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碳化硅市场快速崛起,IDM和代工厂加快布局,产业链打响“最后的战役”

发布时间:2023-01-24 来源: 责任编辑:wenwei

【导读】当地时间1月12日,半导体大厂英飞凌宣布,公司正在扩大与碳化硅 (SiC) 供应商的合作,已与Resonac(前身为昭和电工)签署一项新多年供应与合作协议,补充并扩大了2021年的协议。


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根据协议,Resonac将为英飞凌提供SiC材料,覆盖未来十年预测需求的两位数份额。而英飞凌将为Resonac提供与SiC材料技术相关的知识产权。虽然初始阶段的重点是6英寸SiC材料供应,但Resonac还将在协议的后期支持英飞凌向8英寸晶圆直径过渡。


英飞凌工业电源控制事业部总裁Peter Wawer表示,未来几年,可再生能源发电和储存、电动汽车和基础设施领域的商机将是巨大的。


目前,英飞凌正在扩大其碳化硅制造能力,以期在本十年末达到30%的市场份额。到2027年,英飞凌的碳化硅制造能力将增长十倍。马来西亚居林的新工厂计划于2024年投产。


当前,消费电子等终端市场需求还在保持下滑的姿势,全球半导体市场不断遭遇挑战,但应用于功率元件的第三代半导体市场却呈现攀升之势。


作为第三代半导体材料的典型代表之一,碳化硅凭借耐高温、开关更快、导热更好、低阻抗、更稳定等优秀的特性,在新能源汽车、轨道交通、光伏发电、工业电源等领域闪闪发光,其中,尤以新能源汽车为典型应用。


据TrendForce集邦咨询2022年7月14日报告显示,随着越来越多车企开始在电驱系统中导入SiC技术,未来至2026年,车用SiC功率元件市场规模将攀升至39.42亿美元。


目前,碳化硅已逐渐成为未来汽车功率半导体重要的发展方向之一,TrendForce集邦咨询表示,未来随着碳化硅材料技术不断取得突破,以及芯片结构及模块封装工艺趋于成熟,SiC功率元件于车用市场渗透率将持续攀升,并由目前的高阶车型应用逐步延伸至中、低阶车型中,从而加速汽车电动化进程。


SiC是最适合功率器件的材料


由硅组成的半导体材料改变了我们的生活,相信在未来很长的一段时间里,硅半导体依然会是主流。在硅材料几十年的发展过程中,也遇到了一些问题,很多人尝试用不同的材料去替代它。半导体材料也发展了三代。碳化硅就是第三代半导体材料。由于SiC具有宽禁带宽度,从而导致其有高击穿电场强度等材料特性。受益于SiC的材料特性,SiC功率器件具有耐高压、体积小、功耗低、耐高温等优势。


这种优势主要体现在功率器件上。基于前述特性,相同规格的SiC-MOSFET比Si-MOSFET相比,导通电阻降低为1/200,尺寸减小为1/10;相同规格的使用SiC-MOSFET的逆变器和使用Si-IGBT相比,总能量损失小于1/4。


功率器件是电力电子行业的重要基础元器件之一,广泛应用于电力设备的电能转化和电路控制等领域,是工业体系中不可或缺的核心半导体产品。新能源汽车的快速增长为功率器件带来了广阔的发展空间。


碳化硅MOSFET替代硅基IGBT是大势所趋。SiC-MOSFET具有导通电阻低,开关损耗小的特点,更适合应用于高频电路。在新能源汽车电机控制器、车载电源、太阳能逆变器、充电桩、UPS等领域有广泛应用。


关于碳化硅,我们还有几点需要明确。首先,SiC并不能全面替代硅。碳化硅的优势是耐高压、耐高温、低能量损耗,但这些优势在消费电子产品中完全体现不出来。相反地,SiC晶圆制备困难,成本过高,且刻蚀困难,因此无法全面替代硅材料。


