近日，半導(dǎo)體行業(yè)盛會(huì)——SEMICON China 2024在上海新國(guó)際博覽中心舉行，60多家碳化硅產(chǎn)業(yè)鏈上公司參展，覆蓋了MOCVD、離子注入、襯底片、外延片、器件等產(chǎn)業(yè)鏈環(huán)節(jié)，成為展會(huì)的一大亮點(diǎn)。

自2018年特斯拉采用碳化硅器件后，碳化硅產(chǎn)業(yè)步入發(fā)展的快車道，在風(fēng)光儲(chǔ)、電力等行業(yè)滲透率不斷提升。國(guó)內(nèi)碳化硅產(chǎn)業(yè)在技術(shù)和規(guī)模上也不斷提升。與此同時(shí)，圍繞碳化硅襯底片存在產(chǎn)能過剩風(fēng)險(xiǎn)等相關(guān)爭(zhēng)議，隨之日漸增多。

業(yè)界人士認(rèn)為，碳化硅產(chǎn)業(yè)依然處于產(chǎn)業(yè)發(fā)展的初級(jí)階段，未來5年內(nèi)襯底片將處于供不應(yīng)求的狀態(tài)。尤其喜人的是，從襯底片到設(shè)備，國(guó)內(nèi)碳化硅頭部企業(yè)已經(jīng)取得了長(zhǎng)足進(jìn)展，國(guó)內(nèi)半導(dǎo)體設(shè)備商紛紛瞄準(zhǔn)碳化硅這一產(chǎn)業(yè)的發(fā)展新機(jī)遇。

碳化硅成為SEMICON展會(huì)新亮點(diǎn)

作為全球最負(fù)盛名的半導(dǎo)體展會(huì)之一，SEMICON China歷來是硅半導(dǎo)體的大舞臺(tái)。今年展會(huì)的一大亮點(diǎn)是，在系列主題展區(qū)方面設(shè)置了功率及化合物半導(dǎo)體主題展。

在本次展會(huì)上，襯底片廠商紛紛亮相。作為國(guó)際領(lǐng)先的碳化硅半導(dǎo)體材料制造商，天岳先進(jìn)攜其高品質(zhì)6英寸、8英寸碳化硅襯底產(chǎn)品亮相展會(huì)；山西爍科重點(diǎn)展示了350毫米厚8英寸碳化硅襯底片；同光股份展示了6英寸、8英寸高質(zhì)量碳化硅晶錠和襯底。外延片方面，天科合達(dá)首次展示了8英寸碳化硅外延產(chǎn)品；普興電子展示了6英寸、8英寸的碳化硅外延片產(chǎn)品；國(guó)盛電子則展示了8英寸硅基氮化鎵外延片等產(chǎn)品。

天岳先進(jìn)董事長(zhǎng)宗艷民在接受記者采訪時(shí)表示，公司高品質(zhì)碳化硅襯底在2023年獲得多家國(guó)內(nèi)外客戶的認(rèn)可，并與下游電力電子、汽車電子領(lǐng)域的國(guó)內(nèi)外知名企業(yè)開展了廣泛合作。公司上海臨港智慧工廠于2023年中開啟產(chǎn)品交付，2024年產(chǎn)能產(chǎn)量將繼續(xù)提升。

當(dāng)前，碳化硅襯底片產(chǎn)能緊缺是產(chǎn)業(yè)發(fā)展的瓶頸之一。因此，半導(dǎo)體功率器件廠商紛紛與襯底片廠商簽訂長(zhǎng)期訂單。比如，天岳先進(jìn)與某客戶簽訂長(zhǎng)單，預(yù)計(jì)2023年至2025年三年含稅銷售金額為13.93億元。

“未來5年，高品質(zhì)的襯底產(chǎn)品會(huì)更緊俏?！弊谄G民告訴記者，從新能源汽車、工業(yè)控制到白色家電、電網(wǎng)，這些領(lǐng)域?qū)μ蓟栊酒?、器件的?yàn)證周期往往長(zhǎng)達(dá)兩三年，當(dāng)前還處于碳化硅應(yīng)用的初級(jí)階段。目前，碳化硅在電動(dòng)汽車領(lǐng)域的應(yīng)用占比超過70%，但在其他下游眾多領(lǐng)域的應(yīng)用，還要兩三年才會(huì)進(jìn)入真正的爆發(fā)期。

半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)研究機(jī)構(gòu)InSemi Research首席分析師徐可表示，以新能源汽車領(lǐng)域?yàn)槔?，中?guó)車載碳化硅市場(chǎng)規(guī)模有望從2022年的35.4億元增長(zhǎng)至2028年的221.6億元，年復(fù)合增長(zhǎng)率預(yù)計(jì)為36%。

