SiC市場“蓄勢待發(fā)”，哪些裝備耗材還在被卡脖子？
TechInsights 表示，碳化硅市場收益在 2022 年至 2027 年期間將以 35% 的復(fù)合年增長率從 12 億美元增長到 53 億美元（當(dāng)前約 364.11 億元人民幣）。到 2029 年，該市場規(guī)模將增長到 94 億美元（當(dāng)前約 645.78 億元人民幣），其中中國將占一半。
報(bào)告指出，近年來，中國半導(dǎo)體企業(yè)在開發(fā)和生產(chǎn)碳化硅半導(dǎo)體產(chǎn)品方面取得了重大進(jìn)展，且應(yīng)用范圍廣泛，這包括了汽車行業(yè)。
SiC市場“蓄勢待發(fā)”
業(yè)內(nèi)普遍認(rèn)為，碳化硅功率器件在新能源汽車領(lǐng)域具有顯著的性能等優(yōu)勢，在主逆變器里，采用碳化硅MOSFET可提高約5%的系統(tǒng)效率。
斯達(dá)半導(dǎo)董事長沈華接受采訪也曾表示，主逆變器采用碳化硅讓整車廠有了兩個(gè)選擇：一是采用相同電池容量，續(xù)航里程可提升5%；二是設(shè)計(jì)相同的續(xù)航里程，但電池容量可減少5%。
目前，各大供應(yīng)商以及整車廠正圍繞800V架構(gòu)對電驅(qū)系統(tǒng)中的零部件進(jìn)行迭代更新。而碳化硅的崛起，與電動(dòng)汽車的800V高壓平臺(tái)系統(tǒng)算是「絕配」。在800V高壓平臺(tái)火熱的趨勢下，據(jù)行業(yè)預(yù)測，未來幾年SiC功率元器件將隨著800V平臺(tái)的大規(guī)模上車進(jìn)入快速爆發(fā)階段。
2022年，斯達(dá)半導(dǎo)體的SiC MOS模塊開始在新能源車主驅(qū)上大批量裝車，隨著小鵬G9逐步起量，SiC出貨量將不斷增長，公司新增多個(gè)800V的項(xiàng)目定點(diǎn)。斯達(dá)今日業(yè)績說明會(huì)上表示：預(yù)計(jì)公司自主芯片的車規(guī)級SiC MOS模塊將于23年向主電機(jī)控制器客戶批量供貨，為SiC MOS模塊營收增長提供推動(dòng)力。
國產(chǎn)SiC芯片主驅(qū)批量應(yīng)用已“箭在弦上”
2022年國產(chǎn)SiC MOSFET 推出迅速。據(jù)CASA數(shù)據(jù)，國內(nèi)至少有14家企業(yè)推出多款 SiC MOSFET產(chǎn)品，雖用于主驅(qū)應(yīng)用的mos產(chǎn)品仍屈指可數(shù)。五十五所、清純半導(dǎo)體、士蘭微、瞻芯、愛仕特等公司也已經(jīng)開始給主驅(qū)送樣測試。
日前，一汽對外發(fā)文稱，公司首款電驅(qū)用750V碳化硅功率芯片已于4月10日完成樣品流片，正式進(jìn)入產(chǎn)品級測試階段。
根據(jù)報(bào)道，紅旗功率電子開發(fā)部聯(lián)合中電科55所，從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、工藝技術(shù)、材料應(yīng)用維度開展技術(shù)攻關(guān)，使得該芯片比導(dǎo)通電阻達(dá)到2.15mΩ·cm2，最高工作結(jié)溫175℃，達(dá)到國際先進(jìn)水平。
SiC裝備耗材國產(chǎn)率提升
關(guān)鍵環(huán)節(jié)仍被卡脖子
SiC半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的鏈條非常長，涉及粉料制備、單晶生長、晶體加工、外延生長、器件制造和封裝測試等，各個(gè)環(huán)節(jié)的專業(yè)性要求都非常強(qiáng)，同時(shí)對技術(shù)和資本投入的要求也很高。
SiC產(chǎn)業(yè)各環(huán)節(jié)的技術(shù)水平很大程度上受到關(guān)鍵裝備和相關(guān)耗材直接影響，在過去很長一段時(shí)間內(nèi)，國內(nèi)SiC產(chǎn)業(yè)嚴(yán)重依賴進(jìn)口裝備和耗材，國內(nèi)企業(yè)起步較晚。
