國內(nèi)外碳化硅廠家為何死磕8英寸襯底？
硅是半導體行業(yè)的第一代基礎材料，目前全球95%以上的集成電路都是以硅為襯底制造的。不過，由于轉(zhuǎn)換效率、開關(guān)頻率、工作溫度等多方面受限，當電壓大于900V時，要實現(xiàn)更大的功率，硅基功率MOSFET和IGBT就暴露了出了短板。
隨著電動汽車、5G等應用的發(fā)展，高功率、高耐壓、高頻率器件的需求正在快速增長。第三代半導體的典型代表碳化硅已成為高功率器件的理想材料。
近年來，包括碳化硅在內(nèi)的功率半導體市場并沒有因整個半導體行業(yè)的周期性下行而出現(xiàn)絲毫頹勢，反而逆市上揚，發(fā)布新產(chǎn)品的、投資的、擴大產(chǎn)能的動作比比皆是，目的不外一個：降本增效。怎么做到？
更快商用需要降本增效
從整個碳化硅行業(yè)情況來看，盡管全球碳化硅器件市場已經(jīng)初具規(guī)模，但碳化硅單晶和外延材料價格居高不下，目前6英寸碳化硅襯底零售價為750～900美元，8英寸售價為1300～1800美元；材料缺陷問題仍未完全解決，高壓碳化硅器件工藝不夠成熟，封裝無法滿足高頻、高溫應用需求等。
碳化硅外延材料的最基本參數(shù)也是最關(guān)鍵參數(shù)是其厚度和摻雜濃度均勻性。幾年前，德國半導體設備制造商愛思強（AIXTRON）對設備進行了升級改造，將TCS（三氯氫硅）技術(shù)移植到商業(yè)設備中，以實現(xiàn)達到傳統(tǒng)方法10倍以上的生長速率。
事實上，碳化硅外延中的缺陷要比其他晶體更多，包括擴展缺陷（微管、貫穿型螺位錯（TSD）、刃型位錯（TED）和基平面位錯（BPD））、外延生長期間的位錯以及產(chǎn)生的宏觀缺陷（三角形缺陷、胡蘿卜缺陷、生長的堆垛層錯和顆粒）等。這些缺陷大部分都是從襯底中直接復制過來的。這些襯底缺陷在主要來源于晶錠，當然也包括襯底研磨和拋光工藝。而降本增效單憑外延制造難以實現(xiàn)，還需要在材料端有所突破。
碳化硅單晶材料尺寸是關(guān)鍵
雖然都是晶錠，但通常人們都把硅晶錠叫做硅棒，而把碳化硅叫做塊晶。這是因為硅晶錠的厚度（高度）要比其直徑長很多，像一根棒，而碳化硅晶錠就像一張餅，其厚度比直徑小很多。
不管是硅還是碳化硅，人們一直在謀求將晶錠的直徑做大，目的是為了切割出直徑比較大的晶圓，在上面做出更多芯片。同理，如果能把晶錠的厚度（或高度）做大，那么每個晶錠切割出來的晶圓片就會相應增加。對硅來說，這不算什么問題，但要把碳化硅晶錠厚度做到和硅一樣是不可能的。所以，半導體行業(yè)的主攻方向還是想把當前主流6英寸晶圓擴大到8英寸，而在晶體生長厚度方面雖然也有進展，但還是有很長的路要走。
碳化硅從2英寸到4英寸、6英寸再到8英寸，基本上是在遵循硅的發(fā)展路線演進。在直徑方面，碳化硅和硅相差不大。但在晶體厚度方面，由于碳化硅生長工藝技術(shù)難度非常大，不能用傳統(tǒng)的硅晶錠生長工藝來實現(xiàn)滿足使用要求的晶錠厚度。
碳化硅襯底，遠比你想象的難做
SiC 產(chǎn)業(yè)鏈主要包括襯底、外延、器件制造、封測等環(huán)節(jié)。SiC 襯底是晶圓成本中占比最大的一項。由于SiC襯底加工環(huán)節(jié)復雜、耗時，所以其在整個 SiC 晶圓中所占成本比例最高，其在成本中的占比高達47%。
