碳化硅到底为什么这么贵?什么决定着碳化硅定价权?决定一个产品的价格主要有几方面因素呢?

 

作者试图用自己的认知思维来带大家重新定义这个复杂问题。首先,大家都清楚,碳化硅的定价是一个系统、复杂的多元性问题,系统复杂问题的成因肯定也是系统复杂的层次,所以作者借文章写出,碳化硅的定价权要看三方面:(一)生产周期、(二)生产难度、(三)市场条件。

 

文章会对其中那些因素可以直接调控那些因素是非人为可以掌控的以及碳化硅的未来发展趋势做出作者认知范围的解释。接下来,文章会对以上几层问题进行详细介绍。

 

一、碳化硅的生产周期

 

掌握了产品的生产周期,就变相的掌握了产品的定价权,这个因素是我们可以对碳化硅进行定价权掌控的最重要因素。所以,文章首先来看生产周期,碳化硅生产的周期是解释碳化硅定价权的一个维度,里面还有很多微观层面的影响因素决定着碳化硅高昂的价格,其中影响定价的最主要的因素还可以分为三个方面;

 

(一)单晶生长速度慢,尺寸小。

 

具体来看,首先是单晶生长的速度慢,尺寸小,碳化硅单晶的生长的速度非常非常的缓慢,每小时只能有0.3到0.5毫米,这个首先有材料本身属性的问题也有生产方法的问题。对于材料属性我们不可以直接把控,但是我们是否可以通过单晶生长方法的改善来改善单晶生长的速度以及扩大其尺寸,这是我们一直以来在努力的方向。下图(图一)为碳化硅尺寸的演变过程,通过图我们也可以看出,对于缩短其生产周期以及扩大其尺寸,我们一直在努力,这也是碳化硅成本一直下降的主要原因;而硅的单晶,非常非常的快,72个小时就能生长两三米的长度了,并且碳化硅单晶总体的生长高度也就是三五厘米,相比于硅来说,轻轻松松就能达到数米的高度。所以我们通常说单晶硅为硅棒,碳化硅的这个单晶我们一般称之为碳化硅锭,从这个词儿我们就看出来,一个是棒,一个是锭,这个长度的区别,就非常的明显了,并且碳化硅现在是以六英寸的晶圆为主的,而硅最大的尺寸可以达到12英寸。因此,总结以上我们就会发现,相比于硅来说碳化硅就是单晶生长速度长慢,长短尺寸小,最终导致碳化硅的定价高于硅数倍。以下为碳化硅尺寸发展图:

 

图一 碳化硅尺寸演进图

注:图片来源于科锐公司官网

 

(二)硬度大,容易破碎

 

碳化硅的硬度大,容易破碎,碳化硅的结构就是金刚石,金刚石的硬度很大,那么意味着延展性差,刚性强就是容易破碎,但在整个碳化硅的生产过程中,切割,打磨,抛光这些工艺,又时刻需要在碳化硅基片上做很多精湛工艺,这个时候,为了防止碳化硅碎裂,就必须慢工出细活了,就是多花时间,工艺求精,因此碳化硅的生产有很高的技术壁垒,这也是在导致碳化硅定价高昂的原因之一。碳化硅的主要缺陷就是微管,微管指碳化硅晶片的一种缺陷,是晶片中延轴向延伸且径向尺寸在一微米至十几微米的中空管道,这是影响碳化硅良率的一个重要因素,不过这个使我们可以通过技术改进、生产方法改进等等手段直接控制的因素,不过这种控制不仅仅是资金的投入,更是对人才、技术等等的投入,而且这种投入的风险极大,虽然属于可直接把控的因素,但是也是很难把控的一个因素。

 

(三)产线自动化程度低

 

