《電子技術(shù)應(yīng)用》
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全球競逐SiC

2022-08-19
作者: 杜芹
來源: 半導(dǎo)體行業(yè)觀察
關(guān)鍵詞: SiC

  2022年整個SiC產(chǎn)業(yè)鏈好不熱鬧:首先是Wolfspeed的全球首座8英寸SiC工廠啟動,,為產(chǎn)業(yè)傳遞了積極的信號,。再就是II-VI的1200V SiC MOSFET獲得車規(guī)認證,并深化與通用的合作,。英飛凌投資逾20億歐元在馬來西亞居林工廠擴大SiC前道產(chǎn)能,,以應(yīng)對未來市場的變化。ASM完成對LPE的收購,,入局SiC外延設(shè)備,,由于下游需求持續(xù)的旺盛,碳化硅的外延設(shè)備正在以20%的復(fù)合增長率在增長,。鴻??萍既〉昧耸⑿虏牧?0%的股權(quán),切入襯底材料環(huán)節(jié),。Soitec發(fā)布8英寸SmartSiC優(yōu)化襯底,,并且擴大了制造規(guī)模,。SEMISiC實現(xiàn)了8英寸N-Type拋光片小批量生產(chǎn)……

  SiC襯底發(fā)展情況

  SiC襯底是發(fā)展SiC的關(guān)鍵。目前從原始的工藝到襯底的加工技術(shù)再到材料的大口徑化擴展等各個環(huán)節(jié),,都是業(yè)界的焦點,。不過SiC襯底目前仍存在密度較高、生長速率緩慢,、成本比較高的挑戰(zhàn),。

  在SiC晶體生長工藝方面,出現(xiàn)了兩家初創(chuàng)企業(yè),,分別是2020年6月17日創(chuàng)立的北京晶格領(lǐng)域,,以及2021年6月成立的日本企業(yè)UJ-Crystal。一般而言,,材料行業(yè)的初創(chuàng)企業(yè)并不常見,,因為材料行業(yè)開發(fā)周期長,開發(fā)成本也比較高,,但我們發(fā)現(xiàn),,這兩家企業(yè)都有著大學(xué)成果轉(zhuǎn)化的項目背景,可以說是產(chǎn)業(yè)的一大幸事,。

  2020年7月6日,,中科院物理所科技成果轉(zhuǎn)化項目液相法生長碳化硅半導(dǎo)體襯底項目落戶中關(guān)村順義園,由北京晶格領(lǐng)域半導(dǎo)體有限公司實施運營,,分三期落地實施,,計劃總投資7.5億元,一期投資5000萬元,,在中關(guān)村順義園租賃廠房1050平方米,,建設(shè)4—6英寸液相法碳化硅晶體中試生產(chǎn)線。2021年4月,,晶格領(lǐng)域投資設(shè)立的碳化硅晶圓項目廠房已裝修完畢,,第一批設(shè)備全部進場,并開始試生產(chǎn),。

  UJ-Crystal是日本名古屋大學(xué)孵化出的企業(yè),,名古屋大學(xué)的宇治原徹教授在大學(xué)研究了近20年的高品質(zhì)SiC晶體生長技術(shù)。通過結(jié)合材料科學(xué)方面的知識和AI的計算能力,,找出了制造晶體時需要調(diào)整的溶液濃度和制造裝置的指標(biāo),。經(jīng)過4年的開發(fā),成功制造出了產(chǎn)業(yè)用途至少需要的6英寸晶體,。并計劃在未來幾年內(nèi)推進量產(chǎn),。

  在襯底加工環(huán)節(jié),切割可以說是整個產(chǎn)能最大的瓶頸?,F(xiàn)有的SiC晶圓切片方法大多使用金剛石線鋸,,然而,,由于碳化硅的高硬度,加工時間較長,,需要大量的金剛石線鋸來批量生產(chǎn)硅片,。由于在切片過程中有大量的材料丟失,單個晶錠生產(chǎn)出的晶圓數(shù)量就很少,,這是制造SiC功率器件成本增加的一個主要因素,。日本的DISCO和英飛凌,兩者的光切割技術(shù)為大家熟知,。

  2016年DISCO開發(fā)了新的激光切片技術(shù)KABRA,,該工藝可用于各種類型的SiC鑄錠。KABRA是一種鋼錠切片方法,,通過激光連續(xù)照射鋼錠,,在指定深度形成分離層(KABRA層),,從KABRA層開始生產(chǎn)晶圓,。據(jù)DISCO稱,KABRA技術(shù)的優(yōu)勢主要有:1)處理時間大大縮短,,現(xiàn)有工藝需要3.1小時才能切出一片6英寸SiC晶圓,,而采用KABRA技術(shù)僅需要10分鐘;2)不再需要研磨過程,,因為分離后的晶圓波動可以控制,;3)生產(chǎn)的晶圓數(shù)量比現(xiàn)有工藝增加了1.4倍。

