碳化硅襯底切片設(shè)備加速國產(chǎn)化

• 柯壯賓 2023年5月10日 來源：中研網(wǎng) 702 41
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碳化硅具備增效與節(jié)能的優(yōu)勢，有望在中高壓環(huán)節(jié)實現(xiàn)對硅基材料器件的替代；受益于下游新能源汽車和光伏需求激增，行業(yè)產(chǎn)能擴張催生百億級設(shè)備市場。

在高性能和低能耗半導(dǎo)體器件驅(qū)動下，半導(dǎo)體材料經(jīng)歷四次更迭。半導(dǎo)體材料是制造半導(dǎo)體器件和集成電路的電子材料，是電子信息技術(shù)發(fā)展的基礎(chǔ)。伴隨下游應(yīng)用日趨復(fù)雜化和精細化，高性能及低損耗的半導(dǎo)體器件需求成為半導(dǎo)體研究的重要方向，驅(qū)動半導(dǎo)體材料經(jīng)歷四次更迭：

1）第一代元素半導(dǎo)體材料：硅（Si）、鍺（Ge）。20世紀50年代興起，取代了笨重的電子管，奠定了以集成電路為核心的微電子工業(yè)的基礎(chǔ)，廣泛用于信息處理和自動控制等領(lǐng)域。

2）第二代化合物半導(dǎo)體材料：砷化鎵（GaAs）、磷化銦（InP）。20世紀90年代興起，突破硅在高頻高壓及光電子領(lǐng)域的局限，開拓了移動通信和以光纖通信為基礎(chǔ)的信息高速公路和互聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)，多用于發(fā)光電子器件以及通信基礎(chǔ)設(shè)備。

3）第三代寬禁帶半導(dǎo)體材料：碳化硅（SiC）、氮化鎵（GaN）等。近10年逐漸興起，具備大帶隙、大載流子漂移速率、大熱導(dǎo)率和大擊穿電場四大特性，全面突破材料在高頻、高壓、高溫等復(fù)雜條件下的應(yīng)用極限，適配5G通信、新能源汽車、智能物聯(lián)網(wǎng)等新興產(chǎn)業(yè)，對節(jié)能減排、產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級、催生新的經(jīng)濟增長點將發(fā)揮重要作用。

4）第四代超禁帶半導(dǎo)體材料：氧化鎵（Ga2O3）、氮化鋁（AlN）、金剛石以及銻化鎵（GaSb）、銻化銦（InSb）等。近5-10年被提出，在第三代半導(dǎo)體基礎(chǔ)上實現(xiàn)進一步提效降本，以人工智能與量子計算為驅(qū)動力，目前處于科研與產(chǎn)業(yè)化起步階段。

表：不同代際半導(dǎo)體材料應(yīng)用領(lǐng)域不同

高功率+高頻率+高溫+高電壓，第三代半導(dǎo)體（SiC和GaN）物理性能優(yōu)異。第三代半導(dǎo)體作為寬禁帶材料，具有四大特性：大帶隙、大載流子漂移速率、大熱導(dǎo)率和大擊穿電場，做成的器件對應(yīng)有四高性能：高功率、高頻率、高溫和高電壓，制造的裝備系統(tǒng)對應(yīng)有四小優(yōu)點：小能耗、小體積、小體重和小成本（暫未實現(xiàn)）。在半導(dǎo)體照明、新一代移動通信、能源互聯(lián)網(wǎng)、高速軌道交通、新能源汽車、消費電子等領(lǐng)域有廣闊的應(yīng)用前景。
SiC和GaN應(yīng)用各有側(cè)重，SiC為寬禁帶核心材料。SiC和GaN是應(yīng)用最廣、發(fā)展最快的第三代半導(dǎo)體材料，光電子領(lǐng)域主要是GaN的應(yīng)用，涉及LED、LD及光探測器，熱門賽道是Micro-LED和深紫外LED。1)電力電子領(lǐng)域：SiC適合中高壓，GaN適合中低壓，二者在中壓領(lǐng)域競爭（650-1200V，汽車和光伏），熱門賽道是SiCSBD、MOSFET和GaNHEMT等。2)微波射頻方面：SiC基GaN-HEMT已占據(jù)5G基站功率放大器半壁江山。現(xiàn)階段，SiC質(zhì)量遠高于GaN，占據(jù)了近90%的第三代半導(dǎo)體電力電子器件市場。

