碳化硅走向“8英寸”
作者：楊鵬岳 來源：中國電子報、電子信息產業網
作為電力電子變換裝置的“心臟”，碳化硅（SiC）功率器件有望引領未來能源革命。當前，正值碳化硅從6英寸向8英寸轉型升級的過渡期。2024年以來，全球各大廠商紛紛傳來關于8英寸碳化硅的最新進展。業內人士指出，碳化硅從6英寸轉向8英寸是必然趨勢，而8英寸量產將助推碳化硅產品走向規模化應用。
“降本增效”驅動碳化硅“奔8”
隨著大型計算基礎設施運行所需的電能日益增加，全球對高效能電子系統的需求不斷增長，這使得以碳化硅為代表的寬禁帶半導體材料越來越成為市場青睞的“香餑餑”。有關測算顯示，如果全球數據中心的電源和散熱系統均采用碳化硅 MOSFET替代硅MOSFET，所節約下來的能源可以為紐約曼哈頓供電一整年。而在新能源汽車領域，碳化硅器件相比于傳統的IGBT，在相同電池電量下能有效延長6%的續航里程。
不過，碳化硅雖然有著優越的電學和熱學性能，但有限的產能和偏高的成本，成為其步入大規模應用階段的“攔路虎”。因此，產業界為了提高生產效率、降低成本，正在大力推動碳化硅晶圓向更大的尺寸過渡，從當前主流的6英寸向8英寸升級。
深圳基本半導體有限公司總經理和巍巍向《中國電子報》記者表示，與6英寸相比，8英寸碳化硅的優勢主要體現在潛在成本、性能和參數均勻性等方面。
首先是潛在的成本優勢。一方面，在晶圓面積上，8英寸去邊后的可用面積是6英寸的1.83倍。因此晶圓尺寸越大，能切出的芯片越多。以5x5mm尺寸的芯片為例，一張8英寸晶圓實際能切出1080顆芯片，而一張6英寸只能做576顆。另一方面，在工藝成本上，晶圓工藝中大部分是批處理（如清洗、氧化、激活）或者是對一整片同時進行工藝處理。晶圓面積越大，折合到單芯片的工藝成本越低。
其次是性能和參數均勻性的優勢。6英寸碳化硅工藝設備多是基于6英寸硅工藝設備改造而來，受限于設備結構設計，工藝性能和參數均勻性與更先進的8英寸工藝設備存在差距。因此，基于8英寸設備在工藝性能上的提升，廠商能獲得性能更優的芯片。
“8英寸碳化硅量產的最大影響是推動器件最終成本的降低，大約能降低30％乃至更高。”TrendForce集邦咨詢分析師龔瑞驕在接受《中國電子報》記者采訪時強調，這對于汽車市場十分重要，當前碳化硅價格仍然過高，限制其進一步滲透 。
據了解，汽車市場是碳化硅功率器件最主要的應用市場之一，新能源車的主驅逆變器、OBC、DC/DC轉換器以及非車載充電樁等關鍵電驅電控部件都已應用碳化硅器件。目前全球已有超過20家知名汽車廠商在車載充電系統中使用了碳化硅功率器件。TrendForce集邦咨詢預計，到2026年，車用SiC功率元件市場規模將攀升至39.4億美元，在整個SiC功率元件市場占比超70%。未來，隨著碳化硅“降本”，其“增效”作用將逐漸顯現，碳化硅功率器件的應用市場將加速滲透到除汽車之外的光伏發電、智能電網等更多領域。
8英寸之路尚存多道“關卡”
在產業鏈推動下，碳化硅步入8英寸時代是大勢所趨，但其產業化過程并非一蹴而就。那么當前，8英寸碳化硅的發展路上存在的“關卡”有哪些？
從碳化硅的產業鏈結構來看，主要包括襯底、外延、器件設計、晶圓制造、模塊封裝等環節。其中，襯底材料是產業鏈的基礎，外延材料是器件制造的關鍵，而SiC產業鏈約70%的價值量都集中在這兩個環節，后道的器件設計、制造、封測環節占比約30%。從6英寸轉向8英寸，每一個環節都面臨不同的挑戰。
泰科天潤董事長陳彤在近期的演講中指出，襯底環節在升級過程中面臨較大困難，而外延環節相對容易，晶圓制造則存在諸多技術挑戰。這表明，從6英寸到8英寸的升級并非簡單的線性擴展，而是需要克服一系列復雜的技術難題。
和巍巍也向記者分析了8英寸碳化硅在襯底、晶圓、模塊封裝等環節的挑戰。
首先，目前產業鏈上最主要的挑戰還是在襯底端。8英寸襯底有兩個挑戰：其一，無論是傳統氣相法還是液相方法，在制造8英寸晶錠時都還存在問題：傳統PVT法生長襯底擴徑難度較高，且生長效率不高；而如果使用液相法生長襯底，業內又擔心助溶劑帶來的金屬沾污風險。其二，8英寸襯底切割目前有一定的難度。現在6英寸襯底的標準厚度是350μm，而8英寸的厚度通常是500μm，同樣厚度的8英寸晶錠，切割的晶圓片數比6英寸少很多。而如果做350μm，傳統的金剛線切割會有較大的應力問題，需要優化或者采用新型切割方式來克服。
