電子發(fā)燒友網(wǎng)報(bào)道（文/梁浩斌）碳化硅襯底作為碳化硅產(chǎn)業(yè)的上游核心材料，在下游器件需求高速增長(zhǎng)下，近年來(lái)襯底廠商加速推進(jìn)8英寸襯底的量產(chǎn)進(jìn)度，去年業(yè)界龍頭Wolfspeed已經(jīng)啟動(dòng)了全球首家8英寸SiC晶圓廠，也意味著8英寸襯底正式拉開(kāi)量產(chǎn)大幕。

那么8英寸襯底有哪些優(yōu)點(diǎn)以及技術(shù)難點(diǎn)，目前國(guó)內(nèi)廠商的進(jìn)度又如何？近期包括天科合達(dá)、爍科晶體等廠商以及產(chǎn)業(yè)人士都分享了一些最新觀點(diǎn)。

8英寸碳化硅襯底的必要性

正如硅基芯片所用到的硅晶圓，尺寸從6英寸、8英寸發(fā)展至12英寸一樣，對(duì)于碳化硅功率器件所用到的襯底，同樣在往大尺寸發(fā)展。

據(jù)天科合達(dá)研發(fā)副總婁艷芳介紹，8英寸襯底的有效利用率高，推動(dòng)產(chǎn)業(yè)鏈降本增效的效果明顯，尤其是襯底在碳化硅產(chǎn)業(yè)鏈中所占價(jià)值可以高達(dá)50%的情況下。襯底尺寸越大，單位襯底可以制造的芯片數(shù)量越多，單位芯片成本就越低。

比如從4英寸到6英寸，碳化硅器件單位成本預(yù)計(jì)能降低50%；而從6英寸到8英寸，碳化硅器件成本預(yù)計(jì)可以降低20%-35%。

雖然從數(shù)字上看8英寸襯底帶來(lái)的單位成本下降，相比4英寸發(fā)展至6英寸的過(guò)程要少，但8英寸襯底實(shí)際上相比6英寸能多切除近90%的芯片數(shù)量，邊緣浪費(fèi)降低7%。

同時(shí)，在襯底尺寸擴(kuò)大的同時(shí)，產(chǎn)線(xiàn)方面的投入也不需要太大，現(xiàn)有8英寸的硅基產(chǎn)線(xiàn)經(jīng)過(guò)改造就可以生產(chǎn)8英寸晶圓的碳化硅器件。

因此，在8英寸碳化硅襯底進(jìn)入市場(chǎng)后，爍科晶體總經(jīng)理助理馬康夫認(rèn)為，8英寸襯底具有的更高芯片利用面積和更低的成本，將改變市場(chǎng)格局。

電子發(fā)燒友/攝

集邦咨詢(xún)分析師龔瑞驕近期分享的預(yù)測(cè)顯示，預(yù)計(jì)到2026年，8英寸碳化硅襯底在市場(chǎng)中的份額會(huì)占到15%，與此同時(shí)6英寸的份額依然是市場(chǎng)主流，4英寸將會(huì)逐步退出市場(chǎng)。

這與硅片產(chǎn)業(yè)的發(fā)展歷程也較為接近，12英寸硅片的推出，沒(méi)有顯著壓縮8英寸的市場(chǎng)，而是使得6英寸的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力持續(xù)減弱。

8英寸襯底的難點(diǎn)

碳化硅材料相比于硅，生長(zhǎng)速度慢，熔點(diǎn)高，所以在過(guò)去幾十年間受到材料生長(zhǎng)的限制，產(chǎn)能難以提升也一定程度上限制碳化硅產(chǎn)業(yè)的發(fā)展速度。

而從6英寸到8英寸，碳化硅襯底的制造過(guò)程中更是會(huì)產(chǎn)生很多難題。婁艷芳總結(jié)了四點(diǎn)，第一是需要研發(fā)和調(diào)試大尺寸溫場(chǎng)材料，由于襯底尺寸變大，所以需要把溫場(chǎng)調(diào)大，在溫場(chǎng)調(diào)大的過(guò)程中，材料質(zhì)量、穩(wěn)定性、價(jià)格可能都有一定提升，因此要保證供應(yīng)質(zhì)量以及價(jià)格合理。