全球碳化硅產(chǎn)業(yè)都在快速增長(zhǎng)。日本調(diào)研機(jī)構(gòu)富士經(jīng)濟(jì)報(bào)告預(yù)測(cè)，到2030年，全球碳化硅功率器件市場(chǎng)規(guī)模將達(dá)到近150億美元，占整體功率器件市場(chǎng)的約24%。


長(zhǎng)晶爐實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)替代，切磨拋設(shè)備仍需發(fā)力

碳化硅襯底制備目前主要以高純碳粉、硅粉為原料合成碳化硅粉，采用物理氣相傳輸法（PVT 法），在單晶爐中生長(zhǎng)成為晶體，隨后碳化硅晶體經(jīng)過切片、研磨、拋光、清洗等步驟制成單晶薄片作為襯底。

碳化硅晶體的制備有兩大難點(diǎn)，其一是碳化硅晶棒生長(zhǎng)速度慢，約2cm的晶棒需要7-10天的生長(zhǎng)時(shí)間；其二是碳化硅晶體生長(zhǎng)對(duì)各種參數(shù)要求高，需要精確控制硅碳比、生長(zhǎng)溫度梯度等參數(shù)，并且生長(zhǎng)過程很難監(jiān)控，對(duì)工藝要求非常高。

基于上述情況，如今碳化硅晶體制備難點(diǎn)更在于工藝而非設(shè)備本身，碳化硅長(zhǎng)晶爐與傳統(tǒng)硅晶有相同性，結(jié)構(gòu)不算復(fù)雜，單價(jià)不到100萬/臺(tái)，已經(jīng)基本實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)化，而工藝上每家襯底廠商都有細(xì)微差別，也是核心技術(shù)所在，因此許多襯底廠商都選擇自研長(zhǎng)晶設(shè)備，讓工藝與設(shè)備更加契合，當(dāng)然也有部分廠商選擇外購(gòu)模式。

目前國(guó)內(nèi)的碳化硅長(zhǎng)晶爐設(shè)備供應(yīng)商主要有北方華創(chuàng)和晶升股份，兩者在國(guó)內(nèi)占有的份額超過70%，考慮到與工藝的契合性，襯底廠商一般不輕易改變長(zhǎng)晶爐的購(gòu)買渠道，其他企業(yè)想要插入進(jìn)來并不容易，不過如今碳化硅產(chǎn)業(yè)瘋狂擴(kuò)產(chǎn)或有新的機(jī)遇。

切割是碳化硅襯底制備的首要關(guān)鍵工序，決定了后續(xù)研磨、拋光的加工水平，成本能占到50%以上，這是因?yàn)樘蓟鑼儆谟操|(zhì)材料，硬度僅比金剛石低，切割難度非常大，目前主流的工藝是線鋸切割，也有一些廠商在試驗(yàn)激光切割。

目前碳化硅切割設(shè)備主要被日本高鳥壟斷，占據(jù)了70%以上的份額，在連續(xù)收到訂單的情況下，交付時(shí)間已延長(zhǎng)到13-14個(gè)月，為了應(yīng)對(duì)更多的訂單需求，高鳥已與中國(guó)公司和日本本土公司簽訂了聯(lián)盟協(xié)議，將在中國(guó)建立生產(chǎn)工廠。

國(guó)內(nèi)企業(yè)上機(jī)數(shù)控此前表示，公司在碳化硅切割領(lǐng)域取得了較大突破，自行研發(fā)的碳化硅切片設(shè)備獲得成功，開辟了“碳化硅設(shè)備國(guó)產(chǎn)替代進(jìn)口”的先河，在國(guó)產(chǎn)碳化硅切片機(jī)市場(chǎng)占有率超90%。

宇晶股份近日在調(diào)研中表示，公司加大對(duì)碳化硅切、磨、拋關(guān)鍵技術(shù)的攻克，設(shè)備的精度已經(jīng)達(dá)到行業(yè)一流水平，公司生產(chǎn)的碳化硅切割、研磨、拋光設(shè)備主要用于加工單晶碳化硅拋光片，目前公司生產(chǎn)的碳化硅切、磨、拋設(shè)備已實(shí)現(xiàn)批量銷售。

高測(cè)股份主要從事高硬脆材料切割設(shè)備和切割耗材的研發(fā)、生產(chǎn)和銷售，今年5月稱，公司已有30 余臺(tái)來自碳化硅襯底企業(yè)的訂單，推出的8寸碳化硅金剛線切片機(jī)也在上半年已形成批量訂單。

