國(guó)內(nèi)外碳化硅廠家為何死磕8英寸襯底？
硅是半導(dǎo)體行業(yè)的第一代基礎(chǔ)材料，目前全球95%以上的集成電路都是以硅為襯底制造的。不過(guò)，由于轉(zhuǎn)換效率、開(kāi)關(guān)頻率、工作溫度等多方面受限，當(dāng)電壓大于900V時(shí)，要實(shí)現(xiàn)更大的功率，硅基功率MOSFET和IGBT就暴露了出了短板。
隨著電動(dòng)汽車(chē)、5G等應(yīng)用的發(fā)展，高功率、高耐壓、高頻率器件的需求正在快速增長(zhǎng)。第三代半導(dǎo)體的典型代表碳化硅已成為高功率器件的理想材料。
近年來(lái)，包括碳化硅在內(nèi)的功率半導(dǎo)體市場(chǎng)并沒(méi)有因整個(gè)半導(dǎo)體行業(yè)的周期性下行而出現(xiàn)絲毫頹勢(shì)，反而逆市上揚(yáng)，發(fā)布新產(chǎn)品的、投資的、擴(kuò)大產(chǎn)能的動(dòng)作比比皆是，目的不外一個(gè)：降本增效。怎么做到？
更快商用需要降本增效
從整個(gè)碳化硅行業(yè)情況來(lái)看，盡管全球碳化硅器件市場(chǎng)已經(jīng)初具規(guī)模，但碳化硅單晶和外延材料價(jià)格居高不下，目前6英寸碳化硅襯底零售價(jià)為750～900美元，8英寸售價(jià)為1300～1800美元；材料缺陷問(wèn)題仍未完全解決，高壓碳化硅器件工藝不夠成熟，封裝無(wú)法滿足高頻、高溫應(yīng)用需求等。
碳化硅外延材料的最基本參數(shù)也是最關(guān)鍵參數(shù)是其厚度和摻雜濃度均勻性。幾年前，德國(guó)半導(dǎo)體設(shè)備制造商愛(ài)思強(qiáng)（AIXTRON）對(duì)設(shè)備進(jìn)行了升級(jí)改造，將TCS（三氯氫硅）技術(shù)移植到商業(yè)設(shè)備中，以實(shí)現(xiàn)達(dá)到傳統(tǒng)方法10倍以上的生長(zhǎng)速率。
事實(shí)上，碳化硅外延中的缺陷要比其他晶體更多，包括擴(kuò)展缺陷（微管、貫穿型螺位錯(cuò)（TSD）、刃型位錯(cuò)（TED）和基平面位錯(cuò)（BPD））、外延生長(zhǎng)期間的位錯(cuò)以及產(chǎn)生的宏觀缺陷（三角形缺陷、胡蘿卜缺陷、生長(zhǎng)的堆垛層錯(cuò)和顆粒）等。這些缺陷大部分都是從襯底中直接復(fù)制過(guò)來(lái)的。這些襯底缺陷在主要來(lái)源于晶錠，當(dāng)然也包括襯底研磨和拋光工藝。而降本增效單憑外延制造難以實(shí)現(xiàn)，還需要在材料端有所突破。
碳化硅單晶材料尺寸是關(guān)鍵
雖然都是晶錠，但通常人們都把硅晶錠叫做硅棒，而把碳化硅叫做塊晶。這是因?yàn)楣杈уV的厚度（高度）要比其直徑長(zhǎng)很多，像一根棒，而碳化硅晶錠就像一張餅，其厚度比直徑小很多。
不管是硅還是碳化硅，人們一直在謀求將晶錠的直徑做大，目的是為了切割出直徑比較大的晶圓，在上面做出更多芯片。同理，如果能把晶錠的厚度（或高度）做大，那么每個(gè)晶錠切割出來(lái)的晶圓片就會(huì)相應(yīng)增加。對(duì)硅來(lái)說(shuō)，這不算什么問(wèn)題，但要把碳化硅晶錠厚度做到和硅一樣是不可能的。所以，半導(dǎo)體行業(yè)的主攻方向還是想把當(dāng)前主流6英寸晶圓擴(kuò)大到8英寸，而在晶體生長(zhǎng)厚度方面雖然也有進(jìn)展，但還是有很長(zhǎng)的路要走。
碳化硅從2英寸到4英寸、6英寸再到8英寸，基本上是在遵循硅的發(fā)展路線演進(jìn)。在直徑方面，碳化硅和硅相差不大。但在晶體厚度方面，由于碳化硅生長(zhǎng)工藝技術(shù)難度非常大，不能用傳統(tǒng)的硅晶錠生長(zhǎng)工藝來(lái)實(shí)現(xiàn)滿足使用要求的晶錠厚度。
碳化硅襯底，遠(yuǎn)比你想象的難做
SiC 產(chǎn)業(yè)鏈主要包括襯底、外延、器件制造、封測(cè)等環(huán)節(jié)。SiC 襯底是晶圓成本中占比最大的一項(xiàng)。由于SiC襯底加工環(huán)節(jié)復(fù)雜、耗時(shí)，所以其在整個(gè) SiC 晶圓中所占成本比例最高，其在成本中的占比高達(dá)47%。