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  激光切片技術(shù)KABRA的優(yōu)勢

  (圖源:DISCO Corporation)

  2018年英飛凌收購了碳化硅晶圓切割領(lǐng)域的新銳公司Siltectra,,進入上游襯底領(lǐng)域,,Siltectra專注于半導(dǎo)體材料的新切割技術(shù)—冷切(COLD SPLIT),該技術(shù)能將SiC晶圓的良率提高90%,,在相同碳化硅晶錠的情況下,,它可以提供3倍的材料,可生產(chǎn)更多的器件,,最終SiC器件的成本可以降低20-30%,。

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  SILTECTRATM碳化硅晶片分裂工藝

  國內(nèi)的晟光硅研(Lasic)成立于2021年2月,是航天基地科技成果就地轉(zhuǎn)化項目,,技術(shù)團隊包括來自西安電子科技大學(xué),、中國工程物理研究院、山東大學(xué),、西北工業(yè)大學(xué),、yole等國內(nèi)外相關(guān)行業(yè)高校和研究機構(gòu)的專家。晟光硅研發(fā)明了微射流激光切割技術(shù),,該技術(shù)一次切割完成的晶片表面形貌已接近CMP處理水平,。目前已經(jīng)成功完成6英寸碳化硅晶錠的切割,。

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  晟光硅研的微射流激光切割技術(shù)

  SiC 晶圓表面質(zhì)量對于后續(xù)SiC器件制造至關(guān)重要,因為晶圓表面上的任何缺陷都會遷移到后續(xù)層,。所以SiC晶圓還需要一些拋光和表面準(zhǔn)備工作,,在這方面,應(yīng)用材料取得了比較大的突破,,其中應(yīng)用材料推出了新型200毫米CMP系統(tǒng),,該系統(tǒng)將拋光、材料去除測量,、清潔和干燥集成在一個系統(tǒng)中,。與機械研磨的SiC晶片相比,新系統(tǒng)的成品晶片表面粗糙度降低了50倍,,與批量CMP處理系統(tǒng)相比,,粗糙度降低了3倍。

  在晶圓擴徑方面,,主要是以8英寸擴徑為主,。早在2015年Wolfspeed、II-VI,、ROHM就已經(jīng)成功研發(fā)出8英寸襯底晶圓片,。從2021年開始,安森美,、ST,、Soitec、SEMISiC等陸續(xù)研發(fā)出來,。

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  各廠商8英寸SiC晶圓研發(fā)和量產(chǎn)時間一覽

 ?。▓D源:行家說第三代半導(dǎo)體)

  看向SiC襯底的價格方面,據(jù)TendForce對N-Type SiC襯底價格下降趨勢的預(yù)測,,4英寸襯底片價格已經(jīng)非常穩(wěn)定,,在一些低端器件二極管還有一定的市場。6英寸襯底片隨著技術(shù)不斷成熟價格逐漸穩(wěn)定,。8寸片目前剛推向市場,,由于良率比較低,而且制造成本過高,,短期內(nèi)不具備性價比,,下降空間相當(dāng)大。

  在不同尺寸N-Type SiC襯底需求方面,,4英寸片會慢慢淡出市場,,6英寸片會長時間作為市場主流供應(yīng)能力,8英寸將會在2025年到2026年取得一定的市場份額,,預(yù)估到2026年能有15%的份額,。

  值得一提的是,,中國正在大量布局碳化硅襯底,投資產(chǎn)線遍布大半個中國,,有天科合達,、天岳先進、爍科晶體,、同光半導(dǎo)體,、盛新材料、三安光電,、南砂晶圓,、露笑科技、東尼電子,。7月21日晚間,,據(jù)天岳先進披露,公司簽署了時長三年的6英寸導(dǎo)電型碳化硅襯底產(chǎn)品銷售合同,,合同作價近14億元,。

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  SiC功率元件迎來快速發(fā)展期

  據(jù)TendForce的預(yù)測,SiC功率元件在2022年的市場規(guī)模大約15.89億美元,,到2026年將達到53.02億美元,,年復(fù)合增長率高達35%。其中,,汽車是當(dāng)前SiC功率元件市場最核心的動力,目前SiC已經(jīng)在車身的OBC,、取得了快速的應(yīng)用,,隨著800V的高壓需求來了,SiC功率元件會被進一步放大,。再就是可再生能源,、工業(yè)UPS和軌道交通燈的需求。

  車用SiC功率元件的關(guān)鍵供應(yīng)商主要有,,特斯拉憑借車用MOSFET第一供應(yīng)商身份,,連續(xù)奪得SiC功率元件市場第一。Planar MOSFET的供應(yīng)商主要是ST,、安森美,、Wolfspeed。Tench MOSFET的供應(yīng)商是英飛凌,、羅姆和博世,。