其次,碳化硅和氮化镓的性能各有侧重,应用领域不同。SiC侧重高压,GaN侧重于高频,两种材料的竞争属性不大,应用场景也不尽相同。


另外,即使是SiC的优势领域——功率器件当中,SiC也不是一家独大,硅基IGBT也并非不能用。虽然硅材料在高温、高压性能上先天不足,但海外龙头凭借着极强的技术优势,能够将硅基IGBT的性能做到和SiC-MOSFET一样的性能,成本上可能还更有优势。中国硅半导体产业链外强中干,硅基IGBT产业并不领先,所以才大力发展SiC材料,这恐怕也是一种无奈之举。


在未来很长的一段时间内,SiC都只能攫取半导体材料中一块不大的市场空间。因此我们在分析SiC时,切不可盲目乐观。


IDM 和代工厂需要什么


随着特斯拉的崛起,意法半导体加快了从早期到大批量快速发展的制程。


意法半导体汽车产品集团功率晶体管子集团项目管理办公室主任 Giuseppe Arena 表示:“专用于 SiC 的设备的主要挑战与晶圆处理有关,此外还有多个工艺要求。” “由于宽带隙材料固有的化学物理特性,我们在制造流程中使用了一些新的设备和工艺。与通常用于硅基功率器件的工艺相比,高温外延和离子注入工艺和热处理尤其如此。”


SiC 外延对于控制工艺过程中的晶体缺陷和保持产量尤为关键。“这需要适当设计的外延反应器的可用性,”Arena 解释说。“从 SiC 蚀刻的角度来看,它需要适当设计的等离子蚀刻机。晶圆减薄过程还需要特殊工具来管理这种材料的硬度特性。我们还修改了清洁步骤以及蚀刻和沉积工艺,以适应这种材料的特殊性。最后,设备供应商已经调整了一些关键设备的处理系统,以适应 SiC 晶圆的透明特性。”


由于 SiC 的工艺和设计如此紧密地联系在一起,它在很大程度上仍然是 IDM 主导的业务。但代工厂 X-Fab 很早就看到了机会。


“进入碳化硅业务是一个激动人心的时刻,”X-Fab 的 SiC 和 GaN 产品营销经理 Agnes Jahnke 说。“作为第一家纯碳化硅代工厂——我们大约在 10 年前开始参与——我们一直在不断提高我们的碳化硅产能。


X-Fab 与我们的设备供应商有着悠久的合作历史,我们在早期增加了专用的 SiC 制造设备,如注入机和 SiC 外延,这是一个非常好的决定,因为设备的交货时间目前正在飞速增长。但这不仅与容量有关。这也与质量有关。我们的工程师不断改进 SiC 工艺并支持我们的客户提高产量和产量,这也是管理 SiC 芯片供应的非常重要的因素。


还有专门用于 SiC 的新制造厂。苏格兰的 Clas-SiC 就是一个很好的例子,但它采取了不同的方法来用设备填充晶圆厂地板。“我们是一家新公司,大约有五年的历史,”该公司董事总经理 Rae Hyndman 说。“我们有一个全新的、全面运营的端到端加工、生产量为 150 毫米的开放式晶圆厂,专门用于 SiC 加工。大多数工程团队都是经验丰富的工程师团队,在大批量汽车芯片方面拥有约 20 至 35 年的经验。团队中有很多人在 SiC 开发方面拥有 10 到 15 年的经验,我们在三年多前设计和建造了新的晶圆厂,我们购买了大部分设备作为完全翻新的 150 毫米设备或新设备。” 她指出,大约 10% 到 15% 是专门的 SiC 设备。


设备的可用性在任何地方都是一个问题。“我会说晶圆厂和测试设备的交货时间是最大的挑战,我会说这是所有半导体设备的全面战,”Hyndman 说。“这是由于全球对半导体的需求激增,包括传统的硅和化合物半导体。化合物半导体也在推动翻新 150 毫米设备的需求。”


也就是说,“这取决于用于翻新的资源、工具和零件的可用性——Covid 不会对此有所帮助,”她补充道。


其他 IDM 正在考虑将硅线转换为 SiC。Veliadis 坚持认为,通过调整现有工艺和设备并购买一些关键的新工具,一条 150 毫米的硅生产线可以以大约 2000 万美元的价格转换为 SiC 生产线。这是一种为正在努力保持满负荷或将关闭的旧硅晶圆厂注入新活力的方法。


