圍攻SiC襯底龍頭
半導(dǎo)體材料與工藝設(shè)備 2022-01-20 17:17
以下文章來(lái)源于半導(dǎo)體行業(yè)觀察 ，作者穆梓
來(lái)源：半導(dǎo)體行業(yè)觀察
因?yàn)樾履茉雌?chē)的火熱，SiC正在以前所未有的速度增長(zhǎng)。據(jù)Yole統(tǒng)計(jì)預(yù)測(cè)，自2001年碳化硅器件首次商用以來(lái)，這個(gè)新興器件在過(guò)去多年已經(jīng)獲得了市場(chǎng)的證明。而整個(gè)SiC器件市場(chǎng)在2019年至2025年間將以30%的CAGR增長(zhǎng)，截至2025年應(yīng)達(dá)到25億美元以上。按照Yole的說(shuō)法，作為整個(gè)功率電子市場(chǎng)的主要驅(qū)動(dòng)因素之一，汽車(chē)應(yīng)用有望在SiC功率半導(dǎo)體領(lǐng)域也成為主要市場(chǎng)之一。集邦咨詢(xún)也指出，隨著電動(dòng)車(chē)滲透率不斷升高，以及整車(chē)架構(gòu)朝800V高壓方向邁進(jìn)，預(yù)估2025年全球電動(dòng)車(chē)市場(chǎng)對(duì)6英寸SiC晶圓需求可達(dá)169萬(wàn)片。他們同時(shí)強(qiáng)調(diào)，目前來(lái)看，電動(dòng)車(chē)已成為SiC核心應(yīng)用場(chǎng)景，其中OBC（車(chē)載充電器）和DC-DC轉(zhuǎn)換器組件對(duì)于SiC器件的應(yīng)用已經(jīng)相對(duì)成熟，而基于SiC的主驅(qū)逆變器仍未進(jìn)入大規(guī)模量產(chǎn)階段。由此可見(jiàn)，SiC器件在未來(lái)幾年將變得越來(lái)越火已成定局，這就引發(fā)了對(duì)SiC器件的關(guān)鍵——襯底的競(jìng)爭(zhēng)。正如集邦咨詢(xún)?cè)趫?bào)告中所說(shuō)：“上游SiC襯底材料環(huán)節(jié)將成為產(chǎn)能關(guān)鍵制約點(diǎn)，其制程復(fù)雜、技術(shù)門(mén)檻高、晶體生長(zhǎng)緩慢?！?/span>從整個(gè)市場(chǎng)看來(lái)，我們除了看到SiC襯底龍頭Wolfspeed（曾經(jīng)的Cree）在鞏固自己的勢(shì)力的同時(shí)，來(lái)自中日韓臺(tái)等國(guó)家和地區(qū)的企業(yè)也正在厲兵秣馬，往虎口搶食。說(shuō)Wolfspeed這個(gè)名字，也許大家會(huì)覺(jué)得陌生，但如果說(shuō)Cree，不少人應(yīng)該都略有耳聞。因?yàn)樗麄冊(cè)?jīng)在LED燈珠市場(chǎng)也獨(dú)步天下。筆者在早些年接觸LED市場(chǎng)的時(shí)候，就常常聽(tīng)到有人提到這個(gè)名字。但正如大家所知道的一樣，隨著中國(guó)廠商的崛起，CREE逐漸轉(zhuǎn)型，在經(jīng)歷了出售不成的戲碼之后，CREE終于在去年十月宣布，公司正式改名Wolfspeed。在官方新聞稿中，他們表示，在經(jīng)過(guò)了長(zhǎng)達(dá)四年的徹底轉(zhuǎn)型，包括剝離掉原先占比三分之二的業(yè)務(wù)，并重新定位公司的總體核心戰(zhàn)略，作為碳化硅（SiC）技術(shù)和制造全球領(lǐng)先企業(yè)的 Wolfspeed正式宣布成立?！