碳化硅现阶段的产线的自动化程度比较低。对于碳化硅的自动化,首先我们不可不谈的就是碳化硅的制造设备,目前碳化硅的制造设备还主要依靠于进口,国产化程度极低,虽然也有部分的国内设备商家,但是质量等等方面与国外还是有很大差距的,所以,自动化低就成了影响我们国内碳化硅生产周期的有一大因素,总体而言,他是一个直接可控因素,但是自动化程度提高的路是一条曲折的路,需要时间以及空间。目前,碳化硅是以八英寸为主的,那八英寸的产线自动化,不管是碳化硅还是其他的化合物半导体的生产,只要是半导体的产线,它的自动化就非常低,此也是导致其生产周期长的一个重要原因,降低了生产的效率,变相的在碳化硅的高昂定价中起到了推波助澜的作用。

 

综上所述,如果企业在以上生长周期、工艺制造、产线自动化等三者之中有所突破或者创新,对于掌握碳化硅的生产周期进而在碳化硅的定价权上面获得话语权,哪么其必左右碳化硅的市场价格。

 

二、生产难度

 

接下来呢,我们来讲一下影响价格的第二个因素,生产难度,对碳化硅而言呢,主要是两个问题:

 

(一)材料的缺陷

 

碳化硅中的缺陷包括微管、多型夹杂、位错等。微管是尺寸为几微米到数十微米的贯穿型缺陷,是器件的杀手型缺陷;碳化硅包含200多种晶型结构,其中多种晶型结构间的形成能接近,在高温生长过程中易产生晶型转化,从而导致多型夹杂;碳化硅单晶生长热场中存在的温度梯度导致的热应力、生长过程中的温度、组分等波动也容易引入位错等缺陷,从而影响后续外延和器件的质量和性能。

 

硅从发现到现在已经有几十年的研究历史了,已经非常的成熟,即使存在写材料的缺陷也是通过技术的改进、后期的处理等等将缺陷降到了最低,几乎可以说是没有缺陷了,但碳化硅不同,大规模应用也就是十年,研究的材料也就是二三十年,对于碳化硅的研究我们还一直处于探索阶段,存在诸多的未解或者说无准确定义的问题,这就给碳化硅的应用发展造成了极大的阻碍。

 

对于碳化硅的缺陷,这个缺陷非常的多,具体的数字呢,我们可以让他与硅做对比。我们来看一下,硅与碳化硅是怎么去描述缺陷呢?对于硅我们使用的单位是各每片,也就是说每片金元有几个缺陷,但是碳化硅就不一样了,它的单位是各每平方厘米,你看从这个单位上你就可以看出来这个缺陷的数量的区别,那缺陷,主要就是导致三个问题,第一是在长晶阶段,如果这个缺陷比较多,可能导致整个碳化硅单晶直接报废。这也就是说,碳化硅的经济生产周期非常的慢,这个时候你投入的时间,还有能耗都是无法挽回的损失。

 

第二,是在做碳化硅外延的时候,碳化硅原先衬底上的缺陷,会被继承,甚至被放大,也会影响到外延的领域,第三,就是我们在使用这样的外延制作器件,也会严重影响到碳化硅的器件的性能。也就是说我们花了很多功夫,终于要制造器件了,最后呢很可能因为材料、外延的部分问题使我们前面花费的时间,投入的物料成本,能耗都不能够被充分的利用,所以说提高良率,对碳化硅来说也是非常重要的。

 

(二)特殊工艺

 

影响制造难度的第二点,就是碳化硅是需要一些特殊工艺的。这是为什么呢?