SiC不同晶體結(jié)構(gòu)性能各異，4H-SiC綜合性能最佳。SiC由于C原子和Si原子結(jié)合方式多樣，有200多種同質(zhì)異型晶體結(jié)構(gòu)，其中6H-SiC結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，發(fā)光性能好，適合光電子器件；3C-SiC飽和電子漂移速度高，適合高頻大功率器件；4H-SiC電子遷移率高、導(dǎo)通電阻低、電流密度高，適合電力電子器件。4H-SiC是目前綜合性能最好、商品化程度最高、技術(shù)最成熟的第三代半導(dǎo)體材料，是制造高壓、高溫、抗輻照功率半導(dǎo)體器件的理想材料。SiC的熱、物理、化學(xué)性質(zhì)很穩(wěn)定：熱導(dǎo)率[84W/(m·K)超過銅，約為硅的3倍；禁帶寬度約為Si的3倍，擊穿電場強度高于Si一個數(shù)量級，飽和電子漂移速度是Si的2.5倍，2000℃時導(dǎo)電性與石墨相當；耐腐蝕性非常強，表面SiO2薄層防止進一步氧化，室溫下幾乎可以抵抗任何已知的腐蝕劑。

SiC功率器件主要包括二極管和晶體管，有望實現(xiàn)對硅基器件的替代。功率器件主要用于電力電子設(shè)備電能管理，由于Si硅材料物理性質(zhì)限制，依靠Si器件完善來提高裝置和系統(tǒng)性能的潛力有限，而SiC功率器件由于出色的高壓、高頻、高溫和低損耗性能，非常具有應(yīng)用前景。SiC功率器件按類型主要可以劃分為功率二極管和功率晶體管，功率二極管有三種類型：肖特基二極管（SBD）、PiN二極管和結(jié)勢壘控制肖特基二極管（JBS）；功率晶體管主要包括金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)管（MOSFET）、結(jié)型場效應(yīng)管（JFET）、雙極性晶體管（BJT）、絕緣柵雙極晶體管（IGBT）和晶閘管（Thyristor）。二極管、MOSFET和IGBT是應(yīng)用最廣泛且性能指標先進的功率半導(dǎo)體，SiC-SBD于2001年開始商用；SiC-MOSFET于2010年開始商用，已經(jīng)是SiC功率器件最大市場；SIC-IGBT由于研發(fā)起步晚，目前尚未實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。

SiC-SBD替代目標為高壓（≥600V）的硅基快速恢復(fù)二極管（Si-FRD）。SiC-SBD與Si-SBD結(jié)構(gòu)基本相同，本質(zhì)是金屬和半導(dǎo)體材料接觸時，在界面半導(dǎo)體處的能帶彎曲形成肖特基勢壘，因此SiC-SBD繼承了Si-SBD的優(yōu)點：TRR高速性、低恢復(fù)損耗、反向電流小、可實現(xiàn)小型化和高頻工作等。由于SiC材料耐壓、耐高溫，SiC-SBD基本不存在溫度依賴性，還將SBD應(yīng)用范圍從250V提升到1200V，部分產(chǎn)品電壓達到1700/3300V。SiC-SBD僅電子移動產(chǎn)生電流，Si-FRD利用PN結(jié)二極管通過電子和空穴（孔）產(chǎn)生電流，關(guān)斷速度慢、TRR特性較差且損耗較大?，F(xiàn)階段，SiC-SBD在部分高壓硬開關(guān)拓撲的應(yīng)用中（通信/服務(wù)器/工業(yè)/汽車AC-DC電源換流二極管，變頻器/逆變器續(xù)流二極管等）對Si-FRD形成替代，SiC-PiN和SiC-JBS相比硅基器件耐壓性、耐高溫性和高頻性等更好。英飛凌、羅姆、科瑞和意法半導(dǎo)體產(chǎn)品種類占比達53%，國內(nèi)已實現(xiàn)600V~1700VSiC二極管產(chǎn)品批量銷售，代表企業(yè)為中電科55所、泰科天潤、世紀金光、國聯(lián)萬眾等。

