碳化硅8英寸晶圓加速量產(chǎn) 8英寸時(shí)代到來(lái)還需5至6年

　　近年來(lái)，國(guó)際各大碳化硅生產(chǎn)廠商加速8英寸晶圓的開發(fā)量產(chǎn)進(jìn)程。碳化硅龍頭WolfSpeed啟用并開始試產(chǎn)旗下一座8英寸新廠，預(yù)計(jì)明年上半年將有顯著營(yíng)收。法國(guó)Soitec半導(dǎo)體公司發(fā)布首款8英寸SmartSiC晶圓。晶圓代工大廠聯(lián)電也將加大設(shè)備投資力度，布局8英寸的寬禁帶半導(dǎo)體晶圓制造。當(dāng)前，全球碳化硅領(lǐng)域仍以6英寸為主。但從硅基半導(dǎo)體的發(fā)展經(jīng)驗(yàn)來(lái)看，從6英寸到8英寸再到12英寸晶圓，每次提升都會(huì)給行業(yè)帶來(lái)意義明顯的影響。隨著各大廠商加快8英寸量產(chǎn)步伐，碳化硅晶圓的8英寸時(shí)代也在逐步臨近。

　　大廠加速量產(chǎn)8英寸晶圓

　　4月26日，全球最大的碳化硅供應(yīng)商Wolfspeed公司宣布其位于美國(guó)紐約州莫霍克谷的碳化硅制造新廠開工，首批碳化硅晶圓已在早些時(shí)候開始制造。這座工廠采用的是8英寸碳化硅晶圓加工技術(shù)，也是全球首條8英寸生產(chǎn)線。這座工廠的啟動(dòng)試產(chǎn)，將加快碳化硅行業(yè)從6英寸向8英寸晶圓過渡的步伐。Wolfspeed全球運(yùn)營(yíng)高級(jí)副總裁Rex Felton表示，該公司還要在美國(guó)北卡羅來(lái)納州達(dá)勒姆市建設(shè)一座材料工廠，預(yù)計(jì)于今年晚些時(shí)候竣工。屆時(shí)將與晶圓制造工廠形成更大的協(xié)同效應(yīng)。

　　法國(guó)半導(dǎo)體材料企業(yè)Soitec半導(dǎo)體公司也在近日發(fā)布了其首款8英寸碳化硅SmartSiC晶圓。據(jù)悉，該產(chǎn)品是在Soitec與 CEA-Leti公司合作的襯底創(chuàng)新中心的試驗(yàn)線上生產(chǎn)的。Soitec還在今年3月啟動(dòng)了一座新晶圓廠的建設(shè)，用于生產(chǎn)6英寸與8英寸碳化硅晶圓，新廠預(yù)計(jì)將于2023年下半年投入運(yùn)營(yíng)。

　　半導(dǎo)體代工大廠聯(lián)電近日也在布局生產(chǎn)寬禁帶半導(dǎo)體，且主攻更具前景的8英寸晶圓制造，近期正在大舉購(gòu)置新設(shè)備，預(yù)計(jì)下半年進(jìn)駐廠區(qū)。創(chuàng)道投資咨詢總經(jīng)理步日欣表示：“聯(lián)電擴(kuò)產(chǎn)8英寸寬禁帶半導(dǎo)體制造，意味著寬禁帶半導(dǎo)體正在向著大規(guī)模、低成本方向演進(jìn)?！?/p>

　　從目前全球市場(chǎng)情況來(lái)看，碳化硅領(lǐng)域的主要廠商包括Wolfspeed、Soitec、意法半導(dǎo)體、英飛凌、羅姆等。這些公司在進(jìn)入6英寸生產(chǎn)后，近年來(lái)開始積極推動(dòng)碳化硅向8英寸發(fā)展。資料顯示，2015年Wolfspeed便展示了8英寸碳化硅襯底。2019年5月，Wolfspeed宣布投入10億美元進(jìn)行莫霍克谷新廠的建設(shè)。Soitec于2021年宣布5年投資計(jì)劃，將在5年內(nèi)投資11億歐元將年產(chǎn)能翻一番，同時(shí)新建的兩座碳化硅晶圓廠中，一座為6英寸、一座為8英寸。意法半導(dǎo)體2019年收購(gòu)了Norste公司，并將其更名為意法半導(dǎo)體碳化硅公司。意法半導(dǎo)體總裁兼首席執(zhí)行官Jean-MarcChery在此前接受記者采訪時(shí)表示，對(duì)Norstel公司的收購(gòu)，填補(bǔ)了意法半導(dǎo)體碳化硅晶圓制造技術(shù)的空白。未來(lái)，意法半導(dǎo)體將進(jìn)行8英寸碳化硅晶圓的生產(chǎn)開發(fā)，并計(jì)劃在8英寸碳化硅晶圓上率先制造功率二極管、MOSFET等產(chǎn)品。