Wolfspeed在 SiC 襯底一家獨(dú)大，而 II-VI 和 SiCrystal 位居第二梯隊(duì)，有 10%多的市場(chǎng)份額。接下來(lái)的廠商包括 SK Siltron（5%）以及天科合達(dá)（4%），其他的中國(guó)公司甚至沒(méi)有上榜。
碳化硅襯底還是典型的資本密集型行業(yè)，長(zhǎng)晶過(guò)程需要大量的長(zhǎng)晶爐。碳化硅長(zhǎng)的實(shí)在是太慢，一個(gè)月才能長(zhǎng)2cm，一臺(tái)爐子一年只能長(zhǎng)400-500片。當(dāng)然這還是理想情況下的數(shù)據(jù)，根據(jù)天岳先進(jìn)（688234）《招股書(shū)》，其2021 年其長(zhǎng)晶爐的單臺(tái)年產(chǎn)能在也才115片。一臺(tái)爐子也不便宜，大約需要150萬(wàn)元。因此，碳化硅也是個(gè)十足的燒錢(qián)玩意，一般小戶人家根本承受不起。
碳化硅襯底尺寸越大、良率越高，其單位成本就越低。當(dāng)前國(guó)內(nèi)SiC襯底的主流尺寸為4或6英寸，而Wolfspeed早已實(shí)現(xiàn)8英寸襯底的量產(chǎn)。擴(kuò)徑有著極高的技術(shù)壁壘，不同尺寸的SiC襯底之間有大約5年的差距，鑒于國(guó)內(nèi)大多數(shù)廠商連6英寸都沒(méi)有搞明白，良率也普遍較差，因此國(guó)內(nèi)外的技術(shù)差距大約在7年以上。
8英寸是國(guó)產(chǎn)碳化硅設(shè)備商的機(jī)遇期
參考硅晶圓尺寸發(fā)展歷程，我們認(rèn)為 8 英寸襯底將是邊際成本遞減的拐 點(diǎn)尺寸。將硅晶圓尺寸擴(kuò)大至 18 英寸后所需的研發(fā)支出和固定資產(chǎn)投 入將大幅提升，帶來(lái)的產(chǎn)品單位成本降幅有限，廠商擴(kuò)徑動(dòng)力有限。參 考半導(dǎo)體晶圓的發(fā)展歷程，我們認(rèn)為 8 英寸將是碳化硅襯底的主流尺寸， 未來(lái)繼續(xù)擴(kuò)徑動(dòng)力有限。相較于 6 英寸襯底，8 英寸襯底的經(jīng)濟(jì)性更高，將成為主流襯底尺寸。根據(jù) Wolfspeed 數(shù)據(jù)，從 6 英寸升級(jí)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(shí) 8 英寸襯底厚度增加有助 于在加工時(shí)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%。目前全球碳化硅 襯底主流尺寸為 6 英寸，正在向 8 英寸襯底過(guò)渡中，國(guó)內(nèi)碳化硅襯底主 流尺寸則為 4 英寸并向 6 英寸襯底過(guò)渡。
8 英寸是國(guó)內(nèi)廠商實(shí)現(xiàn)彎道超車(chē)的機(jī)會(huì)。目前 8 英寸襯底的經(jīng)濟(jì)性已經(jīng) 跑通，Wolfspeed、Rohm 和英飛凌等海外頭部廠商的 8 英寸襯底項(xiàng)目已 啟用或在建設(shè)中。主流襯底尺寸將從 6 英寸切換到 8 英寸的行業(yè)趨勢(shì)已 較為明確，在這種情況下如果國(guó)內(nèi)設(shè)備廠商仍大幅提升 6 英寸襯底設(shè)備 產(chǎn)能將面臨“投產(chǎn)即落后”的問(wèn)題，我們認(rèn)為設(shè)備廠商在本階段應(yīng)該重 點(diǎn)突破和布局 8 英寸襯底設(shè)備產(chǎn)能，以實(shí)現(xiàn)彎道超車(chē)。
國(guó)內(nèi)廠商仍著力于提升 6 英寸襯底產(chǎn)能，8 英寸產(chǎn)能落地仍需一定時(shí)間。 國(guó)內(nèi)廠商現(xiàn)有 6 英寸襯底產(chǎn)能約為 15 萬(wàn)片，天岳先進(jìn)、東尼電子、露 笑科技等廠商積極開(kāi)展拓產(chǎn)項(xiàng)目，根據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，現(xiàn)有國(guó)內(nèi)廠商規(guī)劃產(chǎn)能投產(chǎn)后總產(chǎn)能將超過(guò) 200 萬(wàn)片/年。但目前國(guó)內(nèi)廠商在 8 英寸碳化硅 襯底方面較海外廠商仍存在較大差距，現(xiàn)有產(chǎn)能尚處于實(shí)驗(yàn)室階段。
