圍攻SiC襯底龍頭
半導(dǎo)體材料與工藝設(shè)備 2022-01-20 17:17
以下文章來源于半導(dǎo)體行業(yè)觀察 ，作者穆梓
來源：半導(dǎo)體行業(yè)觀察
因?yàn)樾履茉雌嚨幕馃?，SiC正在以前所未有的速度增長。據(jù)Yole統(tǒng)計預(yù)測，自2001年碳化硅器件首次商用以來，這個新興器件在過去多年已經(jīng)獲得了市場的證明。而整個SiC器件市場在2019年至2025年間將以30%的CAGR增長，截至2025年應(yīng)達(dá)到25億美元以上。按照Yole的說法，作為整個功率電子市場的主要驅(qū)動因素之一，汽車應(yīng)用有望在SiC功率半導(dǎo)體領(lǐng)域也成為主要市場之一。集邦咨詢也指出，隨著電動車滲透率不斷升高，以及整車架構(gòu)朝800V高壓方向邁進(jìn)，預(yù)估2025年全球電動車市場對6英寸SiC晶圓需求可達(dá)169萬片。他們同時強(qiáng)調(diào)，目前來看，電動車已成為SiC核心應(yīng)用場景，其中OBC（車載充電器）和DC-DC轉(zhuǎn)換器組件對于SiC器件的應(yīng)用已經(jīng)相對成熟，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，SiC器件在未來幾年將變得越來越火已成定局，這就引發(fā)了對SiC器件的關(guān)鍵——襯底的競爭。正如集邦咨詢在報告中所說：“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)門檻高、晶體生長緩慢。”從整個市場看來，我們除了看到SiC襯底龍頭Wolfspeed（曾經(jīng)的Cree）在鞏固自己的勢力的同時，來自中日韓臺等國家和地區(qū)的企業(yè)也正在厲兵秣馬，往虎口搶食。說Wolfspeed這個名字，也許大家會覺得陌生，但如果說Cree，不少人應(yīng)該都略有耳聞。因?yàn)樗麄冊?jīng)在LED燈珠市場也獨(dú)步天下。筆者在早些年接觸LED市場的時候，就常常聽到有人提到這個名字。但正如大家所知道的一樣，隨著中國廠商的崛起，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)過了長達(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。“基于 30 多年專精技術(shù)的積淀與傳承，Wolfspeed 這個名稱一方面?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)營方面的步伐節(jié)奏在業(yè)界都是出類拔萃的?！彼麄冞M(jìn)一步指出。Wolfspeed之所以能在SiC市場能有這么足的底氣，這與他們占領(lǐng)了市場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，他們再接再厲，在2002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襯底市場上擁有如此強(qiáng)的號召力，與這類型產(chǎn)品制造極為困難，但類似Cree這樣的企業(yè)在過去的發(fā)展過程中，已經(jīng)趟過不少坑，積累了很多“know-how”有關(guān)。公眾號“水滴石開”的作者沈斌在其文章中也說到：“襯底的生產(chǎn)過程中的精確控制一直是個核心難點(diǎn)。SiC單晶生長溫度高達(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，控制起來要困難得多，沒有相關(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)化生長制備帶來了很大的挑戰(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的認(rèn)可，在襯底方面也屢創(chuàng)佳績。在去年八月，Wolfspeed與ST聯(lián)合宣布，雙方將現(xiàn)有碳化硅(SiC)晶圓片多年長期供貨協(xié)議總價提高至5億美元以上，并延長協(xié)議有效期。這份延長供貨協(xié)議將原合同總價提高一倍，按照協(xié)議規(guī)定，Cree在未來幾年內(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)量讓市場領(lǐng)先的半導(dǎo)體廠商意法半導(dǎo)體能夠滿足全球市場，尤其是汽車和工業(yè)應(yīng)用對碳化硅功率器件快速增長的需求。此外，Wolfspeed還和SiC器件的競爭對手安森美和英飛凌達(dá)成了襯底長期供貨協(xié)議。他們都是這個市場當(dāng)仁不讓的領(lǐng)頭羊，且在碳化硅晶圓市場上，還有II-VI、昭和電工和Dow Corning等競爭對手，這足以可以說明Wolfspeed在這個市場的影響力。但他們不能高枕無憂，因?yàn)楦偁帉κ终跊坝慷?，挑?zhàn)他們的地位。在對SiC襯底的爭奪方面，可以從兩個緯度看。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)的爭奪也逐漸白熱化。首先大家熟悉的，多年的競爭對手的出招。II VI在去年三月宣布，計劃擴(kuò)大其在中國的碳化硅（SiC）晶圓加工生產(chǎn)基地。報道指出，該計劃將在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1,100億日圓資金，其中約700億日圓將用于擴(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)新聞在日前報道中指出，日本企業(yè)住友金屬礦山（簡稱住友礦山）開始量産新一代功率半導(dǎo)體使用的晶圓。