供应商加紧


设备制造商在这个市场上进行了大量投资。“Lam 在 SiC 制造的许多方面都部署了工艺工具,包括 SiC 沟槽蚀刻、介电沉积和蚀刻、厚金属加工和器件钝化,” Lam Research客户支持业务集团专业技术副总裁 David Haynes 说。“今天,随着技术在未来几年从 150mm 过渡,我们专注于确保我们准备好应对 200mm 的关键应用。”


SiC 电力电子设备依赖于平面或基于沟槽的 MOSFET 结构以及二极管。“在这些应用中,关键的工艺步骤是在 SiC 晶圆本身上制的,”Haynes 说。“SiC外延、高温/高能离子注入和高温退火是关键步骤。用于 MOSFET 制造的 SiC 沟槽蚀刻也很关键,高质量离子注入掩模和退火帽的沉积也很重要,以防止在退火期间从衬底中损失碳。在 BEOL 中,厚金属加工和高性能钝化沉积是关键。”


一般来说,就蚀刻、沉积和清洁工艺而言,成熟的硅工艺工具可用于 SiC 器件制造。“但它们通常需要进行调整才能处理 SiC 和 Si 基板,”他说。“所有平台的一个共同挑战是晶圆处理。碳化硅衬底在红外波长下是半透明的,这意味着硅工艺工具上使用的传统晶圆检测系统并不总是能够检测到它们。因此,我们必须为我们的运输和工艺模块开发特定于 SiC 的升级包,以确保可靠的晶圆处理。同样,在工艺过程中需要对 SiC 晶圆进行静电夹持的情况下,Lam 开发了优化的算法来促进这一点。最后,SiC 的行为可能与 Si 非常不同,尤其是从蚀刻的角度来看。它是一种强键合材料,具有许多硅中不存在的离子和晶体学诱导的蚀刻缺陷机制。为了克服这个问题,需要开发特定应用的工艺来解决关键步骤,例如 SiC MOSFET 制造中的关键沟槽蚀刻工艺。”


应用材料在此期间,还推出了两款专用于 SiC 的新工具。“碳化硅芯片比基于硅的大功率芯片开关效率更高,功耗更低,”应用材料半导体产品集团技术副总裁 Mike Chudzik 说。“从工程角度来看,碳化硅芯片的功耗取决于漏极电流 (Id) 的平方和‘导通’电阻 (Ron)。为了提高效率,我们通过增加电子迁移率来降低‘导通’电阻。”


目标是完美的晶体。“电子迁移率可以通过栅极方向和单元间距减小来提高,并且与掺杂浓度成比,”Chudzik 说。“制造过程中产生的碳化硅晶体缺陷会降低迁移率,从而增加电阻、降低性能并浪费功率。其中两项关键工艺技术是减少表面缺陷的碳化硅晶片 CMP,以及通过减少碳化硅中的体缺陷来优化电子迁移率的离子注入。”


他解释说,功率芯片的形成始于需要抛光光滑的裸碳化硅晶圆,因为它是后续外延层生长的基础。“碳化硅是一种非常坚硬的材料——比硅、二氧化硅和铜等通常用 CMP 技术平面化的材料要硬得多,”他说。“同时,碳化硅芯片需要在整个设备中具有均匀的晶格。”


为了生产具有最高质量表面的均匀晶圆,应用材料公司开发了 Mirra Durum CMP 系统,该系统将抛光、材料去除测量、清洁和干燥集成在一个系统中(见图 3)。该公司声称,与机械研磨的 SiC 晶圆相比,成品晶圆表面粗糙度降低了 50 倍,与批量 CMP 处理系统相比,粗糙度降低了 3 倍。


第二个介绍涉及高温掺杂。在制造过程中,将掺杂剂注入材料中,以帮助实现和引导大功率生产电路中的电流流动。由于 SiC 的密度和硬度,在不损坏晶格的情况下注入、准确放置和激活掺杂剂是一项巨大的挑战,这会降低性能和功率效率。Applied 使用用于 150 毫米和 200 毫米 SiC 晶圆的热离子注入系统解决了这一挑战,据称与室温下的注入相比,该系统的电阻率降低了 40 倍。


