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        迎接碳化硅8英寸時代

        來源:電子信息產業網

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        所屬頻道:新聞中心

        關鍵詞:8英寸晶圓

          近年來,國際各大碳化硅生產廠商加速8英寸晶圓的開發量產進程。碳化硅龍頭WolfSpeed啟用并開始試產旗下一座8英寸新廠,預計明年上半年將有顯著營收。法國Soitec半導體公司發布首款8英寸SmartSiC晶圓。晶圓代工大廠聯電也將加大設備投資力度,布局8英寸的寬禁帶半導體晶圓制造。當前,全球碳化硅領域仍以6英寸為主。但從硅基半導體的發展經驗來看,從6英寸到8英寸再到12英寸晶圓,每次提升都會對行業帶來意義明顯的影響。隨著各大廠商加快8英寸量產步伐,碳化硅晶圓的8英寸時代也在逐步臨近。

          大廠加速量產8英寸晶圓

          4月26日,全球最大的碳化硅供應商Wolfspeed公司宣布其位于美國紐約州莫霍克谷的碳化硅制造新廠開業,首批碳化硅晶圓已在早些時候開始制造。這座工廠采用的是8英寸碳化硅晶圓加工技術,也是全球首條8英寸生產線。這座工廠的啟動試產,將加快碳化硅行業從6英寸向8英寸晶圓過渡的步伐。Wolfspeed全球運營高級副總裁Rex Felton表示,該公司還在美國北卡羅來納州達勒姆市建設一座材料工廠,預計將于今年晚些時候竣工。屆時將與晶圓制造工廠形成更大的協同作用。

          法國半導體材料企業Soitec半導體公司也在近日發布了首款8英寸碳化硅SmartSiC晶圓。據悉,該產品是在Soitec 與 CEA-Leti公司合作的襯底創新中心的試驗線上生產的。Soitec還在今年3月啟動了一座新晶圓廠的建設,用于生產6英寸與8英寸碳化硅晶圓,新廠預計將于2023 年下半年投入運營。

          半導體代工大廠聯電近日也在布局生產寬禁帶半導體,且主攻更具前景的8英寸晶圓制造,其近期正在大舉購置新設備,預計下半年進駐廠區。創道投資咨詢總經理步日欣表示:“聯電擴產8英寸寬禁帶半導體制造,意味著寬禁帶半導體正在向著大規模、低成本方向演進?!?/p>

          從目前全球市場情況來看,碳化硅領域的主要廠商包括Wolfspeed、Soitec、意法半導體、英飛凌、羅姆等。這些公司在進入6英寸生產后,近年來開始積極推動碳化硅向8英寸發展。資料顯示,2015年Wolfspeed便展示了8英寸碳化硅襯底。2019年5月,Wolfspeed宣布投入10億美元進行莫霍克谷新廠的建設。Soitec于2021年宣布五年投資計劃,將在5年內投資11億歐元將年產能翻一番,同時新建的2座碳化硅晶圓廠中,一座為6英寸、一座為8英寸。意法半導體2019年收購了Norste公司,并將其更名為意法半導體碳化硅公司。意法半導體總裁兼首席執行官Jean-MarcChery在此前接受記者采訪時表示,對Norstel公司的收購,填補了意法半導體碳化硅晶圓的制造技術。未來,意法半導體將進行8英寸碳化硅晶圓的生產開發,并計劃在8英寸碳化硅晶圓上率先制造功率二極管、MOSFET等產品。

          8英寸時代到來還需5至6年

          SiC具有高擊穿電場、高飽和電子速度、高熱導率、高電子密度和高遷移率等特點,是良好的半導體材料,目前已經在汽車電子、工業半導體等領域有了較為廣泛的應用。而在進入8英寸后,每片晶圓中理論上可用的裸片數量將大大增加。根據Wolfspeed財報說明上的數據,單從晶圓加工成本來看,從6英寸升級到8英寸,晶圓成本是增加的,但從8英寸晶圓中獲得的優良裸片(die)數量可增加20%~30%,產量更高,最終的芯片成本將更低。

          意法半導體汽車和分立器件產品部功率晶體管事業部市場溝通經理Gianfranco DI MARCO表示,硅基半導體的發展歷史證明,改用更大尺寸的晶圓可以提高生產率。這是越來越多廠商積極推進8英寸晶圓的主要原因之一。

