SiC市場“蓄勢待發(fā)”，哪些裝備耗材還在被卡脖子？
TechInsights 表示，碳化硅市場收益在 2022 年至 2027 年期間將以 35% 的復合年增長率從 12 億美元增長到 53 億美元（當前約 364.11 億元人民幣）。到 2029 年，該市場規(guī)模將增長到 94 億美元（當前約 645.78 億元人民幣），其中中國將占一半。
報告指出，近年來，中國半導體企業(yè)在開發(fā)和生產(chǎn)碳化硅半導體產(chǎn)品方面取得了重大進展，且應用范圍廣泛，這包括了汽車行業(yè)。
SiC市場“蓄勢待發(fā)”
業(yè)內(nèi)普遍認為，碳化硅功率器件在新能源汽車領域具有顯著的性能等優(yōu)勢，在主逆變器里，采用碳化硅MOSFET可提高約5%的系統(tǒng)效率。
斯達半導董事長沈華接受采訪也曾表示，主逆變器采用碳化硅讓整車廠有了兩個選擇：一是采用相同電池容量，續(xù)航里程可提升5%；二是設計相同的續(xù)航里程，但電池容量可減少5%。
目前，各大供應商以及整車廠正圍繞800V架構對電驅系統(tǒng)中的零部件進行迭代更新。而碳化硅的崛起，與電動汽車的800V高壓平臺系統(tǒng)算是「絕配」。在800V高壓平臺火熱的趨勢下，據(jù)行業(yè)預測，未來幾年SiC功率元器件將隨著800V平臺的大規(guī)模上車進入快速爆發(fā)階段。
2022年，斯達半導體的SiC MOS模塊開始在新能源車主驅上大批量裝車，隨著小鵬G9逐步起量，SiC出貨量將不斷增長，公司新增多個800V的項目定點。斯達今日業(yè)績說明會上表示：預計公司自主芯片的車規(guī)級SiC MOS模塊將于23年向主電機控制器客戶批量供貨，為SiC MOS模塊營收增長提供推動力。
國產(chǎn)SiC芯片主驅批量應用已“箭在弦上”
2022年國產(chǎn)SiC MOSFET 推出迅速。據(jù)CASA數(shù)據(jù)，國內(nèi)至少有14家企業(yè)推出多款 SiC MOSFET產(chǎn)品，雖用于主驅應用的mos產(chǎn)品仍屈指可數(shù)。五十五所、清純半導體、士蘭微、瞻芯、愛仕特等公司也已經(jīng)開始給主驅送樣測試。
日前，一汽對外發(fā)文稱，公司首款電驅用750V碳化硅功率芯片已于4月10日完成樣品流片，正式進入產(chǎn)品級測試階段。
根據(jù)報道，紅旗功率電子開發(fā)部聯(lián)合中電科55所，從結構設計、工藝技術、材料應用維度開展技術攻關，使得該芯片比導通電阻達到2.15mΩ·cm2，最高工作結溫175℃，達到國際先進水平。
SiC裝備耗材國產(chǎn)率提升
關鍵環(huán)節(jié)仍被卡脖子
SiC半導體產(chǎn)業(yè)的鏈條非常長，涉及粉料制備、單晶生長、晶體加工、外延生長、器件制造和封裝測試等，各個環(huán)節(jié)的專業(yè)性要求都非常強，同時對技術和資本投入的要求也很高。
SiC產(chǎn)業(yè)各環(huán)節(jié)的技術水平很大程度上受到關鍵裝備和相關耗材直接影響，在過去很長一段時間內(nèi)，國內(nèi)SiC產(chǎn)業(yè)嚴重依賴進口裝備和耗材，國內(nèi)企業(yè)起步較晚。