今年6月，力凱數(shù)控表示最新研發(fā)的DA300碳化硅多線切割機(jī)已達(dá)成10臺(tái)意向訂單，預(yù)計(jì)銷售額達(dá)3000萬元，據(jù)悉，該切割機(jī)收放線輪運(yùn)轉(zhuǎn)速度可實(shí)現(xiàn)2400米/分鐘，采用硅料向下進(jìn)給方式，伺服同步控制線網(wǎng)進(jìn)行高速切割，可實(shí)現(xiàn)8小時(shí)切割一刀，一次性產(chǎn)出100片晶片。

實(shí)際上，國(guó)內(nèi)外碳化硅切磨拋環(huán)節(jié)技術(shù)路線差距并不大，主要還在設(shè)備的精度和穩(wěn)定性上，這對(duì)襯底加工的效率和產(chǎn)品良率有關(guān)鍵影響，目前國(guó)內(nèi)企業(yè)相比國(guó)外還有差距，因此碳化硅切磨拋裝備仍以進(jìn)口為主，導(dǎo)致國(guó)內(nèi)廠商生產(chǎn)成本居高不下，碳化硅切磨拋設(shè)備的國(guó)產(chǎn)替代需求迫切，還需相關(guān)廠商共同努力。


國(guó)產(chǎn)企業(yè)成功突破第四代半導(dǎo)體技術(shù)

杭州鎵仁半導(dǎo)體有限公司攜手浙江大學(xué)杭州國(guó)際科創(chuàng)中心先進(jìn)半導(dǎo)體研究院和硅及先進(jìn)半導(dǎo)體材料全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，宣布取得重要突破！通過自主開創(chuàng)的鑄造法，成功制備出了高質(zhì)量的6英寸非故意摻雜及導(dǎo)電型氧化鎵單晶，并將其加工成了6英寸氧化鎵襯底片。

氧化鎵作為一種重要的半導(dǎo)體材料，具有優(yōu)異的電學(xué)性能和光學(xué)特性，被廣泛應(yīng)用于高功率電子器件、光電器件以及新能源領(lǐng)域。然而，由于材料制備工藝的挑戰(zhàn)性，高質(zhì)量的氧化鎵材料一直是制約產(chǎn)業(yè)發(fā)展的瓶頸之一。而杭州鎵仁半導(dǎo)體的成功制備，填補(bǔ)了市場(chǎng)上的空白，將為先進(jìn)半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展注入新的活力。

該材料廣泛應(yīng)用于制備功率器件、射頻器件及探測(cè)器件，在軌道交通、智能電網(wǎng)、新能源汽車、光伏發(fā)電、5G移動(dòng)通信、國(guó)防軍工等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。氧化鎵材料的優(yōu)異性能和出色可靠性，將為各行業(yè)帶來更高效、更可靠的解決方案。

杭州鎵仁半導(dǎo)體以技術(shù)創(chuàng)新為驅(qū)動(dòng)力，成功攻克了氧化鎵材料制備技術(shù)中的關(guān)鍵難題。由于之前制備氧化鎵材料的技術(shù)限制，很難生產(chǎn)出高質(zhì)量的氧化鎵單晶襯底。然而，杭州鎵仁半導(dǎo)體憑借著創(chuàng)新的思維和專業(yè)團(tuán)隊(duì)，成功實(shí)現(xiàn)了6英寸氧化鎵單晶襯底的產(chǎn)業(yè)化制備，為第四代半導(dǎo)體材料的大規(guī)模應(yīng)用鋪平了道路。

氧化鎵材料作為第四代半導(dǎo)體的代表之一，在各個(gè)領(lǐng)域都有著廣泛的應(yīng)用前景。在軌道交通領(lǐng)域，氧化鎵材料能夠提供更高效、更可靠的列車控制系統(tǒng)，提升安全性和運(yùn)行效率。而在智能電網(wǎng)和新能源汽車領(lǐng)域，氧化鎵材料的優(yōu)異性能能夠有效解決能源傳輸和存儲(chǔ)的難題，推動(dòng)可再生能源的發(fā)展。

此外，氧化鎵材料在光伏發(fā)電、5G移動(dòng)通信、國(guó)防軍工等領(lǐng)域也有著廣泛的應(yīng)用。其高溫、高頻的性能使其成為射頻器件和探測(cè)器件的理想選擇，為相關(guān)行業(yè)帶來更高效的通信和偵測(cè)能力。

這一成果的取得離不開杭州鎵仁半導(dǎo)體在材料科學(xué)、生產(chǎn)技術(shù)和表征方法等方面的深入研究，更離不開浙江大學(xué)和硅及先進(jìn)半導(dǎo)體材料全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室在科研人才培養(yǎng)和技術(shù)支持方面所做出的貢獻(xiàn)。持續(xù)的科研創(chuàng)新和跨界合作，為我國(guó)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的發(fā)展帶來了新的可能性。