盎?30 多年專(zhuān)精技術(shù)的積淀與傳承，Wolfspeed 這個(gè)名稱(chēng)一方面?zhèn)鬟f出了像狼一樣的優(yōu)秀品質(zhì) – 領(lǐng)導(dǎo)力、智慧和堅(jiān)韌不拔；另一方面也展現(xiàn)了速度這一典型特征，這體現(xiàn)在公司在創(chuàng)新和運(yùn)營(yíng)方面的步伐節(jié)奏在業(yè)界都是出類(lèi)拔萃的?！彼麄冞M(jìn)一步指出。Wolfspeed之所以能在SiC市場(chǎng)能有這么足的底氣，這與他們占領(lǐng)了市場(chǎng)60%左右的供應(yīng)有很大的關(guān)系。而之所以能擁有如此高的市占率，要追溯到公司的前身CREE在1989年推出的世界上第一款藍(lán)色LED——一款在SiC上生產(chǎn)的產(chǎn)品。在LED上初戰(zhàn)告捷以后，Cree將SiC材料拓展到其他領(lǐng)域：1991年，他們推出全球首款商用SiC晶圓；1998年，他們又打造出業(yè)界首款采用SiC的GaN HEMT；2000年后，他們?cè)俳釉賲?，?002年推出首款600V商用SiC JBS肖特基二極管，2011年，他們又推出了歷時(shí)20年研發(fā)的，全球首款SiC MOSFET。而按照相關(guān)資料介紹，Cree（Wolfspeed）之所以能夠在SiC襯底市場(chǎng)上擁有如此強(qiáng)的號(hào)召力，與這類(lèi)型產(chǎn)品制造極為困難，但類(lèi)似Cree這樣的企業(yè)在過(guò)去的發(fā)展過(guò)程中，已經(jīng)趟過(guò)不少坑，積累了很多“know-how”有關(guān)。公眾號(hào)“水滴石開(kāi)”的作者沈斌在其文章中也說(shuō)到：“襯底的生產(chǎn)過(guò)程中的精確控制一直是個(gè)核心難點(diǎn)。SiC單晶生長(zhǎng)溫度高達(dá)2,300℃，且碳化硅只有‘固-氣’二相，相比于第一代、第二代半導(dǎo)體的“固-液-氣”三相，控制起來(lái)要困難得多，沒(méi)有相關(guān)技術(shù)進(jìn)行參考借鑒。加上SiC的單晶結(jié)構(gòu)差不多有200余種同分異構(gòu)體，很多的晶型間的自由能差異非常小，這些都給其單晶的產(chǎn)業(yè)化生長(zhǎng)制備帶來(lái)了很大的挑戰(zhàn)。直接的結(jié)果是，sic單晶體中的缺陷一直是核心要解決的問(wèn)題?！?/span>正因?yàn)槿绱?，曾?jīng)的Cree，現(xiàn)在的Wolfspeed不但在SiC器件方面獲得了客戶(hù)的認(rèn)可，在襯底方面也屢創(chuàng)佳績(jī)。在去年八月，Wolfspeed與ST聯(lián)合宣布，雙方將現(xiàn)有碳化硅(SiC)晶圓片多年長(zhǎng)期供貨協(xié)議總價(jià)提高至5億美元以上，并延長(zhǎng)協(xié)議有效期。這份延長(zhǎng)供貨協(xié)議將原合同總價(jià)提高一倍，按照協(xié)議規(guī)定，Cree在未來(lái)幾年內(nèi)向意法半導(dǎo)體提供先進(jìn)的150mm碳化硅裸片和外延晶圓。增加晶圓供應(yīng)量讓市場(chǎng)領(lǐng)先的半導(dǎo)體廠商意法半導(dǎo)體能夠滿(mǎn)足全球市場(chǎng)，尤其是汽車(chē)和工業(yè)應(yīng)用對(duì)碳化硅功率器件快速增長(zhǎng)的需求。此外，Wolfspeed還和SiC器件的競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手安森美和英飛凌達(dá)成了襯底長(zhǎng)期供貨協(xié)議。