Wolfspeed在 SiC 襯底一家獨大，而 II-VI 和 SiCrystal 位居第二梯隊，有 10%多的市場份額。接下來的廠商包括 SK Siltron（5%）以及天科合達（4%），其他的中國公司甚至沒有上榜。
碳化硅襯底還是典型的資本密集型行業(yè)，長晶過程需要大量的長晶爐。碳化硅長的實在是太慢，一個月才能長2cm，一臺爐子一年只能長400-500片。當然這還是理想情況下的數(shù)據(jù)，根據(jù)天岳先進（688234）《招股書》，其2021 年其長晶爐的單臺年產(chǎn)能在也才115片。一臺爐子也不便宜，大約需要150萬元。因此，碳化硅也是個十足的燒錢玩意，一般小戶人家根本承受不起。
碳化硅襯底尺寸越大、良率越高，其單位成本就越低。當前國內(nèi)SiC襯底的主流尺寸為4或6英寸，而Wolfspeed早已實現(xiàn)8英寸襯底的量產(chǎn)。擴徑有著極高的技術(shù)壁壘，不同尺寸的SiC襯底之間有大約5年的差距，鑒于國內(nèi)大多數(shù)廠商連6英寸都沒有搞明白，良率也普遍較差，因此國內(nèi)外的技術(shù)差距大約在7年以上。
8英寸是國產(chǎn)碳化硅設備商的機遇期
參考硅晶圓尺寸發(fā)展歷程，我們認為 8 英寸襯底將是邊際成本遞減的拐 點尺寸。將硅晶圓尺寸擴大至 18 英寸后所需的研發(fā)支出和固定資產(chǎn)投 入將大幅提升，帶來的產(chǎn)品單位成本降幅有限，廠商擴徑動力有限。參 考半導體晶圓的發(fā)展歷程，我們認為 8 英寸將是碳化硅襯底的主流尺寸， 未來繼續(xù)擴徑動力有限。相較于 6 英寸襯底，8 英寸襯底的經(jīng)濟性更高，將成為主流襯底尺寸。根據(jù) Wolfspeed 數(shù)據(jù)，從 6 英寸升級到 8 英寸，襯底的加工成本有所增 加，但合格芯片產(chǎn)量可以增加 80%-90%；同時 8 英寸襯底厚度增加有助 于在加工時保持幾何形狀、減少邊緣翹曲度，降低缺陷密度，從而提升 良率，采用 8 英寸襯底可以將單位綜合成本降低 50%。目前全球碳化硅 襯底主流尺寸為 6 英寸，正在向 8 英寸襯底過渡中，國內(nèi)碳化硅襯底主 流尺寸則為 4 英寸并向 6 英寸襯底過渡。
8 英寸是國內(nèi)廠商實現(xiàn)彎道超車的機會。目前 8 英寸襯底的經(jīng)濟性已經(jīng) 跑通，Wolfspeed、Rohm 和英飛凌等海外頭部廠商的 8 英寸襯底項目已 啟用或在建設中。主流襯底尺寸將從 6 英寸切換到 8 英寸的行業(yè)趨勢已 較為明確，在這種情況下如果國內(nèi)設備廠商仍大幅提升 6 英寸襯底設備 產(chǎn)能將面臨“投產(chǎn)即落后”的問題，我們認為設備廠商在本階段應該重 點突破和布局 8 英寸襯底設備產(chǎn)能，以實現(xiàn)彎道超車。
國內(nèi)廠商仍著力于提升 6 英寸襯底產(chǎn)能，8 英寸產(chǎn)能落地仍需一定時間。 國內(nèi)廠商現(xiàn)有 6 英寸襯底產(chǎn)能約為 15 萬片，天岳先進、東尼電子、露 笑科技等廠商積極開展拓產(chǎn)項目，根據(jù)不完全統(tǒng)計，現(xiàn)有國內(nèi)廠商規(guī)劃產(chǎn)能投產(chǎn)后總產(chǎn)能將超過 200 萬片/年。但目前國內(nèi)廠商在 8 英寸碳化硅 襯底方面較海外廠商仍存在較大差距，現(xiàn)有產(chǎn)能尚處于實驗室階段。