 

第一,硅与硅的共价键是非极性的共价键,它的键能是七十六千卡美摩尔。但是硅和碳之间是极性共价键,它的键能是一百零四千卡,碳—硅键是一百零四千卡,每摩尔就不同了。详细差别如下图:

 

图二 对比硅——硅与硅——碳键能图

 

这是物理、化学层面的因素,可以说这个因素无法直接把控,只能通过一些技术改进,特殊环境进行间接把控,比如说像高温离子注入,高温退火,最后还有高温氧化,以上三项,是我们在制造硅器件的时候所不需要的,这个时候就意味着,首先我要进行一些资产上的投入,比如说像高温、离子注入,这个都是千万级别的投入,那这些工艺呢,都是需要重新对碳化硅进行一个摸索的,特别对于碳化硅MOSFET而言。它的工艺,可以说是非常难,严重影响了它的良率,现阶段,碳化硅MOSFET的良率,不高于70%,特别是对于大功率,应用在电动汽车上的大芯片,这个良率会更低一些,可以说碳化硅的制造确实在工艺方面非常的困难,所以对一个碳化硅企业来说,只有掌握了碳化硅制造工艺,才能称之为一个掌握了碳化硅核心技术的企业。那有何核心工艺呢?

 

第二,核心工艺。具体包括为碳化硅单晶生长设备、热场设计制造技术、高纯碳化硅粉料制备技术、精准杂质控制技术及电学性能控制技术、碳化硅单晶应力和缺陷控制技术、碳化。

 

对于工艺一碳化硅单晶衬底超精密加工技术,碳化硅单晶生长设备设计与制造技术。碳化硅长晶炉是晶体制备的载体,也是晶体生长核心技术中的热场和工艺的重要组成部分。针对不同尺寸、不同导电性能的碳化硅单晶衬底,碳化硅长晶炉需要实现高真空度、低真空漏率等各项性能指标,为高质量晶体生长提供适合的热场实现条件;

 

 

工艺二,高纯碳化硅粉料制备技术。通过特殊热场和工艺设计,实现极高纯度碳化硅粉料制备,粉料中关键杂质硼和铝的浓度分别低于 0.05ppm,氮浓度小于 1×1016atom/cm3。碳化硅粉料是碳化硅单晶生长的原料。由于合成环境及使用物料吸附杂质的影响,合成的碳化硅粉料中不可避免地引入较多杂质,直接影响晶体的纯度和电学性能。核心工艺技术需要研制高真空度的粉料反应腔室,使用了高纯度的石墨材料,设计了特殊反应工艺,从而获得了极高纯度碳化硅粉料颗粒,将粉料中主要电活性杂质浓度控制在 0.05ppm 以下。此外,经过破碎筛分和自研的清洗工艺后,可以获得不同粒度的粉料,从而保障了高质量碳化硅晶体的制备;

 

工艺三,精准杂质控制技术及电学性能控制技术。通过提高设备真空度、物料纯度,结合自主开发的晶体生长工艺控制,实现高纯度、高电阻率的半绝缘碳化硅单晶制备;通过掺杂工艺开发,实现低阻导电碳化硅单晶制备,电阻率控制在0.015-0.025Ω·cm。半导体电学性能取决于半导体材料中杂质的类型和浓度。为实现半绝缘型碳化硅衬底高阻电学特性,需要将晶体中的杂质浓度控制在极低的水平;为实现导电型碳化硅衬底低阻电学特性,则需要向晶体中引入高浓度的氮元素。因此,碳化硅单晶电学性能的控制是基于精准的控制生长过程中进入到晶体中的杂质来实现的;

 

工艺四、碳化硅单晶应力和缺陷控制技术。通过经验积累以及研发投入设计开发热场,设计合理的温度梯度,结合合理的成核技术和晶体生长技术,可以实现低缺陷密度的单晶制备等等。碳化硅单晶生长过程中的缺陷控制技术碳化硅中的缺陷包括微管、多型夹杂、位错等。微管是尺寸为几微米到数十微米的贯穿型缺陷,是器件的杀手型缺陷;碳化硅包含 200 多种晶型结构,其中多种晶型结构间的形成能接近,在高温生长过程中易产生晶型转化,从而导致多型夹杂;碳化硅单晶生长热场中存在的温度梯度导致的热应力、生长过程中的温度、组分等波动也容易引入位错等缺陷,从而影响后续外延和器件的质量和性能。

