即將量產(chǎn)8英寸碳化硅襯底，天科合達(dá)的技術(shù)有多拔尖？碳化硅成為最熱賽道之一
由于國內(nèi)相關(guān)產(chǎn)業(yè)起步較晚，從以往SiC襯底量產(chǎn)節(jié)點來看，國際上4英寸SiC襯底量產(chǎn)時間比國內(nèi)早10年左右，而6英寸拉近了差距，量產(chǎn)時間差大約在7年左右。不過隨著產(chǎn)學(xué)研結(jié)合的模式鋪開，以及相關(guān)產(chǎn)業(yè)的投資熱潮，帶動國內(nèi)SiC襯底加速追趕國際領(lǐng)先水平。
最近天科合達(dá)在徐州發(fā)布了8英寸導(dǎo)電型SiC襯底，并公布了關(guān)鍵實測數(shù)據(jù)，表示多項指標(biāo)均處于行業(yè)內(nèi)領(lǐng)先水平。至于量產(chǎn)時間，公司透露8英寸的小規(guī)模量產(chǎn)時間定在2023年。
天科合達(dá)的半導(dǎo)體實力
襯底實現(xiàn)大尺寸、低缺陷突破
9月14 日，國家電網(wǎng)主導(dǎo)的35kV全SiC柔性變電站在雄安智慧驛站順利投運(yùn)。
10月11日，國網(wǎng)智研院功率半導(dǎo)體研究所官微宣布公布了更多的細(xì)節(jié)。
首先他們聯(lián)合中科院半導(dǎo)體所、天科合達(dá)、中電五十五所、株洲中車等18家單位，經(jīng)歷了6年的自主攻關(guān)，已經(jīng)成功實現(xiàn)了6.5kV級碳化硅材料-芯片-器件-測試-驅(qū)動-裝置應(yīng)用全鏈條技術(shù)突破。
與此同時，他們還研制了同電壓等級國際上電流最大的6.5kV/400A碳化硅MOSFET模塊，可應(yīng)用于35kV/5MW全碳化硅電力電子變壓器。
具體來說，他們實現(xiàn)了哪些突破呢？
眾所周知，各種SiC功率器件在低壓（600～1700V）領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)了應(yīng)用，但更高耐壓（6500V及以上）的器件，受限于襯底材料缺陷密度和直徑，厚外延材料缺陷大，高壓芯片結(jié)構(gòu)設(shè)計窗口窄，工藝加工難度高等因素，目前仍處于研發(fā)階段。
而國網(wǎng)他們這次開發(fā)了6.5 kV/25A SiC MOSFET和6.5kV/400A碳化硅MOSFET模塊，并實現(xiàn)了柔直電站的穩(wěn)定運(yùn)行，可以說得益于多個SiC環(huán)節(jié)產(chǎn)品質(zhì)量和制造工藝的進(jìn)步。
首先，在SiC襯底方面，業(yè)者多項研究表明，100A的SiC MOSFET芯片面積大約為10 平方毫米，而6.5kV/30A/20A大約為7-8平方毫米。而0.5-1cm2有源面積大尺寸SiC器件是很難以高良率制造的，其中缺陷密度很關(guān)鍵。
同樣是1.68cm-2的缺陷密度，4平方毫米的芯片良率可以達(dá)到87%，而且10平方毫米的芯片良率會掉到49%左右。
據(jù)國網(wǎng)半導(dǎo)體所介紹，碳化硅材料方面，天科合達(dá)他們攻克了高壓碳化硅器件對6英寸單晶襯底擴(kuò)徑生長、缺陷密度控制和大尺寸外延缺陷控制、快速外延生長等技術(shù)難題，研制了高質(zhì)量國產(chǎn)單晶襯底，實現(xiàn)了低缺陷密度厚外延材料制備。
外延、器件、測試等環(huán)節(jié)也實現(xiàn)突破
實現(xiàn)了高壓SiC MOS的可靠性
其次，外延質(zhì)量也很重要。
3.3kV SiC器件的外延層大約為30μm，而6.5-10kV則要達(dá)到50-90μm，而高壓器件的一個關(guān)鍵挑戰(zhàn)是，較厚的外延層會導(dǎo)致出現(xiàn)更多的缺陷，而且從4吋到6吋摻雜控制和均勻性也變得更加困難。
所以，該項目團(tuán)隊通過改進(jìn)外延SiC生長工藝，將影響芯片生產(chǎn)良率的表面缺陷密度進(jìn)行了有效控制，尤其是提高了“殺手級”缺陷BPD轉(zhuǎn)換率，提升了SiC器件的可靠性。
碳化硅芯片方面，該項目團(tuán)隊解決了設(shè)計和工藝兼容性差、導(dǎo)通電阻大、碎片率高等難題，在國內(nèi)首次掌握了6英寸碳化硅芯片全流程工藝，國內(nèi)首次批量研制高耐壓、高通流能力的6.5 kV/25 A SiC MOSFET芯片，通過高溫柵偏、高溫反偏等系列可靠性測試。