2025 年全球碳化硅襯底仍有 218 萬片的缺口。Wolfspeed、Coherent 和 Rohm 的襯底綜合良率分別為 70%/60%/60%左右，并預計在 2023-2025 年內(nèi)維持該良率水平。目前國內(nèi)碳化硅廠商的平均綜合良率約為 40%， 隨著襯底制備技術(shù)的逐漸成熟，市場預計 2025 年綜合良率可以提升至 50%。根據(jù)上述現(xiàn)有產(chǎn)能數(shù)據(jù)以及未來產(chǎn)能規(guī)劃，我們預計全球碳化硅 襯底有效產(chǎn)能將從 2022 年的 65 萬片提升至 2025 年 405 萬片，因此 2025 年將存在 272 萬片的產(chǎn)能缺口。
2024年，達摩克利斯之劍落下的時刻
近幾年碳化硅行業(yè)大火，海內(nèi)外公司連滾帶爬往前沖。速度之快，已經(jīng)不能用CAGR（年復合增長率）來表述，只能用倍來描述。Wolfspeed預計在2024年前產(chǎn)能擴充30倍；Rohm預計在2024年前產(chǎn)能擴充5倍（計劃在2025年3月前投資35.8億人民幣，提升產(chǎn)能16倍）；II-VI計劃產(chǎn)能擴充5-10倍；住友電工4英寸GaN-on-SiC產(chǎn)線2020年產(chǎn)能較2017年擴大10倍。
而這其中最讓人震撼的當然是Wolfspeed。Wolfspeed的8英寸SiC襯底已于2019年研發(fā)成功，2021年左右投產(chǎn)，有報道稱計劃于2024年將產(chǎn)能達到驚人的年產(chǎn)600萬片。鑒于2020年全球SiC總產(chǎn)能才約40萬片，新能源車的需求再強勁，也不能兩年翻十幾倍吧？可以預見的是，如果Woofspeed達產(chǎn)順利，SiC行業(yè)就會被瞬間抽成真空，更不要說還有Rohm、II-VI這些二線龍頭。
我們再來看一下國內(nèi)公司的情況。
露笑科技2022年7月披露，其SiC目前已經(jīng)形成1000片/月的生產(chǎn)能力，良率約50%，預計到2022年底可以實現(xiàn)5000 片/月的碳化硅襯底片供貨能力，折算下來一年也才6萬片。
天岳先進在上海投資建設的6英寸導電型碳化硅襯底材料預計將于2022年三季度投產(chǎn)，2026年才能滿產(chǎn)。
天科合達投資9.5億新建的第三代半導體碳化硅襯底產(chǎn)業(yè)化基地建設項目計劃于 2022 年年初完工投產(chǎn)，但現(xiàn)在依然查不到該項目投產(chǎn)的相關(guān)報道。
三安光電2022年6月20日回復投資者，公司全資子公司湖南三安現(xiàn)有碳化硅產(chǎn)能3,000片/月已投片生產(chǎn)，目前也就這么多產(chǎn)能。
東尼電子則在2022年8月的調(diào)研中回復，公司剛剛切換了碳化硅的生產(chǎn)路線，其碳化硅項目一直到2023年12月才能投產(chǎn)。
我們可以發(fā)現(xiàn)，當前A股的碳化硅標的，要不產(chǎn)能還停留在每個月幾千片的水平，要不還在艱難的產(chǎn)能爬坡和提升良率之中，這個過程可能還要5年以上。有些才剛剛開工，甚至剛剛更換了技術(shù)路線。和滾滾而來的百萬片級別的新產(chǎn)能相比，套用《三國演義》中的一句話，簡直是“諒腐草之螢光，怎及天心之皓月”。
剛才已經(jīng)說過，碳化硅行業(yè)是資本密集型的，三安光電等上市公司尚可以從資本市場獲得融資，未上市的公司恐怕更是艱難。