 

综合而看,无论是微观层面的物化学层来看,还是宏观层面的核心技术来看,影响碳化硅的定价权的主观因素还是核心工艺,谁掌握着核心工艺,谁就能在碳化硅的定价权上占有比重很大的话语权。但是这种话语权的争夺,看似市场决定,实则是科技、人才决定的,人才才是第一决定因素。

 

三、市场供求关系

 

(一)未形成规模效应

 

“规模效应又称规模经济,即因规模增大带来的经济效益提高,但是规模过大可能产生信息传递速度慢且造成信息失真、管理官僚化等弊端,反而产生“规模不经济”。规模效应是一个经济学上研究的课题,即生产要达到或超过盈亏平衡点,即规模效益。经济学中的规模效应是根据边际成本递减推导出来的,就是说企业的成本包括固定成本和变动成本,混合成本则可以分解为这两种成本,在生产规模扩大后,变动成本同比例增加而固定成本不增加,所以单位产品成本就会下降,企业的销售利润率就会上升。现在碳化硅的器件自身不太成熟,价格又偏高,客户在用的时候就犹豫性高,经常思考碳化硅器件的性价比对于自身说是不是代价有点大呢?客户有疑虑,用量也就不大。

 

碳化硅呢,实际上前几年的市场用量并不大,只是近几年才出现一个爆发。这个时候,就会面临一个问题,越不用就越贵,这是为什么呢?有一个大家都知道常识啊,工业大规模生产,才是分摊成本的一个王道啊。目前的碳化硅,还未形成规模效应,就是还缺乏能大批量的出货的企业。这样呢碳化硅的一些投入分摊到每一个产品上的成本就比较高,这也是造成碳化硅贵的一个重大因素,如果形成规模效应,碳化硅的价格就会急剧的下降,这样客户才能用的起,这么看来,碳化硅贵一些确实还是有道理的,以稀为贵。

 

(二)市场火热,供需关系

 

商品价格围绕价值上下波动?商品价格围绕价值上下波动,仅由劳动力的必要劳动时间体现,这种说法是古典经济学的理念;说法早被打破了。根据新古典经济学的理念的话,则是供给与需求决定商品的价格;供给取决于劳动等客观因素,而需求取决于效用等主观因素。价格比价值低,价值规律就会起调控作用,时间长短就看供给与需求之间何时打破均衡关系,简单说就是看什么时候达到一种边际效用决定的,也就是供求关系决定的。

 

这个过程的实现需要亮点,第一市场是一个有效市场,第二,市场是一个自由竞争的市场,显然中国的市场经济已经很成熟了,对于碳化硅市场的分析,主要是供小于求的。目前中国有200多家碳化硅企业,年生产能力超过220万吨,300多家制砂和微粉加工企业,年生产能力超过200万吨。此外,约三分之一的冶炼企业拥有砂微粉加工生产线,许多企业开始回收砂浆。然而,国内市场对碳化硅的需求仅为70万吨,主要用于低附加值的磨具和耐火材料领域。智能电网、新能源汽车和军用电子系统等中国高端市场仍处于早期发展阶段。碳化硅市场尚未完全开放,碳化硅年出口量约为30万吨。因此,中国碳化硅行业目前面临产能过剩和新设备、新工厂建设不足的问题。 

 

综合而言,对于以上定价权的分析,可以见下图:(图三)

 

图三 碳化硅定价权影响因素分析

 

文章以作者参考的材料以及知识储备为大家梳理了影响碳化硅定价的直接因素和间接因素,解释了什么是直接可控的什么是间接把控的。总体而言,碳化硅的定价权主要被可以掌控调节生产周期、改良控制核心特殊工艺以及拥有良好规模和市场信息的企业或者团体所把控。因为碳化硅的价格就是被生产周期、生产工艺、市场条件所界定的。

 

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