　　8英寸時(shí)代到來(lái)還需5至6年

　　SiC具有高擊穿電場(chǎng)、高飽和電子速度、高熱導(dǎo)率、高電子密度和高遷移率等特點(diǎn)，是良好的半導(dǎo)體材料，目前已經(jīng)在汽車電子、工業(yè)半導(dǎo)體等領(lǐng)域有了較為廣泛的應(yīng)用。而在進(jìn)入8英寸后，每片晶圓中理論上可用的裸片數(shù)量將大大增加。根據(jù)Wolfspeed財(cái)報(bào)說明上的數(shù)據(jù)，單從晶圓加工成本來(lái)看，從6英寸升級(jí)到8英寸，晶圓成本是增加的，但從8英寸晶圓中獲得的優(yōu)良裸片數(shù)量可增加20%～30%，產(chǎn)量更高，最終的芯片成本將更低。

　　意法半導(dǎo)體汽車和分立器件產(chǎn)品部功率晶體管事業(yè)部市場(chǎng)溝通經(jīng)理Gianfranco Di Marco表示，硅基半導(dǎo)體的發(fā)展歷史證明，改用更大尺寸的晶圓可以提高生產(chǎn)率。這是越來(lái)越多廠商積極推進(jìn)8英寸晶圓的主要原因之一。

　　但碳化硅晶圓向8英寸升級(jí)并不容易，即便有少數(shù)幾家公司能夠成功量產(chǎn)8英寸晶圓，也不意味著碳化硅的8英寸時(shí)代就此到來(lái)。IGBT發(fā)明人B.Jayant Baliga就曾指出，碳化硅功率器件可以用更短的溝道長(zhǎng)度和更小的單元尺寸來(lái)實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)器件的功能。但碳化硅與硅基半導(dǎo)體材料相比，襯底生長(zhǎng)極為困難和緩慢，8英寸與6英寸碳化硅晶圓的工藝有很大差別，也更加復(fù)雜。

　　深圳基本半導(dǎo)體有限公司總經(jīng)理和巍巍也表示，碳化硅從6英寸向8英寸過渡，工藝上的挑戰(zhàn)主要體現(xiàn)在幾方面：一是擴(kuò)徑生長(zhǎng)問題，從6英寸到8英寸，如果仍然使用物理氣相傳輸法（PVT）制備碳化硅襯底，需要提高原料運(yùn)輸?shù)男?，解決籽晶邊緣多晶形核問題及多型相變問題，改善結(jié)晶質(zhì)量等，這就需要進(jìn)一步改進(jìn)生長(zhǎng)裝置，優(yōu)化生長(zhǎng)工藝。二是溫場(chǎng)控制問題，從6英寸結(jié)晶爐改到8英寸結(jié)晶爐，設(shè)備對(duì)溫度控制的精度更高。三是晶體生長(zhǎng)及切割應(yīng)力形成的問題，晶體尺寸越大，生長(zhǎng)的內(nèi)應(yīng)力就越大，切割應(yīng)力也越大。晶片切割后的應(yīng)力釋放會(huì)導(dǎo)致翹曲問題的發(fā)生，需要開發(fā)新的切割技術(shù)加以應(yīng)對(duì)。

　　盡管Wolfspeed已經(jīng)啟動(dòng)8英寸碳化硅晶圓廠試產(chǎn)，其他部分國(guó)際大廠也在向8英寸推進(jìn)，但是整個(gè)碳化硅行業(yè)要想真正進(jìn)入8英寸時(shí)代并非一蹴而就，預(yù)計(jì)還需要5～6年的過渡時(shí)間或許才可完成。這個(gè)周期相對(duì)漫長(zhǎng)，而在此期間，6英寸碳化硅在市場(chǎng)上仍將保持較大份額。

　　產(chǎn)業(yè)協(xié)同應(yīng)對(duì)8英寸時(shí)代挑戰(zhàn)

