SiC新纪元:以IDM打天下 以8英寸赢未来

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SiC依然是市场的宠儿。无论是采埃孚和Wolfspeed计划在纽伦堡地区建立SiC技术研究中心,还是英飞凌与中国厂商签订供货协议,厂商们对这种半导体新材料的热情有增无减。

根据Yole的预测,SiC功率器件将很快占据整个功率器件市场的30%,到2027年,SiC行业(从衬底到模块,包括器件)的产值有望超过60亿美元。

各大半导体厂商试图以不同角度切入这个市场,但是几年内的市场表现证明,只有完全掌握供应链才能获得高额附加值,因此IDM模式正变成产业发展的最重要趋势。

IDM模式一枝独秀

车规级SiC出货量突破一亿的意法半导体(ST),2022年的SiC产能比2020年增长了2.5倍以上,就是得益于其坚定执行的垂直整合战略。并且,ST希望在2024年实现40%以上SiC衬底的内部供应目标。

ST围绕这个战略制定非常详细的计划,具体分为四步走:首先,2019年第四季度完成对Norstel AB 公司(现更名为ST SiC AB)的收购;第二,在2020年第一季度首次内部供应6英寸衬底;第三,2021年第三季度推出首批8英寸晶圆样品,预计2024年前量产;第四,规划建设新厂,目标到2024年实现内部采购比例超40%。

意法半导体执行副总裁、中国区总裁曹志平认为,对于像SiC这样的新技术,尽可能多地控制整个制造链非常重要,包括SiC衬底、前工序晶圆制造、后工序封测和定制SiC功率模块。

与逻辑芯片厂商不同,功率半导体行业一直是以IDM为主。IDM 模式使得设计与制造环节协同优化,缩短产品开发时间,并有利于有利于积累制造经验,形成技术优势。

以SiC制造为例,若IDM厂商在元件端面临问题,可依循路径找出上游衬底或磊晶环节出了错,加快制程品质的改善,也能有效控制整体成本;若是只做SiC衬底或磊晶的厂商,则需要客户愿意提供回馈,补足晶圆制造的信息缺口,才能加速推进材料端发展。

集微咨询资深分析师朱航欧指出,IDM模式还可以保证产品质量和供货产能的稳定性,同时,制造过程中的核心工艺直接关系到产品的性能,也是公司的核心机密,采用IDM模式也可以保证核心工艺的安全。

曹志平指出,ST将衬底整合到制造链,不仅是为了控制成本和产量,还是为了获得更好的良率,使得制造业务具有更大的灵活性,能更好地跟随市场需求。

对衬底和外延片厂商Norstel AB的收购是ST进入了SiC供应链最上游的关键,真正拥有了完整的SiC制造链。其他在SiC市场排名靠前的厂商,也都以相似的路径来进行制造能力的补全。比如,安森美在2021年以4.15亿美元收购衬底厂商GT Advanced Technologies,该厂商曾于2019年推出CrystX SiC材料,随后便与环球晶、安森美和英飞凌达成长期供应协定。很早就在SiC领域进行研究的罗姆,也是在2009年就收购了SiC衬底供应商SiCrystal,使其在全球SiC衬底供应榜上位列前三。

拥有衬底制造能力将是走向IDM模式的关键一环,因为SiC衬底在最终的器件中成本占比最高,且为关乎产品品质的关键。据统计,在SiC器件的平均成本中,SiC衬底的占比为46%。

而且,SiC衬底也是整个产业链中技术壁垒最高的环节。SiC衬底生产需要高度专业化和技术复杂的生产流程,涉及到多个步骤,包括材料制备、衬底切割和抛光等。整个生产流程需要严格控制各个环节的参数和工艺,确保衬底质量的稳定性和一致性。同时,衬底生产的技术难度和成本也很高,这也使得衬底生产在整个SiC价值链中具有相当高的附加值。掌握衬底制造能力,就在产业中拥有了更大的话语权。

其他行业往往是下游利润更高,但是SiC衬底是整个产业链中技术门槛较高的一环,即使良率在未来有提升,超额利润也多半给衬底厂商赚走,再加上衬底对整个供应链安全至关重要,因此才使得各大厂商纷纷在此押注。

加快转向8英寸

单从SiC衬底生产来考量,其已经是SiC器件市场快速增长的重要支撑,而当前市场上4英寸和6英寸的SiC衬底已经不能满足市场的需求。因此,提高SiC衬底的尺寸是必要的。特别是对于一些高功率、高压、高频应用来说,需要更大尺寸的SiC衬底来制造相应的器件,这也对提高SiC衬底尺寸提出了更高的要求。

同时,为了进一步降低SiC功率元件成本,在单个晶圆上增加元件数量是主要途径之一,因此业界正在全力推动8英寸转型。

2022年9月,Wolfspeed的新工厂开业不久,就宣布将投资约13亿美元,在北卡罗来纳州新建一个号称世界上最大的SiC衬底工厂。新工厂计划建于查塔姆县,临近Wolfspeed 已建成的达勒姆(Durham)SiC衬底工厂。查塔姆新工厂建成将使其SiC产能增加10倍以上,主要生产8吋碳化硅衬底,供应Wolfspeed的纽约莫霍克谷工厂。

Wolfspeed 是当前世界上唯一一家可以量产8英寸 SiC 晶圆的公司。这种主导地位将在未来两到三年内持续,直到更多公司的产能到位。

ST已经在进行8英寸升级,AB工厂推出了首批内部用8英寸原型晶圆。2022 年 12 月,其还宣布将与Soitec合作开发SiC衬底制造技术,双方同意在未来的8英寸SiC衬底制造过程中引入Soitec的SmartSiC技术。

Coherent(原名II-VI)在2022年3月宣布将在美国伊斯顿大规模建设近30万平方英尺的工厂,以扩大6英寸和8英寸SiC衬底和外延晶片的生产。此外,罗姆和英飞凌也同样计划在2023年左右开始8英寸SiC衬底的量产。

Yole集团旗下Yole Intelligence专门从事化合物半导体和新兴衬底的高级技术和市场分析师Poshun Chiu表示:“由于大尺寸衬底是下一代器件制造的战略资源,8英寸晶圆厂的开设和材料产能的扩大说明了未来十年的宏伟目标。”

要让SiC全面步入8英寸,不单是衬底尺寸的增加,后续工艺也要跟进,如外延工艺。

由于所有SiC器件都是在外延上实现的,同时外延的质量也受到晶体和衬底加工的影响,所以SiC外延环节对产业链的整体发展起到非常关键的作用。好在设备厂商已经做好了准备,主流厂商爱思强、Epiluvac都已经宣布推出了8英寸外延炉。而全球最大的SiC外延片供应商昭和电工也在2022年实现了8英寸外延片的出货。

当前,制约行业全面转向8英寸的关键还是良率问题,因为8英寸SiC晶圆存在材料生长难度大、切割难度大、切割损失大等问题,不少业内人士认为至少3 年内很难取代6英寸。

不过,随着材料生长和制程良率等方面的问题取得突破,8英寸衬底的芯片将成为主流只是时间问题。

责编: 张轶群
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