近年来,国际各大碳化硅生产厂商加速8英寸晶圆的开发量产进程。碳化硅龙头WolfSpeed启用并开始试产旗下一座8英寸新厂,预计明年上半年将有显著营收。法国Soitec半导体公司发布首款8英寸SmartSiC晶圆。晶圆代工大厂联电也将加大设备投资力度,布局8英寸的宽禁带半导体晶圆制造。当前,全球碳化硅领域仍以6英寸为主。但从硅基半导体的发展经验来看,从6英寸到8英寸再到12英寸晶圆,每次提升都会对行业带来意义明显的影响。随着各大厂商加快8英寸量产步伐,碳化硅晶圆的8英寸时代也在逐步临近。

 

大厂加速量产8英寸晶圆

 

4月26日,全球最大的碳化硅供应商Wolfspeed公司宣布其位于美国纽约州莫霍克谷的碳化硅制造新厂开业,首批碳化硅晶圆已在早些时候开始制造。这座工厂采用的是8英寸碳化硅晶圆加工技术,也是全球首条8英寸生产线。这座工厂的启动试产,将加快碳化硅行业从6英寸向8英寸晶圆过渡的步伐。Wolfspeed全球运营高级副总裁Rex Felton表示,该公司还在美国北卡罗来纳州达勒姆市建设一座材料工厂,预计将于今年晚些时候竣工。届时将与晶圆制造工厂形成更大的协同作用。

 

法国半导体材料企业Soitec半导体公司也在近日发布了首款8英寸碳化硅SmartSiC晶圆。据悉,该产品是在Soitec 与 CEA-Leti公司合作的衬底创新中心的试验线上生产的。Soitec还在今年3月启动了一座新晶圆厂的建设,用于生产6英寸与8英寸碳化硅晶圆,新厂预计将于2023 年下半年投入运营。

 

半导体代工大厂联电近日也在布局生产宽禁带半导体,且主攻更具前景的8英寸晶圆制造,其近期正在大举购置新设备,预计下半年进驻厂区。创道投资咨询总经理步日欣表示:“联电扩产8英寸宽禁带半导体制造,意味着宽禁带半导体正在向着大规模、低成本方向演进。”

 

从目前全球市场情况来看,碳化硅领域的主要厂商包括Wolfspeed、Soitec、意法半导体、英飞凌、罗姆等。这些公司在进入6英寸生产后,近年来开始积极推动碳化硅向8英寸发展。资料显示,2015年Wolfspeed便展示了8英寸碳化硅衬底。2019年5月,Wolfspeed宣布投入10亿美元进行莫霍克谷新厂的建设。Soitec于2021年宣布五年投资计划,将在5年内投资11亿欧元将年产能翻一番,同时新建的2座碳化硅晶圆厂中,一座为6英寸、一座为8英寸。意法半导体2019年收购了Norste公司,并将其更名为意法半导体碳化硅公司。意法半导体总裁兼首席执行官Jean-MarcChery在此前接受记者采访时表示,对Norstel公司的收购,填补了意法半导体碳化硅晶圆的制造技术。未来,意法半导体将进行8英寸碳化硅晶圆的生产开发,并计划在8英寸碳化硅晶圆上率先制造功率二极管MOSFET等产品。

 

8英寸时代到来还需5至6年

 

SiC具有高击穿电场、高饱和电子速度、高热导率、高电子密度和高迁移率等特点,是良好的半导体材料,目前已经在汽车电子、工业半导体等领域有了较为广泛的应用。而在进入8英寸后,每片晶圆中理论上可用的裸片数量将大大增加。根据Wolfspeed财报说明上的数据,单从晶圆加工成本来看,从6英寸升级到8英寸,晶圆成本是增加的,但从8英寸晶圆中获得的优良裸片(die)数量可增加20%~30%,产量更高,最终的芯片成本将更低。

 

意法半导体汽车和分立器件产品部功率晶体管事业部市场沟通经理Gianfranco DI MARCO表示,硅基半导体的发展历史证明,改用更大尺寸的晶圆可以提高生产率。这是越来越多厂商积极推进8英寸晶圆的主要原因之一。

 