他們都是這個(gè)市場(chǎng)當(dāng)仁不讓的領(lǐng)頭羊，且在碳化硅晶圓市場(chǎng)上，還有II-VI、昭和電工和Dow Corning等競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手，這足以可以說(shuō)明Wolfspeed在這個(gè)市場(chǎng)的影響力。但他們不能高枕無(wú)憂(yōu)，因?yàn)楦?jìng)爭(zhēng)對(duì)手正在洶涌而至，挑戰(zhàn)他們的地位。競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手頻頻出招在對(duì)SiC襯底的爭(zhēng)奪方面，可以從兩個(gè)緯度看。一方面，是那些器件廠商打造自己的襯底供應(yīng)，消防隊(duì)羅姆和ST打造自己的全供應(yīng)鏈。這在半導(dǎo)體行業(yè)觀察之前的文章《買(mǎi)下那家SiC襯底供應(yīng)商》中有描述，在本文我們就不再贅述。
另一方面，第三方SiC供應(yīng)的爭(zhēng)奪也逐漸白熱化。首先大家熟悉的，多年的競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手的出招。II VI在去年三月宣布，計(jì)劃擴(kuò)大其在中國(guó)的碳化硅（SiC）晶圓加工生產(chǎn)基地。報(bào)道指出，該計(jì)劃將在5年內(nèi)將其SiC基板的生產(chǎn)能力提高5到10倍，包括直徑200毫米的襯底；昭和電工在去年八月也宣布，將藉由公募增資、第三者配額增資籌措約1,100億日?qǐng)A資金，其中約700億日?qǐng)A將用于擴(kuò)增SiC晶圓等半導(dǎo)體材料產(chǎn)能。除了上述企業(yè)外，日經(jīng)經(jīng)濟(jì)新聞在日前報(bào)道中指出，日本企業(yè)住友金屬礦山（簡(jiǎn)稱(chēng)住友礦山）開(kāi)始量産新一代功率半導(dǎo)體使用的晶圓。報(bào)道表示，住友金屬礦山于2017年收購(gòu)了電子部件經(jīng)銷(xiāo)商加賀電子旗下的碳化硅基板開(kāi)發(fā)企業(yè)日本SICOXS，一直在推進(jìn)共同研究。在晶圓制造方面，將主要由東京的青梅工廠負(fù)責(zé)前制程、由鹿兒島縣的鹿兒島工廠負(fù)責(zé)后制程，然后供貨。日經(jīng)指出，因?yàn)樽∮训V山開(kāi)發(fā)出了相關(guān)技術(shù)，在因結(jié)晶不規(guī)則而價(jià)格較低的底層「多晶碳化硅」上貼一層可以降低發(fā)電損耗的「單晶碳化硅」，從而做成1片晶圓。據(jù)悉與只用單晶碳化硅的傳統(tǒng)産品相比，價(jià)格低1~2成。按照日經(jīng)的說(shuō)法，住友礦山要搶占美國(guó)科銳（CREE）等領(lǐng)先企業(yè)的市場(chǎng)，而預(yù)計(jì)2025年實(shí)現(xiàn)月産1萬(wàn)片。此外，住友礦山還考慮開(kāi)發(fā)可以高效量産功率半導(dǎo)體的直徑8英吋産品，并在海外建設(shè)生産基地等。無(wú)獨(dú)有偶，全球硅晶圓大廠環(huán)球晶對(duì)這個(gè)市場(chǎng)也虎視眈眈。據(jù)報(bào)道，環(huán)球晶董事長(zhǎng)徐秀蘭上月底在出席國(guó)際光電大展時(shí)透露，明年將同步擴(kuò)產(chǎn)GaN(氮化鎵) 與SiC(碳化硅) ，產(chǎn)能均將翻倍成長(zhǎng)。