碳化硅8英寸晶圓加速量產(chǎn) 8英寸時代到來還需5至6年

　　近年來，國際各大碳化硅生產(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，預計明年上半年將有顯著營收。法國Soitec半導體公司發(fā)布首款8英寸SmartSiC晶圓。晶圓代工大廠聯(lián)電也將加大設備投資力度，布局8英寸的寬禁帶半導體晶圓制造。當前，全球碳化硅領(lǐng)域仍以6英寸為主。但從硅基半導體的發(fā)展經(jīng)驗來看，從6英寸到8英寸再到12英寸晶圓，每次提升都會給行業(yè)帶來意義明顯的影響。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商Wolfspeed公司宣布其位于美國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全球運營高級副總裁Rex Felton表示，該公司還要在美國北卡羅來納州達勒姆市建設一座材料工廠，預計于今年晚些時候竣工。屆時將與晶圓制造工廠形成更大的協(xié)同效應。

　　法國半導體材料企業(yè)Soitec半導體公司也在近日發(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)新中心的試驗線上生產(chǎn)的。Soitec還在今年3月啟動了一座新晶圓廠的建設，用于生產(chǎn)6英寸與8英寸碳化硅晶圓，新廠預計將于2023年下半年投入運營。

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

　　從目前全球市場情況來看，碳化硅領(lǐng)域的主要廠商包括Wolfspeed、Soitec、意法半導體、英飛凌、羅姆等。這些公司在進入6英寸生產(chǎn)后，近年來開始積極推動碳化硅向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10億美元進行莫霍克谷新廠的建設。Soitec于2021年宣布5年投資計劃，將在5年內(nèi)投資11億歐元將年產(chǎn)能翻一番，同時新建的兩座碳化硅晶圓廠中，一座為6英寸、一座為8英寸。意法半導體2019年收購了Norste公司，并將其更名為意法半導體碳化硅公司。意法半導體總裁兼首席執(zhí)行官Jean-MarcChery在此前接受記者采訪時表示，對Norstel公司的收購，填補了意法半導體碳化硅晶圓制造技術(shù)的空白。未來，意法半導體將進行8英寸碳化硅晶圓的生產(chǎn)開發(fā)，并計劃在8英寸碳化硅晶圓上率先制造功率二極管、MOSFET等產(chǎn)品。

　　8英寸時代到來還需5至6年

　　SiC具有高擊穿電場、高飽和電子速度、高熱導率、高電子密度和高遷移率等特點，是良好的半導體材料，目前已經(jīng)在汽車電子、工業(yè)半導體等領(lǐng)域有了較為廣泛的應用。而在進入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財報說明上的數(shù)據(jù)，單從晶圓加工成本來看，從6英寸升級到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。

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

　　但碳化硅晶圓向8英寸升級并不容易，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英寸時代就此到來。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度和更小的單元尺寸來實現(xiàn)傳統(tǒng)器件的功能。但碳化硅與硅基半導體材料相比，襯底生長極為困難和緩慢，8英寸與6英寸碳化硅晶圓的工藝有很大差別，也更加復雜。

　　深圳基本半導體有限公司總經(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：一是擴徑生長問題，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，這就需要進一步改進生長裝置，優(yōu)化生長工藝。二是溫場控制問題，從6英寸結(jié)晶爐改到8英寸結(jié)晶爐，設備對溫度控制的精度更高。三是晶體生長及切割應力形成的問題，晶體尺寸越大，生長的內(nèi)應力就越大，切割應力也越大。晶片切割后的應力釋放會導致翹曲問題的發(fā)生，需要開發(fā)新的切割技術(shù)加以應對。

　　盡管Wolfspeed已經(jīng)啟動8英寸碳化硅晶圓廠試產(chǎn)，其他部分國際大廠也在向8英寸推進，但是整個碳化硅行業(yè)要想真正進入8英寸時代并非一蹴而就，預計還需要5～6年的過渡時間或許才可完成。這個周期相對漫長，而在此期間，6英寸碳化硅在市場上仍將保持較大份額。

　　產(chǎn)業(yè)協(xié)同應對8英寸時代挑戰(zhàn)

　　盡管6英寸仍為主流，8英寸碳化硅晶圓的產(chǎn)能釋放并不會在短期內(nèi)對行業(yè)造成沖擊，但是我國企業(yè)現(xiàn)在就應當正視這個挑戰(zhàn)，并積極應對。專家指出，8英寸晶圓存在材料生長難度大、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，最終的成品器件價格也不會比6英寸便宜多少。因此短期內(nèi)8英寸投入市場，對行業(yè)不會有太大的影響。但從長期來看，隨著技術(shù)的進步，材料生長與切割工藝方面的問題必將被突破，如英飛凌便收購了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格必然會低于6英寸上的芯片價格，同時產(chǎn)能明顯提升。隨著成本下降、產(chǎn)量增加、規(guī)模擴大，進一步推動成本繼續(xù)降低，將形成正向循環(huán)。這樣的循環(huán)一旦形成，對原有產(chǎn)業(yè)格局的影響將是巨大的。

　　目前，我國碳化硅襯底材料領(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、華潤微電子、積塔半導體、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)，如天科合達在2020年啟動了8英寸碳化硅的研發(fā)。合肥露笑科技投資100億元建設碳化硅設備制造、長晶生產(chǎn)、襯底加工、外延制作等，預計其第二期、第三期將推進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。但是，國內(nèi)企業(yè)整體進程仍然落后于國際先進企業(yè)。

　　和巍巍指出，目前市場上碳化硅器件仍然處于缺貨的狀態(tài)。國內(nèi)外碳化硅企業(yè)手上應該都有大把的訂單。在中短期內(nèi)，8英寸晶圓單芯片價格不會比6英寸便宜多少，因此并不會帶來太大的競爭壓力。但以中遠期的目光來看，當國際上8英寸碳化硅的相關(guān)加工技術(shù)完全成熟，成本降下來后，我國以6英寸為主的碳化硅產(chǎn)品將面臨更大的競爭壓力，體現(xiàn)在芯片成本、價格以及供應能力等方面。因此，為應對這樣的挑戰(zhàn)，國內(nèi)器件廠商應與襯底、外延等原材料廠商積極配合，充分整合國內(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)，包括降低芯片導通電阻及芯片面積，提高單晶圓產(chǎn)出。同時整合國內(nèi)供應鏈，利用國產(chǎn)襯底外延材料價格及產(chǎn)能優(yōu)勢，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)化等多個維度全面提升核心競爭力。(記者 陳炳欣)

　　轉(zhuǎn)自：中國電子報

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