碳化硅8英寸时代临近，中国厂商不应错过“早班车”

DT半导体材料 2023-07-14 19:16

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近日，碳化硅厂商掀起一轮8英寸晶圆投资热潮。除碳化硅龙头Wolfspeed位于美国纽约州的8英寸晶圆厂实现小批量供货外，英飞凌、意法半导体、三星、三菱电机以及部分国内厂商，也纷纷宣布投入8英寸碳化硅生产线的建设。

碳化硅产业一向有“得材料者得天下”的说法，几乎所有厂商都希望能锁定优质衬底材料产能，在这一轮产业浪潮中抢占先机。不过，SiC材料生长缓慢并且边缘缺陷较大，从6英寸向8英寸过渡，必将面临更大的提高生产良率的挑战，很难一蹴而就。这也意味着，碳化硅8英寸时代尚需一段时间才会到来，给予国内碳化硅厂商一定的回旋时机。

8英寸碳化硅晶圆量产临近

碳化硅衬底是整个碳化硅产业链中成本占比最大、技术门槛最高的环节，对相关产品的放量起着决定性作用。扩大晶圆尺寸一向是半导体行业获得更大晶片产能的不二法门。根据Wolfspeed财报说明上的数据，从6英寸升级到8英寸，获得的优良裸片（die）数量可以增加20%～30%。因此，这也驱使越来越多碳化硅大厂投入到这场碳化硅晶圆的“升级战”当中。

1、国外布局8英寸情况

Wolfspeed在2022年4月启用了全球第一家8英寸碳化硅晶圆厂、2023年2月宣布计划在德国萨尔州再建8英寸碳化硅工厂，新工厂预计可于2023年上半年启动。

Coherent在2022年3月宣布将在美国伊斯顿大规模建设近30万平方英尺的工厂，以扩大6英寸和8英寸SiC衬底和外延晶片的生产。

罗姆于2009年收购德国SiC衬底和外延片供应商SiCrystal、在2015年展示了8英寸SiC衬底。在PowerUP Expo 2022上表示将于2023年开始量产8英寸SiC衬底产品。

英飞凌计划在2023年左右开始量产8英寸衬底，2025年实现8英寸碳化硅器件的量产。

Soitec在2022年5月发布了首款8英寸碳化硅SmartSiC晶圆。在2022年3月启动新晶圆厂建设计划，用于6英寸、8英寸SmartSiC晶圆制造，预计2023年下半年建成投产。

意法半导体目前正积极推进碳化硅晶圆产线从6英寸向8英寸转型，预计2023年8英寸碳化硅晶圆即将量产。

实际上现在仅有Wolfspeed实现8英寸碳化硅量产，而大多数国际企业则将8英寸碳化硅衬底的量产节点定在2023年左右。

2、国内多家厂商正在破局8英寸

尽管现阶段8英寸碳化硅只能实现小批量供货，短期内不会对市场造成较大影响。但是从长期来看，随着技术的进步，材料生长与切割工艺方面的问题必然会被突破，随着成品率的提高也产能的增长，8英寸晶圆的芯片价格也必然会低于6英寸，并对碳化硅现有价格与产业格局产生影响。

目前，国内厂商也在积极布局8英寸碳化硅晶圆的开发与量产。

据不完全统计，国内有十余家企业与机构正在积极研发，包含烁科晶体、晶盛机电、天岳先进、南砂晶圆、同光股份、天科合达、科友半导体、乾晶半导体、中科院物理所、山东大学等。

赛微电子、三安光电、露笑科技等也有相关产能在投建中。

今年5月，天岳先进、天科合达签约英飞凌，供货碳化硅6英寸衬底、合作制备8英寸衬底。

6月，三安光电与意法半导体结盟升级，斥资32亿美元共建8英寸碳化硅外延、芯片合资代工厂，并计划通过三安光电全资子公司，投入70亿元建设年产48万片/年的8英寸碳化硅衬底。

