shè)施，每年可生產(chǎn)1.44萬片晶圓。2022年4月，Sk Inc. 出資1200億韓元（約6.2億元人民幣）收購Yes Power Technix 95.8%的股權(quán)。同時，韓國DB HiTek也在向SiC代工進擊，2022年6月，DB HiTek宣布在位于忠清北道陰城郡甘谷面桑古里的 8 英寸半導(dǎo)體工廠 (fab) 建設(shè)新一代功率半導(dǎo)體生產(chǎn)線，目標(biāo)是在 2025 年內(nèi)生產(chǎn)和供應(yīng)第一款 1200 V SiC MOSFET。
大陸方面，2021年6月，三安總投資高達160億元，全國首條、全球第三條6英寸碳化硅垂直整合產(chǎn)業(yè)鏈投產(chǎn)，規(guī)劃至2025年實現(xiàn)36萬片6寸碳化硅晶圓的年產(chǎn)能；上海積塔半導(dǎo)體也在規(guī)劃5000片的6英寸碳化硅（SiC）工藝生產(chǎn)線；長飛半導(dǎo)體已有6英寸SiC晶圓代工；南京百識電子科技有限公司提供四英寸、六英寸碳化硅；南京寬能半導(dǎo)體首條產(chǎn)線落地南京，正在建設(shè)中，建成后將是國內(nèi)最大的碳化硅半導(dǎo)體晶圓廠；2022年5月20日，廣州芯粵能投資75億，年產(chǎn)48萬片SiC芯片制造項目主體工程正式封頂；此外，按照中芯紹興（SMEC）的規(guī)劃，未來也會進行SiC相關(guān)MOSFET的代工服務(wù)。
中芯紹興的MOSFET代工規(guī)劃
（圖源：中芯紹興）
中國臺灣的漢磊（Episil Technology）目前擁有1座4/5英寸及2座6英寸晶圓廠。嘉晶電子（Episil-Precision）能代工生產(chǎn)4-6英寸的SiC外延片。
SiCamore Semi是一家總部位于美國的先進材料和功率半導(dǎo)體純晶圓代工廠，其是Silicon Power 收購前Microsemi晶圓廠而來。
結(jié)語
無疑，SiC是半導(dǎo)體領(lǐng)域最具成長力的材料。在產(chǎn)業(yè)大變革之際，各個國家和地區(qū)的廠商都在努力發(fā)展SiC技術(shù)。值得一提的是，在SiC這個領(lǐng)域，國內(nèi)的產(chǎn)業(yè)鏈布局逐漸開始走向完善。SiC這個大蛋糕，中國必能分得一塊。
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