近年來，在市場的需求拉動(dòng)下，國產(chǎn)SiC裝備和關(guān)鍵耗材發(fā)展迅速，部分“卡脖子”現(xiàn)象得到明顯緩解，但許多關(guān)鍵瓶頸有待過關(guān)邁坎。接下來，“行家說三代半”將逐一分析主要SiC產(chǎn)業(yè)環(huán)節(jié)的國產(chǎn)化進(jìn)展。
長晶設(shè)備——自主化程度最高
高質(zhì)量的SiC單晶制備是整個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈最為重要的一環(huán)，它直接影響了SiC器件的性能、可靠性和制造成本。
早期，國內(nèi)主要的SiC單晶生長企業(yè)通常都需要自行開發(fā)和制造SiC單晶生長設(shè)備，而近年來，北方華創(chuàng)、恒普科技、中電科2所和優(yōu)晶光電等第三方設(shè)備企業(yè)崛起，為SiC產(chǎn)業(yè)提供了豐富且高質(zhì)量的長晶爐設(shè)備，從整個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈條來看，長晶設(shè)備是目前SiC國產(chǎn)化程度最高的環(huán)節(jié)。
以恒普科技為例，2022年推出了2款感應(yīng)式SiC晶體??爐和新一代2.0版SiC電阻式晶體生長爐，以【軸徑分離】為核心技術(shù)，與【新工藝】 組合，突破性地解決晶體“長大、長快、長厚”的行業(yè)核心難點(diǎn)。
同時(shí)，恒普科技提供一個(gè)創(chuàng)新的解決方案，能夠一次性將6英寸SiC晶體擴(kuò)到8英寸，為行業(yè)提供一種新的思路，推進(jìn)國內(nèi)8英寸SiC襯底的國際競爭力。
石墨、涂層技術(shù)有新突破
SiC晶體生長系統(tǒng)主要由石墨坩堝、籽晶和SiC粉料等組成，其中等靜壓石墨耗材成本占比非常高。
根據(jù)某SiC企業(yè)財(cái)報(bào)，其2021年的生產(chǎn)成本支出中，石墨件成本占比為45.21%，石墨氈占比為41.32%，合計(jì)占比高達(dá)86.53%，相比之下，碳粉、硅粉分別僅為0.97%、1.99%。
目前，國內(nèi)生產(chǎn)的等靜壓石墨質(zhì)量參差不齊且生產(chǎn)率低，因此高度依賴日本、德國等進(jìn)口產(chǎn)品，由于國外石墨企業(yè)不輕易擴(kuò)產(chǎn)，導(dǎo)致國內(nèi)SiC企業(yè)的擴(kuò)產(chǎn)受到影響。某上市公司去年對外表示，他們原本計(jì)劃加快SiC襯底擴(kuò)產(chǎn)速度，但受一些輔料耗材進(jìn)口方面的影響，預(yù)計(jì)2022年7 月份大概能出產(chǎn) 500-1000片。
此外，在SiC長晶爐內(nèi)增加多孔石墨板是業(yè)界研究的熱點(diǎn)之一，對SiC長晶良率和厚度的提升效果非常突出，但也高度依賴進(jìn)口。2022年，恒普科技率先實(shí)現(xiàn)了多孔石墨板技術(shù)突破，并達(dá)到國際領(lǐng)先水平，解決關(guān)鍵材料國產(chǎn)化問題，有助于提升國產(chǎn)SiC襯底的競爭力。
石墨坩堝的純凈度和雜質(zhì)多，對SiC長晶的成本高和產(chǎn)品良品率有直接的影響，因此為了提升坩堝的耐化學(xué)腐蝕性能和使用壽命，通常必須使用SiC或TaC等新涂層材料。過去，涂層石墨技術(shù)也高度依賴進(jìn)口，近年來，志橙半導(dǎo)體等企業(yè)迅速成長，使得國內(nèi)SiC企業(yè)有了更多的產(chǎn)品選擇。
相比，裸石墨或SiC涂層石墨，TaC涂層石墨可在2600°高溫下穩(wěn)定使用，與眾多金屬元素不反應(yīng)，能顯著提高工藝過程中對溫度和雜質(zhì)的控制。TaC涂層是解決SiC晶體邊緣缺陷問題，提高晶體生長質(zhì)量，是“長快、長厚、長大”的核心技術(shù)方向之一。為了推動(dòng)行業(yè)技術(shù)發(fā)展，解決關(guān)鍵材料進(jìn)口依賴，2022年恒普科技突破性解決了碳化鉭涂層技術(shù)開發(fā)，相關(guān)產(chǎn)品達(dá)到了國際先進(jìn)水平。
國產(chǎn)外延設(shè)備崛起，擺脫寡頭格局