在掺杂之后,确保晶体结构完整性和激活掺杂剂的下一个关键阶段是退火,这在 SiC 中是比在硅中热得多的工艺。为了解决这个问题,centrotherm 的 c.Activator 退火炉可在高达 2,000°C 的温度下对掺杂剂进行电激活。它是该公司为 SiC 制造量身定制的几款产品之一。


几年前,佳能对 1995 年首次发布的设备进行了大修,使其与 SiC 制造兼容。佳能表示,更新使其与支持翘曲或透明晶圆工艺(如 SiC)的晶圆转移功能兼容,以及对齐 X 和 Y 对齐标记测量以提高步进生产率的对齐系统选项。


2024年,达摩克利斯之剑落下的时刻


近几年碳化硅行业大火,海内外公司连滚带爬往前冲。速度之快,已经不能用CAGR(年复合增长率)来表述,只能用倍来描述。Wolfspeed预计在2024年前产能扩充30倍;Rohm预计在2024年前产能扩充5倍(计划在2025年3月前投资35.8亿人民币,提升产能16倍);II-VI计划产能扩充5-10倍;住友电工4英寸GaN-on-SiC产线2020年产能较2017年扩大10倍。


而这其中最让人震撼的当然是Wolfspeed。Wolfspeed的8英寸SiC衬底已于2019年研发成功,2021年左右投产,有报道称计划于2024年将产能达到惊人的年产600万片。鉴于2020年全球SiC总产能才约40万片,新能源车的需求再强劲,也不能两年翻十几倍吧?可以预见的是,如果Woofspeed达产顺利,SiC行业就会被瞬间抽成真空,更不要说还有Rohm、II-VI这些二线龙头。


我们再来看一下国内公司的情况。


露笑科技2022年7月披露,其SiC目前已经形成1000片/月的生产能力,良率约50%,预计到2022年底可以实现5000 片/月的碳化硅衬底片供货能力,折算下来一年也才6万片。


天岳先进在上海投资建设的6英寸导电型碳化硅衬底材料预计将于2022年三季度投产,2026年才能满产。


天科合达投资9.5亿新建的第三代半导体碳化硅衬底产业化基地建设项目计划于 2022 年年初完工投产,但现在依然查不到该项目投产的相关报道。


三安光电2022年6月20日回复投资者,公司全资子公司湖南三安现有碳化硅产能3,000片/月已投片生产,目前也就这么多产能。


东尼电子则在2022年8月的调研中回复,公司刚刚切换了碳化硅的生产路线,其碳化硅项目一直到2023年12月才能投产。


我们可以发现,当前A股的碳化硅标的,要不产能还停留在每个月几千片的水平,要不还在艰难的产能爬坡和提升良率之中,这个过程可能还要5年以上。有些才刚刚开工,甚至刚刚更换了技术路线。和滚滚而来的百万片级别的新产能相比,套用《三国演义》中的一句话,简直是“谅腐草之萤光,怎及天心之皓月”。


刚才已经说过,碳化硅行业是资本密集型的,三安光电等上市公司尚可以从资本市场获得融资,未上市的公司恐怕更是艰难。留给我们的时间太短,现在已经是2022年8月末,笔者已经开始盼望过年and年终奖了,2023年到了,2024年还会远吗?


2024年到了,达摩克利斯之剑也该落下了。


当然,中国的碳化硅也不是完全没有机会。中国公司可以与海外公司错位竞争,以己之上等马对阵彼之下等马,有望在海外公司相对薄弱的器件环节,特别是SiC MOSFET环节赢得薄薄的一席之地


当然,资本市场也可以继续讲故事,我们特别擅长打持久战,擅长以时间换空间。虽然2024年左右海外公司有望完全占领市场,但当技术水平逐渐稳定之后,我们可以和他们比拼成本和管理,并有望在2030年以后重新夺回碳化硅市场。


来源:贤集网



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