　　盡管6英寸仍為主流，8英寸碳化硅晶圓的產(chǎn)能釋放并不會(huì)在短期內(nèi)對(duì)行業(yè)造成沖擊，但是我國(guó)企業(yè)現(xiàn)在就應(yīng)當(dāng)正視這個(gè)挑戰(zhàn)，并積極應(yīng)對(duì)。專家指出，8英寸晶圓存在材料生長(zhǎng)難度大、切割難度大、切割損失大等問題，現(xiàn)階段8英寸的成品率肯定是低的，最終的成品器件價(jià)格也不會(huì)比6英寸便宜多少。因此短期內(nèi)8英寸投入市場(chǎng)，對(duì)行業(yè)不會(huì)有太大的影響。但從長(zhǎng)期來(lái)看，隨著技術(shù)的進(jìn)步，材料生長(zhǎng)與切割工藝方面的問題必將被突破，如英飛凌便收購(gòu)了Siltectra公司，其開發(fā)的冷切割技術(shù)可使原料損耗減至50%。最終8英寸晶圓上的芯片價(jià)格必然會(huì)低于6英寸上的芯片價(jià)格，同時(shí)產(chǎn)能明顯提升。隨著成本下降、產(chǎn)量增加、規(guī)模擴(kuò)大，進(jìn)一步推動(dòng)成本繼續(xù)降低，將形成正向循環(huán)。這樣的循環(huán)一旦形成，對(duì)原有產(chǎn)業(yè)格局的影響將是巨大的。

　　目前，我國(guó)碳化硅襯底材料領(lǐng)域，量產(chǎn)生產(chǎn)線仍以6英寸為主，8英寸還有難度。資料顯示，目前我國(guó)碳化硅廠家中，擁有6英寸生產(chǎn)線的企業(yè)包括中車、三安光電、華潤(rùn)微電子、積塔半導(dǎo)體、燕東微電子等。也有一些企業(yè)在布局8英寸碳化硅襯底的開發(fā)，如天科合達(dá)在2020年啟動(dòng)了8英寸碳化硅的研發(fā)。合肥露笑科技投資100億元建設(shè)碳化硅設(shè)備制造、長(zhǎng)晶生產(chǎn)、襯底加工、外延制作等，預(yù)計(jì)其第二期、第三期將推進(jìn)8英寸的量產(chǎn)。東莞天域也在籌備8英寸碳化硅晶圓的外延生長(zhǎng)。但是，國(guó)內(nèi)企業(yè)整體進(jìn)程仍然落后于國(guó)際先進(jìn)企業(yè)。

　　和巍巍指出，目前市場(chǎng)上碳化硅器件仍然處于缺貨的狀態(tài)。國(guó)內(nèi)外碳化硅企業(yè)手上應(yīng)該都有大把的訂單。在中短期內(nèi)，8英寸晶圓單芯片價(jià)格不會(huì)比6英寸便宜多少，因此并不會(huì)帶來(lái)太大的競(jìng)爭(zhēng)壓力。但以中遠(yuǎn)期的目光來(lái)看，當(dāng)國(guó)際上8英寸碳化硅的相關(guān)加工技術(shù)完全成熟，成本降下來(lái)后，我國(guó)以6英寸為主的碳化硅產(chǎn)品將面臨更大的競(jìng)爭(zhēng)壓力，體現(xiàn)在芯片成本、價(jià)格以及供應(yīng)能力等方面。因此，為應(yīng)對(duì)這樣的挑戰(zhàn)，國(guó)內(nèi)器件廠商應(yīng)與襯底、外延等原材料廠商積極配合，充分整合國(guó)內(nèi)產(chǎn)業(yè)鏈企業(yè)，共同開發(fā)8英寸材料、工藝等技術(shù)，包括降低芯片導(dǎo)通電阻及芯片面積，提高單晶圓產(chǎn)出。同時(shí)整合國(guó)內(nèi)供應(yīng)鏈，利用國(guó)產(chǎn)襯底外延材料價(jià)格及產(chǎn)能優(yōu)勢(shì)，降低成本，提高產(chǎn)出，在研發(fā)、技術(shù)、工藝、質(zhì)量、產(chǎn)業(yè)化等多個(gè)維度全面提升核心競(jìng)爭(zhēng)力。(記者 陳炳欣)

　　轉(zhuǎn)自：中國(guó)電子報(bào)

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