與硅器件不同，SiC器件需要在SiC襯底上沉積生長外延膜，利用外延膜生產(chǎn)器件, 因此SiC外延設(shè)備在產(chǎn)業(yè)鏈中處于承上啟下的重要位置，其中，CVD技術(shù)是目前已經(jīng)廣泛商業(yè)化采用的SiC外延技術(shù)。
早期，國內(nèi)SiC外延設(shè)備研制基礎(chǔ)非常薄弱，僅中電科48所、中科院半導(dǎo)體所、西安電子科技大學(xué)等少數(shù)單位具備相應(yīng)的研制基礎(chǔ)。因此，SiC外延設(shè)備市場長期處于呈寡頭競爭狀態(tài)，國內(nèi)企業(yè)主要購買愛思強(qiáng)、LPE、TEL和Nuflare等設(shè)備。
隨著國內(nèi)SiC產(chǎn)業(yè)的蓬勃發(fā)展，國產(chǎn)SiC外延設(shè)備的開發(fā)和產(chǎn)業(yè)化日益迫切。根據(jù)《2022碳化硅（SiC）產(chǎn)業(yè)調(diào)研白皮書》，經(jīng)過過去20多年設(shè)備研發(fā)積累, 中電科48所、北方華創(chuàng)、納設(shè)、芯三代、晶盛機(jī)電和季華實(shí)驗(yàn)室等國產(chǎn)設(shè)備企業(yè)已研制出4-6吋SiC外延生長設(shè)備，并且在成膜質(zhì)量、生產(chǎn)率、穩(wěn)定性、重復(fù)性和運(yùn)行維護(hù)性等指標(biāo)上實(shí)現(xiàn)了突破，縮短了與國外設(shè)備之間的差距，部分國內(nèi)企業(yè)已經(jīng)逐步進(jìn)入了SiC外延設(shè)備行業(yè)第一陣營，設(shè)備出貨量和訂單量實(shí)現(xiàn)了百臺(tái)級的突破，有力地支撐了國產(chǎn)碳化硅外延的大規(guī)模量產(chǎn)。
晶圓設(shè)備逐個(gè)攻破，連點(diǎn)成線
除了SiC襯底外，晶圓制造難是國產(chǎn)SiC MOSFET尚未應(yīng)用于主驅(qū)的關(guān)鍵所在，未來國產(chǎn)SiC芯片擴(kuò)產(chǎn)也會(huì)受到關(guān)鍵設(shè)備的牽制。
從設(shè)備來看，SiC器件產(chǎn)線的大部分設(shè)備與傳統(tǒng)硅的生產(chǎn)設(shè)備相同，但由于SiC材料硬度高、熔點(diǎn)高等特性，需要一些特殊的生產(chǎn)設(shè)備與工藝——包括高溫退火爐、高溫離子注入機(jī)、SiC減薄設(shè)備、背面金屬沉積設(shè)備、背面激光退火設(shè)備、SiC襯底和外延片表面缺陷檢測和計(jì)量設(shè)備等。
高溫離子注入機(jī)方面，國外主要廠商包括愛發(fā)科、應(yīng)用材料和NISSIN等，目前，國內(nèi)企業(yè)中只有爍科中科信的離子注入機(jī)在碳化硅領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)了批量應(yīng)用，設(shè)備注入能量、束流大小、注入晶片溫度等技術(shù)指標(biāo)與國外相差不大。
離子注入后仍需進(jìn)行高溫退火，才可以激活注入離子。高溫退火爐國外主要廠商主要包括昇先創(chuàng)Centrothcrm、日本真空等。目前，中電科48所、北方華創(chuàng)等國內(nèi)企業(yè)已量產(chǎn)了相關(guān)設(shè)備。
制備SiC器件的柵極氧化層需要高溫氧化爐。國外主要廠商包括昇先創(chuàng)Centrotherm、東橫化學(xué)等，當(dāng)前中電科48所、北方華創(chuàng)等國內(nèi)企業(yè)的設(shè)備也能夠用于生產(chǎn)碳化硅器件。
據(jù)《2022碳化硅（SiC）產(chǎn)業(yè)調(diào)研白皮書》，除了碳化硅外延、離子注入、高溫氧化/激活等碳化硅專用裝備外，華卓精科等國內(nèi)企業(yè)在激光退火、激光劃片、PVD等關(guān)鍵設(shè)備方面也實(shí)現(xiàn)了批量供貨，設(shè)備市場占有率穩(wěn)步提升。
總的來說，SiC器件產(chǎn)線國產(chǎn)設(shè)備開始連點(diǎn)成線，有助于進(jìn)一步推動(dòng)國產(chǎn)碳化硅芯片的高速發(fā)展。