  中國車企如上汽、北汽,、廣汽,、吉利,、小鵬等正在積極投資本土供應(yīng)鏈,在《汽車廠投資加碼第三代半導(dǎo)體》一文中我們詳細介紹了車廠的投資布局,。在SiC本土供應(yīng)鏈當(dāng)中,,SiC二極管供應(yīng)商主要有泰科天潤、三安,、華潤微電子,、揚杰科技;SiC MOSFET供應(yīng)商有瀚薪,、瞻芯電子,、派恩杰、ASI,、飛锃半導(dǎo)體(Alpha Power Solutions,,簡稱APS)、國基南方,;SiC模組供應(yīng)商主要包括比亞迪,、基本半導(dǎo)體、利普思,、斯達半導(dǎo)體,、芯聚能。

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  SiC代工廠開始興起

  受益于車用市場的繁榮,,碳化硅的市場已經(jīng)開始進行大規(guī)模的放量,,整個產(chǎn)業(yè)鏈還沒完全的成熟,代工廠的配套支持將是非常必要的,。

  在全球SiC代工領(lǐng)域,,德國的X-Fab全球第一家提供6英寸SiC工藝的代工廠,其位于德克薩斯州的6英寸工廠2020年月產(chǎn)能已達26000片,。SiC功率半導(dǎo)體廠商如Littlefuse,、United SiC(被Qorvo收購)、GeneSiC,、派恩杰等都通過X-Fab代工,。

  英國的Clas-SiC Wafer Fab也是一家專門制造碳化硅功率半導(dǎo)體的開放式晶圓廠,投資了中低規(guī)模的 SiC 產(chǎn)能,,其可以生產(chǎn)JBS/MPS二極管和MOSFET的6英寸SiC晶圓,。

  Yes Power Technix是韓國唯一一家可以設(shè)計和制造SiC功率半導(dǎo)體的公司,他們擁有100毫米和150毫米晶圓的生產(chǎn)設(shè)施,,每年可生產(chǎn)1.44萬片晶圓,。2022年4月,Sk Inc. 出資1200億韓元(約6.2億元人民幣)收購Yes Power Technix 95.8%的股權(quán)。同時,,韓國DB HiTek也在向SiC代工進擊,,2022年6月,DB HiTek宣布在位于忠清北道陰城郡甘谷面桑古里的 8 英寸半導(dǎo)體工廠 (fab) 建設(shè)新一代功率半導(dǎo)體生產(chǎn)線,,目標(biāo)是在 2025 年內(nèi)生產(chǎn)和供應(yīng)第一款 1200 V SiC MOSFET,。

  大陸方面,2021年6月,,三安總投資高達160億元,,全國首條、全球第三條6英寸碳化硅垂直整合產(chǎn)業(yè)鏈投產(chǎn),,規(guī)劃至2025年實現(xiàn)36萬片6寸碳化硅晶圓的年產(chǎn)能,;上海積塔半導(dǎo)體也在規(guī)劃5000片的6英寸碳化硅(SiC)工藝生產(chǎn)線;長飛半導(dǎo)體已有6英寸SiC晶圓代工,;南京百識電子科技有限公司提供四英寸,、六英寸碳化硅;南京寬能半導(dǎo)體首條產(chǎn)線落地南京,,正在建設(shè)中,,建成后將是國內(nèi)最大的碳化硅半導(dǎo)體晶圓廠;2022年5月20日,,廣州芯粵能投資75億,,年產(chǎn)48萬片SiC芯片制造項目主體工程正式封頂;此外,,按照中芯紹興(SMEC)的規(guī)劃,,未來也會進行SiC相關(guān)MOSFET的代工服務(wù)。

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  中芯紹興的MOSFET代工規(guī)劃

 ?。▓D源:中芯紹興)

  中國臺灣的漢磊(Episil Technology)目前擁有1座4/5英寸及2座6英寸晶圓廠,。嘉晶電子(Episil-Precision)能代工生產(chǎn)4-6英寸的SiC外延片。

  SiCamore Semi是一家總部位于美國的先進材料和功率半導(dǎo)體純晶圓代工廠,,其是Silicon Power 收購前Microsemi晶圓廠而來。

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  結(jié)語

  無疑,,SiC是半導(dǎo)體領(lǐng)域最具成長力的材料,。在產(chǎn)業(yè)大變革之際,各個國家和地區(qū)的廠商都在努力發(fā)展SiC技術(shù),。值得一提的是,,在SiC這個領(lǐng)域,國內(nèi)的產(chǎn)業(yè)鏈布局逐漸開始走向完善,。SiC這個大蛋糕,,中國必能分得一塊。

  

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