近日集邦咨詢發(fā)布報告，2023年中國正邁向8英寸SiC襯底，多家企業(yè)正在推進8英寸碳化硅（SiC）襯底的開發(fā)。
同時業(yè)內(nèi)人士也將2023年稱為“8英寸SiC元年”。在這一年，國際功率半導體巨頭紛紛加快對8英寸碳化硅的研發(fā)應用步伐，如Wolfspeed更是瘋狂的投入資金擴張?zhí)蓟璁a(chǎn)能，包括客戶投入的約83億美元，還有美國芯片法案支持的50億美元資金，最后不夠甚至還借貸了12.5億美元，而擴產(chǎn)的重要部分就是建設8英寸SiC襯底制造工廠，保障未來對多家企業(yè)的200毫米SiC裸片供應。
國內(nèi)8英寸碳化硅也有了突破性的進展，涵蓋了設備、襯底及外延等上下游環(huán)節(jié)，如天岳先進和天科合達都在今年5月，與英飛凌簽訂了長期協(xié)議，未來將制備供應8英寸碳化硅襯底，幫助英飛凌向200毫米直徑晶圓的過渡；設備方面，晶升股份實現(xiàn)了8英寸碳化硅長晶設備的批量生產(chǎn)，晶盛機電、納設智能成功研制8英寸碳化硅外延生長設備，總總跡象表明，8英寸碳化硅的時代比我們想象中來的更早。
8英寸襯底的到來，對碳化硅行業(yè)來說是一個新的里程碑，不僅能很大程度上緩解目前碳化硅襯底產(chǎn)能低、價格高的困境，還能為碳化硅功率器件應用開辟新的可能性，并為相關企業(yè)帶來新的發(fā)展契機。
8英寸襯底實現(xiàn)碳化硅降本增產(chǎn)
成本高是目前碳化硅器件應用的主要問題，以特斯拉Model3為例，其主驅(qū)動逆變器采用的48個碳化硅MOSFET，成本就達5000元，是傳統(tǒng)方案硅基IGBT的3-5倍，今年3月，馬斯克直接喊話要減少75%的碳化硅用量，一大原因就是難以承受如此高的價格。
從產(chǎn)業(yè)鏈結構上看，碳化硅器件的成本主要由襯底、外延、流片和封測等環(huán)節(jié)形成，其中襯底在總成本中占比高達45%，因此想要降本首要就在碳化硅襯底。
碳化硅襯底的生產(chǎn)成本如此高昂，在于其制備工藝難度大，長晶環(huán)節(jié)需要在高溫、真空環(huán)境中進行，對溫場穩(wěn)定性要求高，并且其生長速度還比硅材料緩慢許多，產(chǎn)品的良品率也難以提升，這一系列因素導致碳化硅襯底生產(chǎn)成本居高不下。
業(yè)內(nèi)認為，通過進一步擴大碳化硅襯底尺寸，來增加單個襯底上可制造芯片的數(shù)量，是降低成本的有效方式，從數(shù)據(jù)來看，8英寸碳化硅襯底比6英寸，在降低器件單位成本、增加產(chǎn)能供應方面擁有明顯優(yōu)勢。
圖源：山東天岳先進科技股份有限公司
Wolfspeed數(shù)據(jù)顯示，從6英寸升級到8英寸，襯底的加工成本有所增加，但合格芯片產(chǎn)量可以增加 80%-90%；同時8英寸襯底厚度增加有助于在加工時保持幾何形狀、減少邊緣翹曲度，降低缺陷密度，從而提升良率，采用8英寸襯底可以將單位綜合成本降低50%。
集邦咨詢報告也顯示，目前碳化硅產(chǎn)業(yè)以6英寸為主流，占據(jù)近80%市場份額，8英寸則不到1％。8英寸的晶圓尺寸擴展，是進一步降低碳化硅器件成本的關鍵，若達到成熟階段，8英寸單片的售價約為6英寸的1.5倍，而8英寸能夠生產(chǎn)的晶粒數(shù)約為6英寸SiC晶圓的1.8倍，晶圓利用率顯著提高。
顯然，6英寸碳化硅襯底向8英寸擴徑已是行業(yè)明確的趨勢，Wolfspeed預計到2024年，8英寸襯底帶來的單位芯片成本相較于2022年6英寸襯底的單位芯片成本降低超過60%，成本的下降將進一步打開應用市場，集邦咨詢研究數(shù)據(jù)指出，目前8英寸的產(chǎn)品市占率不到2%，預計到2026年市場份額將增長到15%左右。
電動汽車碳化硅市場將大幅增長
在“碳達峰碳中和”的大背景下，未來電動汽車數(shù)量將持續(xù)增長，以2018年到2022年的數(shù)據(jù)作為參考，到2030年，全球電動汽車在輕型汽車市場的份額將增長3.8倍，從約1700萬輛增至6400萬輛。
碳化硅器件對于電動汽車來說擁有極高的適應性，應用于電驅(qū)電控系統(tǒng)中，可有效降低開關損耗，提高系統(tǒng)工作效率，并能顯著降低電力電子系統(tǒng)的體積、重量，能提高電動汽車續(xù)航里程達10%左右，目前各大主流新能源汽車廠商都在積極布局碳化硅車型。
據(jù)集邦咨詢數(shù)據(jù)統(tǒng)計，2023年整體SiC功率器件市場規(guī)模達22.8億美元，增長率達41.4%，預計2026年SiC功率器件市場規(guī)模有望達53.3億美元，其中車用SiC功率器件市場規(guī)模將攀升至39.8億美元，市場占比超過70%，可見電動汽車對碳化硅器件來說是一個極大的機遇。