報(bào)道指出，環(huán)球晶目前6 吋SiC 襯底月產(chǎn)能約2000 片，部分客戶(hù)已開(kāi)始出貨，據(jù)悉，由于客戶(hù)需求強(qiáng)勁，明年6 吋SiC 襯底產(chǎn)能將不只翻倍增，而是呈現(xiàn)倍數(shù)成長(zhǎng)，可望擴(kuò)增至5000 片，也有機(jī)會(huì)進(jìn)一步提升至8000 片。去年九月，韓國(guó)SK 集團(tuán)也宣布，計(jì)劃在碳化硅襯底業(yè)務(wù)上投資 7000 億韓元（約合 38億元人民幣），以期 2025 年成為世界尖端材料市場(chǎng)的龍頭。根據(jù)報(bào)道，SK 集團(tuán)計(jì)劃將 SiC 晶圓的生產(chǎn)能力從2021年的年產(chǎn)3萬(wàn)片增加到 2025 年的每月 5萬(wàn)片，大幅提高他們的市占率。該他們預(yù)測(cè)，2021 年 ，公司SiC 晶圓業(yè)務(wù)的銷(xiāo)售額將達(dá)到 300 億韓元，并計(jì)劃到 2025 年將銷(xiāo)售額提高到 5000 億韓元SOI晶圓供應(yīng)商Soitec在去年11月30日也宣布，收購(gòu)碳化硅晶圓拋光和回收公司NOVASiC，以推動(dòng)電動(dòng)汽車(chē)和工業(yè)應(yīng)用電源系統(tǒng)半導(dǎo)體的開(kāi)發(fā)。Soitec表示，他們將通過(guò)獨(dú)特的碳化硅技術(shù)SmartCut，用多晶碳化硅襯底，來(lái)提高單晶供體碳化硅襯底的重復(fù)使用率、良率、性能。當(dāng)然，正在大力發(fā)展半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的中國(guó)，也自然不會(huì)錯(cuò)過(guò)這個(gè)機(jī)會(huì)。如最近上市的天岳就是國(guó)內(nèi)SiC襯底的供應(yīng)商。另外還有天科合達(dá)和三安光電等本土企業(yè)正在深耕這個(gè)領(lǐng)域。不過(guò)，正如天岳在招股說(shuō)明書(shū)中所說(shuō)：“根據(jù)公開(kāi)信息，行業(yè)龍頭科銳公司能夠批量供應(yīng) 4 英寸至 6 英寸導(dǎo)電型和半絕緣型碳化硅襯底，且已成功研發(fā)并開(kāi)始建設(shè) 8 英寸產(chǎn)品生產(chǎn)線。目前，公司主要產(chǎn)品是 4 英寸半絕緣型碳化硅襯底，6 英寸半絕緣型和 6 英寸導(dǎo)電型襯底已形成小批量銷(xiāo)售，與全球行業(yè)龍頭尚存在一定的差距?！?/span>這可以看作國(guó)內(nèi)碳化硅襯底的一個(gè)縮影，但可以肯定的是。作為全球最有影響力的市場(chǎng)之一，中國(guó)廠商在這個(gè)賽道的未來(lái)表現(xiàn)絕對(duì)不容忽視。Wolfspeed的應(yīng)對(duì)之策對(duì)Wolfspeed而言，面對(duì)來(lái)勢(shì)洶洶的競(jìng)爭(zhēng)者，擴(kuò)產(chǎn)是他們的一個(gè)重要的手段。早在2019年五月，他們就宣布，作為公司長(zhǎng)期增長(zhǎng)戰(zhàn)略的一部分，公司將投資10億美元用于擴(kuò)大碳化硅產(chǎn)能，在美國(guó)總部北卡羅萊納州達(dá)勒姆市建造一座采用最先進(jìn)技術(shù)的自動(dòng)化200mm SiC碳化硅生產(chǎn)工廠和一座材料超級(jí)工廠。