碳化硅測試方面，項目團(tuán)隊建成了國內(nèi)首套6.5kV/400A SiC MOSFET模塊動態(tài)測試平臺，系統(tǒng)寄生參數(shù)低，克服了現(xiàn)有商業(yè)測試平臺的不足。
攜手奮斗17年，打造國產(chǎn)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的明天
一片直徑15厘米、厚度只有0.35毫米的碳化硅晶片，上面能刻畫出龐大的信息。然而碳化硅晶片的制作工藝極其復(fù)雜，需要把碳化硅原料加熱到2300℃并變成氣態(tài)后，再通過控制包括溫度、壓力在內(nèi)的各種技術(shù)參數(shù)，最后結(jié)晶形成硅錠。這項技術(shù)難度高、且占器件成本一半的襯底材料，被視作碳化硅產(chǎn)業(yè)鏈關(guān)鍵環(huán)節(jié)，業(yè)內(nèi)也有著“得襯底者得天下”的說法。打個比方， 5G速度快就在于它有一顆非常強(qiáng)大的心臟，而這個心臟依賴的就是這一片薄如紙的碳化硅晶片。
過去這種晶片主要產(chǎn)能集中在歐美，由于其他國家拒絕分享核心技術(shù)，我國碳化硅晶片的研究進(jìn)展一直十分緩慢。而就在最近十年，在楊建和搭檔陳小龍的努力下，情況已經(jīng)發(fā)生了巨大轉(zhuǎn)變。2014年，天科合達(dá)終于成功將6英寸的晶片研發(fā)成功，并于2016年量產(chǎn)推向市場。
從開始接觸碳化硅晶片技術(shù)到量產(chǎn)推向市場，楊建和搭檔陳小龍整整奮斗了十七年。
作為高新技術(shù)企業(yè)的帶頭人，楊建對技術(shù)人才有著迫切的需求。與其挖掘人才，不如自己培養(yǎng)人才。在楊建看來，北京有著濃厚學(xué)術(shù)環(huán)境和得天獨厚的科研優(yōu)勢，用培養(yǎng)的方式獲取人才，才能給自己制造更多的機(jī)會。北京市組織部、大興區(qū)組織部對此也是大力支持，為公司5名成熟人才、15名應(yīng)屆碩士解決了北京戶口，15人解決公租房。此外，公司5人還獲得“大興區(qū)新國門領(lǐng)軍人才”稱號、6人獲得“大興區(qū)優(yōu)秀青年”稱號。這是人才對北京的情愫，更是北京對人才的溫度。
與此同時，北京市大興區(qū)政府在國家（市級）項目匹配資金、重大科技成果轉(zhuǎn)化、促進(jìn)高精尖產(chǎn)業(yè)發(fā)展、人才培養(yǎng)等方面，全方位、多維度給予了企業(yè)資金和政策支持。在2020年，天科合達(dá)向北京市大興區(qū)申請土地為工廠擴(kuò)建做準(zhǔn)備。雖然工程進(jìn)展受到疫情影響，但在政府各方努力協(xié)調(diào)下，新工廠的建設(shè)已經(jīng)進(jìn)入尾聲，預(yù)計今年七月底就能進(jìn)駐投產(chǎn)。
目前，天科合達(dá)在導(dǎo)電型碳化硅晶片方面占據(jù)了將近90％以上的國內(nèi)市場。這也意味著，天科合達(dá)完全有能力替代國外產(chǎn)品，去適應(yīng)中國自己的碳化硅晶片需求。
行業(yè)圍攻SiC襯底市場
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)，消防隊羅姆和ST打造自己的全供應(yīng)鏈。
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1,100億日元資金，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）開始量產(chǎn)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，因為住友礦山開發(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)產(chǎn)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年實現(xiàn)月産1萬片。此外，住友礦山還考慮開發(fā)可以高效量產(chǎn)功率半導(dǎo)體的直徑8英吋產(chǎn)品，并在海外建設(shè)生產(chǎn)基地等。
無獨有偶，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。