近年來，在市場的需求拉動下，國產(chǎn)SiC裝備和關鍵耗材發(fā)展迅速，部分“卡脖子”現(xiàn)象得到明顯緩解，但許多關鍵瓶頸有待過關邁坎。接下來，“行家說三代半”將逐一分析主要SiC產(chǎn)業(yè)環(huán)節(jié)的國產(chǎn)化進展。
長晶設備——自主化程度最高
高質量的SiC單晶制備是整個產(chǎn)業(yè)鏈最為重要的一環(huán)，它直接影響了SiC器件的性能、可靠性和制造成本。
早期，國內(nèi)主要的SiC單晶生長企業(yè)通常都需要自行開發(fā)和制造SiC單晶生長設備，而近年來，北方華創(chuàng)、恒普科技、中電科2所和優(yōu)晶光電等第三方設備企業(yè)崛起，為SiC產(chǎn)業(yè)提供了豐富且高質量的長晶爐設備，從整個產(chǎn)業(yè)鏈條來看，長晶設備是目前SiC國產(chǎn)化程度最高的環(huán)節(jié)。
以恒普科技為例，2022年推出了2款感應式SiC晶體??爐和新一代2.0版SiC電阻式晶體生長爐，以【軸徑分離】為核心技術，與【新工藝】 組合，突破性地解決晶體“長大、長快、長厚”的行業(yè)核心難點。
同時，恒普科技提供一個創(chuàng)新的解決方案，能夠一次性將6英寸SiC晶體擴到8英寸，為行業(yè)提供一種新的思路，推進國內(nèi)8英寸SiC襯底的國際競爭力。
石墨、涂層技術有新突破
SiC晶體生長系統(tǒng)主要由石墨坩堝、籽晶和SiC粉料等組成，其中等靜壓石墨耗材成本占比非常高。
根據(jù)某SiC企業(yè)財報，其2021年的生產(chǎn)成本支出中，石墨件成本占比為45.21%，石墨氈占比為41.32%，合計占比高達86.53%，相比之下，碳粉、硅粉分別僅為0.97%、1.99%。
目前，國內(nèi)生產(chǎn)的等靜壓石墨質量參差不齊且生產(chǎn)率低，因此高度依賴日本、德國等進口產(chǎn)品，由于國外石墨企業(yè)不輕易擴產(chǎn)，導致國內(nèi)SiC企業(yè)的擴產(chǎn)受到影響。某上市公司去年對外表示，他們原本計劃加快SiC襯底擴產(chǎn)速度，但受一些輔料耗材進口方面的影響，預計2022年7 月份大概能出產(chǎn) 500-1000片。
此外，在SiC長晶爐內(nèi)增加多孔石墨板是業(yè)界研究的熱點之一，對SiC長晶良率和厚度的提升效果非常突出，但也高度依賴進口。2022年，恒普科技率先實現(xiàn)了多孔石墨板技術突破，并達到國際領先水平，解決關鍵材料國產(chǎn)化問題，有助于提升國產(chǎn)SiC襯底的競爭力。
石墨坩堝的純凈度和雜質多，對SiC長晶的成本高和產(chǎn)品良品率有直接的影響，因此為了提升坩堝的耐化學腐蝕性能和使用壽命，通常必須使用SiC或TaC等新涂層材料。過去，涂層石墨技術也高度依賴進口，近年來，志橙半導體等企業(yè)迅速成長，使得國內(nèi)SiC企業(yè)有了更多的產(chǎn)品選擇。
相比，裸石墨或SiC涂層石墨，TaC涂層石墨可在2600°高溫下穩(wěn)定使用，與眾多金屬元素不反應，能顯著提高工藝過程中對溫度和雜質的控制。TaC涂層是解決SiC晶體邊緣缺陷問題，提高晶體生長質量，是“長快、長厚、長大”的核心技術方向之一。為了推動行業(yè)技術發(fā)展，解決關鍵材料進口依賴，2022年恒普科技突破性解決了碳化鉭涂層技術開發(fā)，相關產(chǎn)品達到了國際先進水平。
國產(chǎn)外延設備崛起，擺脫寡頭格局