2025 年全球碳化硅襯底仍有 218 萬(wàn)片的缺口。Wolfspeed、Coherent 和 Rohm 的襯底綜合良率分別為 70%/60%/60%左右，并預(yù)計(jì)在 2023-2025 年內(nèi)維持該良率水平。目前國(guó)內(nèi)碳化硅廠商的平均綜合良率約為 40%， 隨著襯底制備技術(shù)的逐漸成熟，市場(chǎng)預(yù)計(jì) 2025 年綜合良率可以提升至 50%。根據(jù)上述現(xiàn)有產(chǎn)能數(shù)據(jù)以及未來(lái)產(chǎn)能規(guī)劃，我們預(yù)計(jì)全球碳化硅 襯底有效產(chǎn)能將從 2022 年的 65 萬(wàn)片提升至 2025 年 405 萬(wàn)片，因此 2025 年將存在 272 萬(wàn)片的產(chǎn)能缺口。
2024年，達(dá)摩克利斯之劍落下的時(shí)刻
近幾年碳化硅行業(yè)大火，海內(nèi)外公司連滾帶爬往前沖。速度之快，已經(jīng)不能用CAGR（年復(fù)合增長(zhǎng)率）來(lái)表述，只能用倍來(lái)描述。Wolfspeed預(yù)計(jì)在2024年前產(chǎn)能擴(kuò)充30倍；Rohm預(yù)計(jì)在2024年前產(chǎn)能擴(kuò)充5倍（計(jì)劃在2025年3月前投資35.8億人民幣，提升產(chǎn)能16倍）；II-VI計(jì)劃產(chǎn)能擴(kuò)充5-10倍；住友電工4英寸GaN-on-SiC產(chǎn)線2020年產(chǎn)能較2017年擴(kuò)大10倍。
而這其中最讓人震撼的當(dāng)然是Wolfspeed。Wolfspeed的8英寸SiC襯底已于2019年研發(fā)成功，2021年左右投產(chǎn)，有報(bào)道稱計(jì)劃于2024年將產(chǎn)能達(dá)到驚人的年產(chǎn)600萬(wàn)片。鑒于2020年全球SiC總產(chǎn)能才約40萬(wàn)片，新能源車(chē)的需求再?gòu)?qiáng)勁，也不能兩年翻十幾倍吧？可以預(yù)見(jiàn)的是，如果Woofspeed達(dá)產(chǎn)順利，SiC行業(yè)就會(huì)被瞬間抽成真空，更不要說(shuō)還有Rohm、II-VI這些二線龍頭。
我們?cè)賮?lái)看一下國(guó)內(nèi)公司的情況。
露笑科技2022年7月披露，其SiC目前已經(jīng)形成1000片/月的生產(chǎn)能力，良率約50%，預(yù)計(jì)到2022年底可以實(shí)現(xiàn)5000 片/月的碳化硅襯底片供貨能力，折算下來(lái)一年也才6萬(wàn)片。
天岳先進(jìn)在上海投資建設(shè)的6英寸導(dǎo)電型碳化硅襯底材料預(yù)計(jì)將于2022年三季度投產(chǎn)，2026年才能滿產(chǎn)。
天科合達(dá)投資9.5億新建的第三代半導(dǎo)體碳化硅襯底產(chǎn)業(yè)化基地建設(shè)項(xiàng)目計(jì)劃于 2022 年年初完工投產(chǎn)，但現(xiàn)在依然查不到該項(xiàng)目投產(chǎn)的相關(guān)報(bào)道。
三安光電2022年6月20日回復(fù)投資者，公司全資子公司湖南三安現(xiàn)有碳化硅產(chǎn)能3,000片/月已投片生產(chǎn)，目前也就這么多產(chǎn)能。
東尼電子則在2022年8月的調(diào)研中回復(fù)，公司剛剛切換了碳化硅的生產(chǎn)路線，其碳化硅項(xiàng)目一直到2023年12月才能投產(chǎn)。
我們可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)前A股的碳化硅標(biāo)的，要不產(chǎn)能還停留在每個(gè)月幾千片的水平，要不還在艱難的產(chǎn)能爬坡和提升良率之中，這個(gè)過(guò)程可能還要5年以上。有些才剛剛開(kāi)工，甚至剛剛更換了技術(shù)路線。和滾滾而來(lái)的百萬(wàn)片級(jí)別的新產(chǎn)能相比，套用《三國(guó)演義》中的一句話，簡(jiǎn)直是“諒腐草之螢光，怎及天心之皓月”。
剛才已經(jīng)說(shuō)過(guò)，碳化硅行業(yè)是資本密集型的，三安光電等上市公司尚可以從資本市場(chǎng)獲得融資，未上市的公司恐怕更是艱難。