中电化合物也宣布与韩国Power Master签订了长期供应8英寸在内的碳化硅材料的协议，公司预计未来3年碳化硅产能将达到8万片。

6月27日，晶盛机电宣布，已成功研发出8英寸碳化硅外延设备。在子公司晶瑞的8英寸衬底基础上，已实现8英寸单片式碳化硅外延生长设备的自主研发与调试，外延的厚度均匀性1.5%以内、掺杂均匀性4%以内。

2026-2027年或将全面进入市场？

然而，碳化硅向8英寸升级并非易事，即便少数几家公司能够部分量产8英寸晶圆也不意味着碳化硅的8英寸时代就此到来。

高温工艺关乎着SiC的良率，这也是各大SiC厂商所着力研发的关键环节之一。而除了与硅晶圆在生产工艺上有所差异以外，在SiC从6英寸向8英寸发展的过程中也存在着一些差异。

（1）在功率半导体制造的离子注入、薄膜沉积、介质刻蚀、金属化等环节，8英寸碳化硅与6英寸SiC的差距不大。

（2）英寸SiC的制造难点主要集中在衬底生长、衬底切割加工、氧化工艺。其中，衬底生长方面，扩径到8英寸，对衬底生长的难度会成倍增加；衬底切割加工方面，越大尺寸的衬底切割应力、翘曲的问题越显著。氧化工艺一直是碳化硅工艺中的核心难点，8英寸、6英寸对气流和温场的控制有不同需求，工艺需各自独立开发。

目前碳化硅产业以6英寸为主流，占据近80%市场份额，8英寸则不到1％。若达到成熟阶段，8英寸单片的售价约为6英寸的1.5倍，且8英寸能够生产的晶粒数约为6英寸SiC晶圆的1.8倍，晶圆利用率会显著提高。6英寸SiC衬底国内的良率大概有40%，海外大概60~70%，在8英寸方面实际进展并不如预期。

基本半导体总经理和巍巍此前接受记者采访时就指出，碳化硅衬底的生产有着很多难点，包括碳粉硅粉的合成、晶体的生长、晶锭加工等诸多细节步骤。从6英寸到8英寸的生长难度是几何级增长。因为扩径以后，需要更大的籽晶和制程，对温度控制的难度会大幅提升。这些难度表现在，扩径生长、温场控制、晶体生长及切割应力等诸多方面，同时涉及大量核心参数的调整，如直径、杂质、均匀性、弯曲翘曲以及光滑度等。

朱航欧也强调，从6英寸到8英寸扩展，最大的挑战在于解决衬底表面应力与缺陷密度的问题。因为晶体尺寸越大，生长的内应力也会越大，切割应力也越大。从6英寸到8英寸，应力的释放将导致损耗进一步增加，良率降低。而碳化硅器件当前最主要应用在于汽车等高可靠领域，对产品的可靠性要求更加严格。

因此，朱航欧预测，短期内来自8英寸晶圆的碳化硅器件并不会大量进入市场，从而对当前的价格体系以至产业格局产生影响。“Wolfspeed从发布8英寸晶圆厂计划至今，大约已有3年左右时间。从目前情况来看，其量产进程有所阻滞，因此判断Wolfspeed 8英寸厂产品大批量进入市场有可能推迟到2024年至2025年。其他厂商的量产时间上会略有延后。那么，这样预判，2026-2027年之间或许才是碳化硅8英寸时代真正到来的时点。”

安富利现场应用管理总监丁国骄预计的时间也相差不多，制约SiC大规模生产的主要因素并不是资金设备等方面的投入，而是碳化硅的生长性。怎样让晶圆长快、长厚、长大，这是综合材料和工艺的问题，需要投入研究试验和积累。目前国内外专家和各厂家正在加大投入攻克这些难题，未来3-5年内或会有所突破。

2023（第七届）国际碳材料大会暨产业发展论坛

——碳化硅半导体论坛

2023年11月1-3日中国·上海