SiC-MOSFET替代目標為高壓（≥650V）的Si-MOSFET和IGBT。MOSFET是通過給金屬層(M-金屬鋁)柵極和隔著氧化層(O-絕緣層SiO2)源極施加電壓，產(chǎn)生電場來控制半導(dǎo)體(S)導(dǎo)電溝道開關(guān)的場效應(yīng)晶體管（FET）。MOSFET優(yōu)點在于開關(guān)速度快（幾十至幾百納秒）、開關(guān)損耗很小、穩(wěn)定性高，缺點在于高壓環(huán)境下電阻增大，傳導(dǎo)損耗增大。在650V以上高壓下，Si材料導(dǎo)通電阻很大，因此常采用IGBT結(jié)構(gòu)調(diào)制電導(dǎo)率以降低導(dǎo)通電阻，缺點是在關(guān)斷時產(chǎn)生拖尾電流，開關(guān)損耗較大。SiC-MOSFET繼承了硅基器件的優(yōu)異特性，關(guān)斷損耗和導(dǎo)通損耗很小，同時由于漂移層更薄、導(dǎo)通電阻極低、耐壓性更好，不會產(chǎn)生拖尾電流，而且可以實現(xiàn)高頻驅(qū)動，有利于電路節(jié)能和散熱設(shè)備及被動設(shè)備的小型化。目前市場上共有180余款SiC-MOSFET系列產(chǎn)品，科瑞和羅姆產(chǎn)品占比達43%，擊穿電壓650V~1700V，導(dǎo)通電流超過100A；國內(nèi)目前處于起步階段，中電科55所、泰科天潤、世紀金光、基本半導(dǎo)體、國聯(lián)萬眾等企業(yè)已推出產(chǎn)品，擊穿電壓集中在1200V。

IGBT應(yīng)用非常廣泛，SiC-IGBT限于研發(fā)進度尚未實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。IGBT是BJT(雙極型三極管）和MOS（絕緣柵型場效應(yīng)管）組成的復(fù)合式半導(dǎo)體，通過電壓驅(qū)動控制通斷（與MOSFET原理類似），IGBT擁有高輸入阻抗和低導(dǎo)通壓降特點，缺點在于高頻開關(guān)時損耗增大。IGBT應(yīng)用范圍一般在耐壓600V以上，電流10A以上頻率1KHz以上，是電機驅(qū)動核心，廣泛應(yīng)用于逆變器、變頻器等，在UPS、開關(guān)電源、電車、交流電機等領(lǐng)域?qū)TO、GTR等形成替代。SiC-IGBT作為雙極器件，在阻斷電壓增大時，導(dǎo)通電阻增加很小，非常適合高壓大功率領(lǐng)域，現(xiàn)階段由于研發(fā)起步晚，SiC-IGBT尚未實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。

碳化硅產(chǎn)業(yè)鏈上下游清晰，襯底和外延是核心環(huán)節(jié)，價值量占比達70%。SiC產(chǎn)業(yè)鏈主要包括上游襯底和外延制備、中游器件和模塊制作以及下游終端應(yīng)用。從成本結(jié)構(gòu)上看，根據(jù)億渡數(shù)據(jù)，傳統(tǒng)硅基器件襯底價值量僅7%左右，核心為晶圓制造設(shè)備，占比50%；與之相比，SiC器件中襯底約占成本47%，外延約占23%，器件制造僅占到19%。

襯底市場規(guī)模增長較快，導(dǎo)電型襯底占多數(shù)。碳化硅襯底主要分為導(dǎo)電型襯底和半絕緣性襯底，主要區(qū)別在于電阻率不同，導(dǎo)電型襯底電阻率區(qū)間為15~30Ω·cm，半絕緣型襯底電阻率高于105Ω·cm。根據(jù)Yole數(shù)據(jù)，半絕緣型碳化硅襯底全球市場規(guī)模由2019年的1.52億美元增長至2021年的2.10億美元，導(dǎo)電型碳化硅襯底市場規(guī)模從2018年的1.70億美元增長至2021年的3.80億美元，增長較快。得益于下游市場的大量需求，至2023年，半絕緣型碳化硅襯底市場將增長至2.81億美元，導(dǎo)電型碳化硅襯底市場將增長至6.84億美元。