第二是由于碳化硅硬度和脆性較大，所以在襯底尺寸擴(kuò)大的情況下，晶片翹曲控制是一個(gè)很大的挑戰(zhàn)；

第三是目前為了防止晶片出現(xiàn)破損，8英寸晶片厚度都會(huì)較高，國(guó)際上以及國(guó)內(nèi)的產(chǎn)品基本上是500微米，6英寸僅為350微米左右，厚度增加后給成本會(huì)帶來(lái)很大挑戰(zhàn)。

第四是8英寸晶碇所需的籽晶較難制備，優(yōu)質(zhì)籽晶供應(yīng)是一個(gè)挑戰(zhàn)。

天科合達(dá)在材料生長(zhǎng)方面，則具備自主生長(zhǎng)爐研發(fā)的優(yōu)勢(shì)。從第一代的2英寸碳化硅生長(zhǎng)爐，到4-6英寸生長(zhǎng)爐，目前天科合達(dá)已經(jīng)發(fā)展到第五代生長(zhǎng)爐，可以滿(mǎn)足6-8英寸碳化硅產(chǎn)品的需求。

馬康夫也提到，在8英寸剛開(kāi)始研發(fā)的時(shí)候，市面上基本上買(mǎi)不到8英寸籽晶，因此只能從6英寸一點(diǎn)點(diǎn)擴(kuò)徑直8英寸，但這樣的工序所需的時(shí)間極長(zhǎng)，基本無(wú)法量產(chǎn)。后來(lái)爍科作出了質(zhì)量較好的8英寸籽晶后，為后面單晶生長(zhǎng)打下了基礎(chǔ)。

另一方面大尺寸晶體生長(zhǎng)面臨的應(yīng)力大，晶體容易開(kāi)裂。爍科晶體則通過(guò)爐體結(jié)構(gòu)優(yōu)化、低應(yīng)力生長(zhǎng)、退火工藝等方面的改進(jìn)，解決材料應(yīng)力的問(wèn)題。

國(guó)內(nèi)目前進(jìn)展

從量產(chǎn)時(shí)間節(jié)點(diǎn)來(lái)看，國(guó)產(chǎn)的碳化硅襯底發(fā)展正在加速追趕國(guó)際領(lǐng)先水平。在4英寸節(jié)點(diǎn)，國(guó)內(nèi)外首次量產(chǎn)的時(shí)間差距長(zhǎng)達(dá)7年；到了6英寸節(jié)點(diǎn)，這個(gè)時(shí)間差被縮小至4年，而8英寸襯底上盡管海外大廠早在2016年就已經(jīng)推出樣品，但實(shí)際的量產(chǎn)是直到2022年才正式開(kāi)始的。

按照天科合達(dá)的計(jì)劃，2022年正式發(fā)布了8英寸碳化硅襯底后，預(yù)計(jì)在2023年底前對(duì)微管密度、電阻率、厚度等指標(biāo)進(jìn)一步優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)小批量供貨；到2024年底，形成中批量供貨，并在2025年Q3形成穩(wěn)定的批量供貨。

爍科晶體在2021年9月成功生長(zhǎng)出8英寸碳化硅單晶，在2022年年初將單晶加工成晶片，不過(guò)目前暫未公布具體的量產(chǎn)時(shí)間。

同時(shí)近期天岳先進(jìn)、三安光電都宣布了與海外芯片廠商的合作，其中三安光電預(yù)計(jì)最早2025年向ST供應(yīng)8英寸碳化硅襯底。

顯然，在8英寸的階段，國(guó)內(nèi)廠商的襯底產(chǎn)品已經(jīng)將與海外廠商的差距再進(jìn)一步縮短，這將會(huì)為國(guó)內(nèi)的碳化硅產(chǎn)業(yè)帶來(lái)迎頭趕上的機(jī)遇。

寫(xiě)在最后

可以看到，如果8英寸襯底進(jìn)展順利，國(guó)內(nèi)碳化硅襯底有望能將量產(chǎn)節(jié)點(diǎn)時(shí)間差縮短至2年內(nèi)。不過(guò)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，仍需要上下游更多的協(xié)作，有了應(yīng)用，才能夠通過(guò)反饋不斷優(yōu)化產(chǎn)品指標(biāo)，從而建立起企業(yè)以及產(chǎn)品的獨(dú)有優(yōu)勢(shì)。