          但碳化硅晶圓向8英寸升級并不容易,即便有少數幾家公司能夠成功量產8英寸晶圓也不意味著碳化硅的8英寸時代就此到來。IGBT發明人B.Jayant Baliga演講時就曾指出,碳化硅功率器件可以用更短的溝道長度和更小的單元尺寸來實現傳統器件的功能。但碳化硅與硅基半導體材料相比,襯底生長極為困難和緩慢,8英寸與6英寸碳化硅晶圓的工藝有很大差別,也更加復雜。

          深圳基本半導體有限公司總經理和巍巍也表示,碳化硅從6英寸向8英寸過渡,工藝上的挑戰主要體現在幾方面:一是擴徑生長問題,從6英寸到8英寸,如果仍然使用物理氣相傳輸法(PVT)制備碳化硅襯底,需要提高原料運輸的效率,解決籽晶邊緣多晶形核問題,解決多型相變問題,改善結晶質量等,這就需要進一步改進生長裝置,優化生長工藝。二是溫場控制問題,從6英寸結晶爐改到8英寸結晶爐,設備對溫度控制的精度是下降的,也就會形成更大的挑戰。三是晶體生長及切割應力形成的問題,晶體尺寸越大,生長的內應力就越大,切割應力也越大。晶片切割后的應力釋放會導致翹曲問題的發生,需要開發新的切割技術加以應對。

          盡管Wolfspeed已經啟動8英寸碳化硅晶圓廠試產,其他部分國際大廠也在向8英寸推進,但是整個碳化硅行業要想真正進入8英寸時代并非一蹴而就,預計還需要五至六年的過渡時間或許才可完成。也就是到2028年左右,全球碳化硅行業才有可能真正進入8英寸的量產時代。這個周期相對漫長,而在此期間6英寸碳化硅在市場上仍將保持較大份額。

          產業協同應對8英寸時代挑戰

          盡管6英寸仍為主流,8英寸碳化硅晶圓的產能釋放并不會在短期內對行業造成沖擊,但是我國企業現在就應當正視這個挑戰,并加以積極應對了。專家指出,8英寸晶圓存在材料生長難度大、切割難度大、切割損失大等問題,現階段8英寸的成品率肯定是低的,最終的成品器件價格也不會比6英寸便宜多少。因此短期內8英寸投入市場,對行業不會有太大的影響。但從長期來看,隨著技術的進步,材料生長與切割工藝方面的問題必將會被突破,如英飛凌便收購了Siltectra公司,其開發的冷切割技術可使原料損耗減至50%。最終8英寸晶圓上的芯片價格必然會低于6英寸上的芯片價格,同時產能明顯的提升。隨著成本下降、產量增加、規模擴大,進一步推動成本繼續降低,將會形成正向循環。這樣的循環一旦形成,對原有產業格局的影響將是巨大的。

          目前,我國碳化硅襯底材料領域,量產生產線仍以6英寸為主,8英寸還有難度。資料顯示,我國目前碳化硅廠家中,擁有6英寸生產線的企業包括中車、三安光電、華潤微電子、積塔半導體、燕東微電子等。也有一些企業在布局8英寸碳化硅襯底的開發,如天科合達在2020年啟動了8英寸碳化硅的研發。合肥露笑科技投資100億元建設碳化硅設備制造、長晶生產、襯底加工、外延制作等,預計其第二期、第三期將推進8 英寸的量產。東莞天域也在籌備8英寸碳化硅晶圓的外延生長。但是,整體進程仍然落后于國際先進企業。

          和巍巍指出,目前市場上碳化硅器件仍然處于缺貨的狀態。國內外碳化硅企業手上應該都有大把的訂單。在中短期內,8英寸晶圓單芯片價格不會比6英寸便宜多少,因此并不會帶來太大的競爭壓力。但以中遠期的目光來看,當國際上8英寸碳化硅的相關加工技術完全成熟,成本降下來后,我國以6英寸為主的碳化硅產品將會面臨更大的競爭壓力,體現在芯片成本、價格以及供應能力等方面。因此,為應對這樣的挑戰,國內器件廠商應與襯底、外延等原材料廠商積極配合,充分整合國內產業鏈企業,共同開發8英寸材料、工藝等技術,包括降低芯片導通電阻及芯片面積,提高單晶圓產出。同時整合國內供應鏈,利用國產襯底外延材料價格及產能優勢,降低成本提高產出,在研發、技術、工藝、質量、產業化等多個維度全面提升核心競爭力。


          (審核編輯: 智匯聞)

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