襯底大型化可增加單批次芯片產(chǎn)量和降低邊緣損耗，有望降低制造成本。目前，單片6英寸碳化硅約900-1000美元，而單片6英寸硅襯底單價在50美元以下，相差數(shù)十倍，阻礙了碳化硅產(chǎn)業(yè)化。碳化硅降本核心在于擴大襯底尺寸、提升長晶速度和生產(chǎn)良率。根據(jù)Wolfspeed數(shù)據(jù)，襯底單片尺寸從6英寸擴大到8英寸時，單批次芯片產(chǎn)量從448增長到845，同時邊緣損失率從14%降低到7%，大大提高了晶圓利用率。

成本降低循序漸進，8英寸襯底預(yù)計2024年開始具備優(yōu)勢。襯底擴徑對生產(chǎn)工藝和設(shè)備要求更嚴格，8英寸襯底還存在諸多技術(shù)問題：首先是8英寸籽晶的研制，其次要解決大尺寸帶來的溫場不均勻、氣相原料分布和輸運效率問題，還要解決應(yīng)力加大導(dǎo)致晶體開裂問題。襯底尺寸從6英寸發(fā)展到8英寸，單位面積成本首先會因為良率問題有所上升，隨著技術(shù)成熟度上升和競爭加劇而逐漸下降。根據(jù)Wolfspeed預(yù)測，8英寸襯底于2024年全面達產(chǎn)，單位面積制造成本相比2022年6英寸襯底降幅超過60%。根據(jù)PGCConsultancy的成本預(yù)測模型，2023-2024年碳化硅8英寸襯底開始具備經(jīng)濟型；到2030年，使用8英寸襯底制作的1200V/100AMOSFET器件的成本相比2022年使用6英寸制作的同規(guī)格器件，有望降低54%（最好情況降低57%，最差情況降低50%）。

國際廠商轉(zhuǎn)向8英寸，國內(nèi)主流4英寸，8英寸已展開布局?，F(xiàn)階段，國際主流尺寸為6英寸，逐漸向8英寸發(fā)展，尺寸大型化可使邊緣損失率降低為7%，提高襯底利用率。2022年4月Wolfspeed在美國紐約州莫霍克谷的全球首條8英寸碳化硅制造設(shè)施開業(yè)。國內(nèi)由于起步晚、產(chǎn)業(yè)化程度低，目前主要尺寸為4英寸，天岳先進和天科合達發(fā)展迅速，三安光電、露笑科技等也正加大布局力度。

表：8英寸碳化硅襯底目前僅wolfspeed投產(chǎn)，廠商量產(chǎn)時間集中在2023-2024年

襯底制備是最核心環(huán)節(jié)，難度集中在晶體生長和襯底切割。從原材料到碳化硅器件需要經(jīng)歷原料合成、晶體生長、晶體加工、晶片加工、外延生長、晶圓制造和封測等工藝流程。襯底制備是最核心環(huán)節(jié)，技術(shù)壁壘高，難點主要在于晶體生長和切割；外延生長關(guān)鍵環(huán)節(jié)，影響最終器件性能。SiC晶圓制造與硅晶圓類似，通過涂膠、顯影、光刻、減薄、退火等前道工藝加工成晶圓，經(jīng)后段工藝制成芯片，用于制造各類器件及模組，通過驗證后即可用于汽車、光伏等應(yīng)用領(lǐng)域。

2016年以前，光伏切割設(shè)備領(lǐng)域占主導(dǎo)地位是以瑞士MeyerBurger公司、HCT公司，日本高鳥、小松NTC等為代表的國際廠商；激光切割方面則由日本半導(dǎo)體設(shè)備巨頭DISCO主導(dǎo)。近年來國產(chǎn)品牌發(fā)展迅速，國產(chǎn)光伏切割設(shè)備已經(jīng)占據(jù)市場主導(dǎo)地位。目前國內(nèi)碳化硅切割設(shè)備主流為金剛線切割設(shè)備，主要集中于高測股份、上機數(shù)控、連城數(shù)控、宇晶股份等國內(nèi)企業(yè)；激光切割設(shè)備目前試產(chǎn)份額較小，主要集中于德龍激光、大族激光等國內(nèi)企業(yè)。

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