報道表示，住友金屬礦山于2017年收購了電子部件經(jīng)銷商加賀電子旗下的碳化硅基板開發(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山開發(fā)出了相關(guān)技術(shù)，在因結(jié)晶不規(guī)則而價格較低的底層「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，價格低1~2成。按照日經(jīng)的說法，住友礦山要搶占美國科銳（CREE）等領(lǐng)先企業(yè)的市場，而預(yù)計2025年實(shí)現(xiàn)月産1萬片。此外，住友礦山還考慮開發(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。無獨(dú)有偶，全球硅晶圓大廠環(huán)球晶對這個市場也虎視眈眈。據(jù)報道，環(huán)球晶董事長徐秀蘭上月底在出席國際光電大展時透露，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。報道指出，環(huán)球晶目前6 吋SiC 襯底月產(chǎn)能約2000 片，部分客戶已開始出貨，據(jù)悉，由于客戶需求強(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，可望擴(kuò)增至5000 片，也有機(jī)會進(jìn)一步提升至8000 片。去年九月，韓國SK 集團(tuán)也宣布，計劃在碳化硅襯底業(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的龍頭。根據(jù)報道，SK 集團(tuán)計劃將 SiC 晶圓的生產(chǎn)能力從2021年的年產(chǎn)3萬片增加到 2025 年的每月 5萬片，大幅提高他們的市占率。該他們預(yù)測，2021 年 ，公司SiC 晶圓業(yè)務(wù)的銷售額將達(dá)到 300 億韓元，并計劃到 2025 年將銷售額提高到 5000 億韓元SOI晶圓供應(yīng)商Soitec在去年11月30日也宣布，收購碳化硅晶圓拋光和回收公司NOVASiC，以推動電動汽車和工業(yè)應(yīng)用電源系統(tǒng)半導(dǎo)體的開發(fā)。Soitec表示，他們將通過獨(dú)特的碳化硅技術(shù)SmartCut，用多晶碳化硅襯底，來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，也自然不會錯過這個機(jī)會。如最近上市的天岳就是國內(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)正在深耕這個領(lǐng)域。不過，正如天岳在招股說明書中所說：“根據(jù)公開信息，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售，與全球行業(yè)龍頭尚存在一定的差距?！?/span>這可以看作國內(nèi)碳化硅襯底的一個縮影，但可以肯定的是。作為全球最有影響力的市場之一，中國廠商在這個賽道的未來表現(xiàn)絕對不容忽視。對Wolfspeed而言，面對來勢洶洶的競爭者，擴(kuò)產(chǎn)是他們的一個重要的手段。早在2019年五月，他們就宣布，作為公司長期增長戰(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)的自動化200mm SiC碳化硅生產(chǎn)工廠和一座材料超級工廠。報道指出，這是Cree有史以來最大的生產(chǎn)投資，將為Wolfspeed碳化硅和碳化硅基氮化鎵（GaN-on-SiC）業(yè)務(wù)提供動能。這次產(chǎn)能擴(kuò)大在2024年全部完工后，將帶來碳化硅晶圓制造產(chǎn)能的30倍增長和碳化硅材料生產(chǎn)的30倍增長，以滿足2024年之前的預(yù)期市場增長。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“01芯聞”的作者所說，從Wolfspeed給出的碳化硅襯底總產(chǎn)能規(guī)劃來看，他們在2022財年和2024財年的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)這些襯底沒有作為材料銷售或者制作射頻器件，而是全部用來生產(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財年和2024財年可以至多滿足一百七十萬臺和兩百四十萬臺電動汽車逆變器的需求。與此同時，往八英寸碳化硅晶圓的過渡，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)入八英寸時代！》中，有對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，從目前的測試數(shù)據(jù)來看，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)期八寸良率超過目前的6寸線20%-30%）。Wolfspeed方面在去年十月底的財報說明上也表示，單從晶圓加工成本來看，從六英寸升級到八英寸，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始建造200毫米的工廠，我們還花了大約1.25-1.5年的時間來運(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。對手現(xiàn)在要從零開始建設(shè)200mm工廠的周期會超過兩年。”Wolfspeed在財報會上驕傲地說。可以肯定的是，未來圍繞著SiC襯底的競爭會愈發(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，中國企業(yè)能跑到什么位置，這也值得大家期待。
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