圖源：集邦咨詢
此外，如今電動汽車高壓快充車型發(fā)展如火如荼，不管是造車新勢力還是傳統(tǒng)車企，都紛紛推出了支持800V高壓快充的車型，據(jù)不完全統(tǒng)計，已有超過20家汽車品牌或計劃或已經(jīng)推出了800V高壓平臺，比較知名的有比亞迪e平臺3.0、小鵬扶搖架構、吉利SEA浩瀚架構等。
高壓快充不管是對汽車本身的零部件質(zhì)量，還是對充電樁設備的高效性和安全性，都提出了更高的要求和挑戰(zhàn)，傳統(tǒng)的IGBT等器件很難滿足要求，而碳化硅器件卻能有效解決充電樁設備亟需的更耐高壓、耐高溫、安全的新型器件的痛點，以碳化硅替代可謂勢在必行。
目前，無論是在電動汽車還是充電樁市場，碳化硅的應用都還處于起步階段，滲透率較低，不過在高續(xù)航以及超快充需求的大背景下，碳化硅加速應用的趨勢越發(fā)顯著，需求有望持續(xù)增長，而當前的主要妨礙依然是碳化硅產(chǎn)能的不足與高昂的價格，由此8英寸碳化硅襯底的到來就顯得更為重要了。
國產(chǎn)企業(yè)搶抓8英寸碳化硅機遇
目前全球8英寸碳化硅襯底還處于起步階段，只有Wolfspeed實現(xiàn)了大規(guī)模供貨，而英飛凌、羅姆、ST等大廠則在加快批量生產(chǎn)。據(jù)麥肯錫分析，8英寸碳化硅襯底的批量生產(chǎn)預計將于2024年和2025年開始，屆時行業(yè)領先的制造商將陸續(xù)投產(chǎn)，此后8英寸晶圓的產(chǎn)量也將迅速攀升，到2030年有望達到50%的市場滲透率。
國內(nèi)碳化硅襯底市場，總體處于4英寸逐漸退出，6英寸加速實現(xiàn)量產(chǎn)的狀態(tài)，而8英寸則基本都還在研發(fā)驗證階段，尚未實現(xiàn)量產(chǎn)或僅小規(guī)模量產(chǎn)，領先布局的企業(yè)包括三安光電、天岳先進、天科合達等，設備上有晶升股份、晶盛機電等獲得突破。
今年10月，三安光電宣布，旗下子公司湖南三安8英寸碳化硅襯底已完成開發(fā)，產(chǎn)品進入小批量生產(chǎn)及送樣階段。據(jù)介紹，湖南三安依托精準熱場控制的自主PVT工藝，8英寸碳化硅襯底實現(xiàn)更低成本及更低缺陷密度，后續(xù)將持續(xù)提升良率，加快設備調(diào)試與工藝優(yōu)化，并持續(xù)推進湖南與重慶工廠量產(chǎn)進程。
天岳先進則表示，公司在8英寸碳化硅襯底上已經(jīng)具備量產(chǎn)能力，可以根據(jù)下游客戶需求情況合理規(guī)劃產(chǎn)品產(chǎn)銷安排。在今年的Semicon China展會上，天岳先進公布了業(yè)內(nèi)首創(chuàng)的采用液相法制備出了低缺陷的8英寸晶體，通過熱場、溶液設計和工藝創(chuàng)新，突破了碳化硅單晶高質(zhì)量生長界面控制和缺陷控制難題。今年5月，天岳先進與英飛凌簽訂了一項新的晶圓和晶錠供應協(xié)議，供貨碳化硅6英寸襯底、合作制備8英寸襯底。
圖源：天岳先進
還有天科合達在去年年底發(fā)布了8英寸導電型碳化硅襯底產(chǎn)品，并宣布將于今年內(nèi)實現(xiàn)8英寸導電型碳化硅襯底小規(guī)模量產(chǎn)，同樣在今年5月，天科合達與英飛凌簽署長期協(xié)議，天科合達將提供200毫米（8英寸）直徑碳化硅材料，幫助英飛凌向200毫米直徑晶圓的過渡。
圖源：晶盛機電
長期來看，隨著碳化硅襯底從6英寸到8英寸，大尺寸新產(chǎn)品帶來的規(guī)?；獙苿右r底成本的下降，國產(chǎn)碳化硅企業(yè)想要實現(xiàn)突圍，也要緊跟時代，實現(xiàn)規(guī)?；a(chǎn)及應用，才有足夠的市場競爭力，目前來看，國產(chǎn)8英寸碳化硅襯底將在2025年左右起量，雖晚于國外但未有太大差距，有望趕上碳化硅市場的發(fā)展機遇。
不過8英寸的碳化硅襯底，與6英寸的制造工藝有不小的差別，存在很多新的技術難點，比如8英寸籽晶的研制、大尺寸帶來的溫場不均勻、氣相原料分布和輸運效率問題，以及高溫生長晶體內(nèi)部應力加大導致開裂等，想要順利發(fā)展，還需要產(chǎn)業(yè)上下游緊密協(xié)作，共同來攻克技術難題。
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原文始發(fā)于微信公眾號（艾邦半導體網(wǎng)）：中國8英寸碳化硅時代來臨！襯底、設備已取得重大突破