但碳化硅晶圆向8英寸升级并不容易,即便有少数几家公司能够成功量产8英寸晶圆也不意味着碳化硅的8英寸时代就此到来。IGBT发明人B.Jayant Baliga演讲时就曾指出,碳化硅功率器件可以用更短的沟道长度和更小的单元尺寸来实现传统器件的功能。但碳化硅与硅基半导体材料相比,衬底生长极为困难和缓慢,8英寸与6英寸碳化硅晶圆的工艺有很大差别,也更加复杂。

 

深圳基本半导体有限公司总经理和巍巍也表示,碳化硅从6英寸向8英寸过渡,工艺上的挑战主要体现在几方面:一是扩径生长问题,从6英寸到8英寸,如果仍然使用物理气相传输法(PVT)制备碳化硅衬底,需要提高原料运输的效率,解决籽晶边缘多晶形核问题,解决多型相变问题,改善结晶质量等,这就需要进一步改进生长装置,优化生长工艺。二是温场控制问题,从6英寸结晶炉改到8英寸结晶炉,设备对温度控制的精度是下降的,也就会形成更大的挑战。三是晶体生长及切割应力形成的问题,晶体尺寸越大,生长的内应力就越大,切割应力也越大。晶片切割后的应力释放会导致翘曲问题的发生,需要开发新的切割技术加以应对。

 

尽管Wolfspeed已经启动8英寸碳化硅晶圆厂试产,其他部分国际大厂也在向8英寸推进,但是整个碳化硅行业要想真正进入8英寸时代并非一蹴而就,预计还需要五至六年的过渡时间或许才可完成。也就是到2028年左右,全球碳化硅行业才有可能真正进入8英寸的量产时代。这个周期相对漫长,而在此期间6英寸碳化硅在市场上仍将保持较大份额。

 

产业协同应对8英寸时代挑战

 

尽管6英寸仍为主流,8英寸碳化硅晶圆的产能释放并不会在短期内对行业造成冲击,但是我国企业现在就应当正视这个挑战,并加以积极应对了。专家指出,8英寸晶圆存在材料生长难度大、切割难度大、切割损失大等问题,现阶段8英寸的成品率肯定是低的,最终的成品器件价格也不会比6英寸便宜多少。因此短期内8英寸投入市场,对行业不会有太大的影响。但从长期来看,随着技术的进步,材料生长与切割工艺方面的问题必将会被突破,如英飞凌便收购了Siltectra公司,其开发的冷切割技术可使原料损耗减至50%。最终8英寸晶圆上的芯片价格必然会低于6英寸上的芯片价格,同时产能明显的提升。随着成本下降、产量增加、规模扩大,进一步推动成本继续降低,将会形成正向循环。这样的循环一旦形成,对原有产业格局的影响将是巨大的。

 

目前,我国碳化硅衬底材料领域,量产生产线仍以6英寸为主,8英寸还有难度。资料显示,我国目前碳化硅厂家中,拥有6英寸生产线的企业包括中车、三安光电、华润微电子、积塔半导体、燕东微电子等。也有一些企业在布局8英寸碳化硅衬底的开发,如天科合达在2020年启动了8英寸碳化硅的研发。合肥露笑科技投资100亿元建设碳化硅设备制造、长晶生产、衬底加工、外延制作等,预计其第二期、第三期将推进8 英寸的量产。东莞天域也在筹备8英寸碳化硅晶圆的外延生长。但是,整体进程仍然落后于国际先进企业。

 

和巍巍指出,目前市场上碳化硅器件仍然处于缺货的状态。国内外碳化硅企业手上应该都有大把的订单。在中短期内,8英寸晶圆单芯片价格不会比6英寸便宜多少,因此并不会带来太大的竞争压力。但以中远期的目光来看,当国际上8英寸碳化硅的相关加工技术完全成熟,成本降下来后,我国以6英寸为主的碳化硅产品将会面临更大的竞争压力,体现在芯片成本、价格以及供应能力等方面。因此,为应对这样的挑战,国内器件厂商应与衬底、外延等原材料厂商积极配合,充分整合国内产业链企业,共同开发8英寸材料、工艺等技术,包括降低芯片导通电阻及芯片面积,提高单晶圆产出。同时整合国内供应链,利用国产衬底外延材料价格及产能优势,降低成本提高产出,在研发、技术、工艺、质量、产业化等多个维度全面提升核心竞争力。

 

作者丨陈炳欣

编辑丨刘晶

美编丨马利亚    

监制丨连晓东