其次，在8英寸晶圓制造方面，需要克服的難題主要是離子注入工藝的低效率。這一點和6英寸是相同的，不過從6英寸切換到8英寸后，由于其他工藝效率的提升，離子注入工藝的低效率問題會更為突出。
另外，在模塊封裝方面，8英寸由于晶圓面積更大，可支持的芯片面積更大。從降低系統成本的角度，廠商會傾向于做更大尺寸的芯片。這樣封裝尤其是做塑封模塊時，熱膨脹系數不匹配帶來的應力問題會更顯著。
而在8英寸外延方面則沒有太大挑戰。業內人士指出，目前國內的SiC襯底和外延技術發展已相對較好，與全球大廠的水平基本接近。
全球廠商“狂趕”進度表
究竟何時8英寸碳化硅應用可以實現規模化普及？有業內人士表示，預計從2026年至2027年開始，6英寸碳化硅產品都將被8英寸產品替代。博世半導體博世智能出行集團中國區董事會高級執行副總裁Norman Roth認為，未來5年，碳化硅晶圓從6英寸向8英寸發展是大勢所趨。
當前，領先的一眾IDM廠商都在積極投資SiC產能擴張計劃，期望建立市場領導地位。從全球范圍來看，SiC的生產主要集中在美國、歐洲和日本，但亞洲廠商也在積極投資SiC生產設施，以滿足本地市場需求。據不完全統計，目前全球已有超過10家廠商正在投資建設8英寸SiC晶圓廠。
2024年以來，8英寸SiC賽道競爭異常激烈，全球產業鏈廠商頻頻傳來最新進展。從8英寸線碳化硅的建線節奏來看，盡管建線周期可以壓縮到18個月，但量產穩定性的不確定性仍然很大，需要企業在追求速度的同時，高度重視質量控制和工藝穩定性。
歐美相關廠商方面，意法半導體5月宣布計劃在意大利南投資50億歐元建造全球首個綜合碳化硅晶圓工廠。該工廠以8英寸工藝為基礎，預計2026年開始生產，并實現8英寸SiC晶圓量產，到2033年達到滿負荷生產。全球最早量產8英寸碳化硅晶圓的廠商Wolfspeed于6月份披露兩項新進展：一是其美國紐約的莫霍克谷8英寸碳化硅芯片工廠已實現20%的晶圓開工利用率；二是其10號樓碳化硅材料工廠已實現其8英寸晶圓的生產目標，預計到2024年年底，可支持莫霍克谷工廠約25%的晶圓開工利用率。
此外，英飛凌在8月正式啟用了居林碳化硅晶圓廠一期工程，該生產基地將幫助英飛凌實現在2030年之前占據全球30% SiC市場份額的目標。安森美則表示計劃于今年晚些時候推出8英寸SiC晶圓，并于2025年投產。
日本方面，日本礙子株式會（NGK）在9月中旬宣布已成功制備出直徑為8英寸的SiC晶圓。日本昭和電工Soitec近期表示已與Resonac Corporation達成8英寸復合型SiC合作開發協議。此外，羅姆半導體決定將宮崎縣的工廠改造為8英寸碳化硅襯底生產基地，預計于2024年正式投產。
中國企業同樣也在積極布局。芯聯集成8英寸碳化硅工程批在4月份順利下線。三安光電在6月份與意法半導體計劃投資32億美元，在重慶共同建設一座新的8英寸碳化硅器件合資制造工廠；9月，重慶三安項目（系8英寸碳化硅襯底配套工廠）實現襯底廠的點亮通線。此外，天岳先進和天科合達均在推進各自的8英寸碳化硅襯底擴產計劃。
關于我國碳化硅行業的發展，陳彤認為，當前碳化硅上8英寸有必要性，但是8英寸要以技術牽引和整合為依據，不能完全以規模為目標。
“8英寸量產后，從整體成本考慮，可能會更傾向使用更大面積的芯片。這樣會使封裝、系統結構大幅簡化。”和巍巍向記者表示，此外諸如柵極電阻、溫度傳感器、電流傳感器也很容易基于8英寸的BEOL工藝集成在碳化硅芯片中，帶來整體系統成本的大幅降低。
展望未來，和巍巍認為，在新能源汽車、光伏逆變這些傳統碳化硅的優勢行業內，由于成本的進一步降低，市場會繼續下沉，占據更高的市場比例。在電網領域，當8英寸量產后，業界將有更多的資本用于解決碳化硅缺陷問題，使電網應用碳化硅成為現實。而在消費電子領域，隨著成本的進一步降低，越來越多的消費電子可以采用碳化硅器件。
此外，近年來碳化硅量子電子器件的發展很迅速。基于碳化硅色心的量子計算、量子傳感等有望在功率半導體應用之外開辟出新的市場應用。