與硅器件不同，SiC器件需要在SiC襯底上沉積生長外延膜，利用外延膜生產(chǎn)器件, 因此SiC外延設備在產(chǎn)業(yè)鏈中處于承上啟下的重要位置，其中，CVD技術是目前已經(jīng)廣泛商業(yè)化采用的SiC外延技術。
早期，國內(nèi)SiC外延設備研制基礎非常薄弱，僅中電科48所、中科院半導體所、西安電子科技大學等少數(shù)單位具備相應的研制基礎。因此，SiC外延設備市場長期處于呈寡頭競爭狀態(tài)，國內(nèi)企業(yè)主要購買愛思強、LPE、TEL和Nuflare等設備。
隨著國內(nèi)SiC產(chǎn)業(yè)的蓬勃發(fā)展，國產(chǎn)SiC外延設備的開發(fā)和產(chǎn)業(yè)化日益迫切。根據(jù)《2022碳化硅（SiC）產(chǎn)業(yè)調(diào)研白皮書》，經(jīng)過過去20多年設備研發(fā)積累, 中電科48所、北方華創(chuàng)、納設、芯三代、晶盛機電和季華實驗室等國產(chǎn)設備企業(yè)已研制出4-6吋SiC外延生長設備，并且在成膜質量、生產(chǎn)率、穩(wěn)定性、重復性和運行維護性等指標上實現(xiàn)了突破，縮短了與國外設備之間的差距，部分國內(nèi)企業(yè)已經(jīng)逐步進入了SiC外延設備行業(yè)第一陣營，設備出貨量和訂單量實現(xiàn)了百臺級的突破，有力地支撐了國產(chǎn)碳化硅外延的大規(guī)模量產(chǎn)。
晶圓設備逐個攻破，連點成線
除了SiC襯底外，晶圓制造難是國產(chǎn)SiC MOSFET尚未應用于主驅的關鍵所在，未來國產(chǎn)SiC芯片擴產(chǎn)也會受到關鍵設備的牽制。
從設備來看，SiC器件產(chǎn)線的大部分設備與傳統(tǒng)硅的生產(chǎn)設備相同，但由于SiC材料硬度高、熔點高等特性，需要一些特殊的生產(chǎn)設備與工藝——包括高溫退火爐、高溫離子注入機、SiC減薄設備、背面金屬沉積設備、背面激光退火設備、SiC襯底和外延片表面缺陷檢測和計量設備等。
高溫離子注入機方面，國外主要廠商包括愛發(fā)科、應用材料和NISSIN等，目前，國內(nèi)企業(yè)中只有爍科中科信的離子注入機在碳化硅領域實現(xiàn)了批量應用，設備注入能量、束流大小、注入晶片溫度等技術指標與國外相差不大。
離子注入后仍需進行高溫退火，才可以激活注入離子。高溫退火爐國外主要廠商主要包括昇先創(chuàng)Centrothcrm、日本真空等。目前，中電科48所、北方華創(chuàng)等國內(nèi)企業(yè)已量產(chǎn)了相關設備。
制備SiC器件的柵極氧化層需要高溫氧化爐。國外主要廠商包括昇先創(chuàng)Centrotherm、東橫化學等，當前中電科48所、北方華創(chuàng)等國內(nèi)企業(yè)的設備也能夠用于生產(chǎn)碳化硅器件。
據(jù)《2022碳化硅（SiC）產(chǎn)業(yè)調(diào)研白皮書》，除了碳化硅外延、離子注入、高溫氧化/激活等碳化硅專用裝備外，華卓精科等國內(nèi)企業(yè)在激光退火、激光劃片、PVD等關鍵設備方面也實現(xiàn)了批量供貨，設備市場占有率穩(wěn)步提升。
總的來說，SiC器件產(chǎn)線國產(chǎn)設備開始連點成線，有助于進一步推動國產(chǎn)碳化硅芯片的高速發(fā)展。