報(bào)道指出，這是Cree有史以來(lái)最大的生產(chǎn)投資，將為Wolfspeed碳化硅和碳化硅基氮化鎵（GaN-on-SiC）業(yè)務(wù)提供動(dòng)能。這次產(chǎn)能擴(kuò)大在2024年全部完工后，將帶來(lái)碳化硅晶圓制造產(chǎn)能的30倍增長(zhǎng)和碳化硅材料生產(chǎn)的30倍增長(zhǎng)，以滿(mǎn)足2024年之前的預(yù)期市場(chǎng)增長(zhǎng)。Cree首席執(zhí)行官Gregg Lowe在去年八月也再次確認(rèn)，其位于紐約州馬西鎮(zhèn)的碳化硅（SiC）晶圓廠有望在2022年初投產(chǎn)。按照微信公眾號(hào)“01芯聞”的作者所說(shuō)，從Wolfspeed給出的碳化硅襯底總產(chǎn)能規(guī)劃來(lái)看，他們?cè)?022財(cái)年和2024財(cái)年的8寸碳化硅襯底產(chǎn)能分別為每周2千3百片和3千3百片。假設(shè)這些襯底沒(méi)有作為材料銷(xiāo)售或者制作射頻器件，而是全部用來(lái)生產(chǎn)32平方毫米碳化硅MOSFET，理論上科銳的Durham 6寸線和MVF（Mohawk Valley FAB） 8寸線在2022財(cái)年和2024財(cái)年可以至多滿(mǎn)足一百七十萬(wàn)臺(tái)和兩百四十萬(wàn)臺(tái)電動(dòng)汽車(chē)逆變器的需求。與此同時(shí)，往八英寸碳化硅晶圓的過(guò)渡，也是Wolfspeed的回應(yīng)方式之一，這也是業(yè)界先進(jìn)正在追逐的目標(biāo)。在半導(dǎo)體行業(yè)觀察之前的文章《SiC，進(jìn)入八英寸時(shí)代！》中，有對(duì)八英寸碳化硅晶圓的好處進(jìn)行了描述?！?1芯聞”的作者也指出，進(jìn)入八英寸，每片晶圓中理論上可用的裸片數(shù)量（GDPW，又稱(chēng)PDPW）大大增加。以32平方毫米的裸片為例，從六寸晶圓擴(kuò)大到八寸晶圓，每片晶圓上的裸片數(shù)量增加了近90%， 且邊緣裸片的數(shù)量占比從14%減少了7%。他繼續(xù)表示，從目前的測(cè)試數(shù)據(jù)來(lái)看，Wolfspeed的八寸碳化硅晶圓在做完化學(xué)機(jī)械拋光CMP后的良率可到90%以上，復(fù)合公司之前透露的數(shù)據(jù)（預(yù)期八寸良率超過(guò)目前的6寸線20%-30%）。Wolfspeed方面在去年十月底的財(cái)報(bào)說(shuō)明上也表示，單從晶圓加工成本來(lái)看，從六英寸升級(jí)到八英寸，成本是增加的，但是八英寸晶圓得到的優(yōu)良die數(shù)量增加了20-30%，產(chǎn)量更高，所以芯片成本更低。“我們大約兩年前就開(kāi)始建造200毫米的工廠，我們還花了大約1.25-1.5年的時(shí)間來(lái)運(yùn)行與調(diào)試，現(xiàn)在200mm的工廠馬上就要上線，目前的生產(chǎn)運(yùn)行情況令人鼓舞。對(duì)手現(xiàn)在要從零開(kāi)始建設(shè)200mm工廠的周期會(huì)超過(guò)兩年。”Wolfspeed在財(cái)報(bào)會(huì)上驕傲地說(shuō)。可以肯定的是，未來(lái)圍繞著SiC襯底的競(jìng)爭(zhēng)會(huì)愈發(fā)激烈。而產(chǎn)業(yè)格局將走向何方，相信不用很多年我們就能看到結(jié)果。屆時(shí)，中國(guó)企業(yè)能跑到什么位置，這也值得大家期待。
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