差距缩至2年内！国内8英寸SiC衬底最新进展

来源:电子发烧友网发布时间:2023-06-222205浏览

电子发烧友网报道（文/梁浩斌）碳化硅衬底作为碳化硅产业的上游核心材料，在下游器件需求高速增长下，近年来衬底厂商加速推进8英寸衬底的量产进度，去年业界龙头Wolfspeed已经启动了全球首家8英寸SiC晶圆厂，也意味着8英寸衬底正式拉开量产大幕。
那么8英寸衬底有哪些优点以及技术难点，目前国内厂商的进度又如何？近期包括天科合达、烁科晶体等厂商以及产业人士都分享了一些最新观点。

8英寸碳化硅衬底的必要性

正如硅基芯片所用到的硅晶圆，尺寸从6英寸、8英寸发展至12英寸一样，对于碳化硅功率器件所用到的衬底，同样在往大尺寸发展。据天科合达研发副总娄艳芳介绍，8英寸衬底的有效利用率高，推动产业链降本增效的效果明显，尤其是衬底在碳化硅产业链中所占价值可以高达50%的情况下。衬底尺寸越大，单位衬底可以制造的芯片数量越多，单位芯片成本就越低。比如从4英寸到6英寸，碳化硅器件单位成本预计能降低50%；而从6英寸到8英寸，碳化硅器件成本预计可以降低20%-35%。虽然从数字上看8英寸衬底带来的单位成本下降，相比4英寸发展至6英寸的过程要少，但8英寸衬底实际上相比6英寸能多切除近90%的芯片数量，边缘浪费降低7%。同时，在衬底尺寸扩大的同时，产线方面的投入也不需要太大，现有8英寸的硅基产线经过改造就可以生产8英寸晶圆的碳化硅器件。因此，在8英寸碳化硅衬底进入市场后，烁科晶体总经理助理马康夫认为，8英寸衬底具有的更高芯片利用面积和更低的成本，将改变市场格局。

电子发烧友/摄集邦咨询分析师龚瑞骄近期分享的预测显示，预计到2026年，8英寸碳化硅衬底在市场中的份额会占到15%，与此同时6英寸的份额依然是市场主流，4英寸将会逐步退出市场。这与硅片产业的发展历程也较为接近，12英寸硅片的推出，没有显著压缩8英寸的市场，而是使得6英寸的市场竞争力持续减弱。

8英寸衬底的难点

碳化硅材料相比于硅，生长速度慢，熔点高，所以在过去几十年间受到材料生长的限制，产能难以提升也一定程度上限制碳化硅产业的发展速度。而从6英寸到8英寸，碳化硅衬底的制造过程中更是会产生很多难题。娄艳芳总结了四点，第一是需要研发和调试大尺寸温场材料，由于衬底尺寸变大，所以需要把温场调大，在温场调大的过程中，材料质量、稳定性、价格可能都有一定提升，因此要保证供应质量以及价格合理。第二是由于碳化硅硬度和脆性较大，所以在衬底尺寸扩大的情况下，晶片翘曲控制是一个很大的挑战；第三是目前为了防止晶片出现破损，8英寸晶片厚度都会较高，国际上以及国内的产品基本上是500微米，6英寸仅为350微米左右，厚度增加后给成本会带来很大挑战。第四是8英寸晶碇所需的籽晶较难制备，优质籽晶供应是一个挑战。天科合达在材料生长方面，则具备自主生长炉研发的优势。从第一代的2英寸碳化硅生长炉，到4-6英寸生长炉，目前天科合达已经发展到第五代生长炉，可以满足6-8英寸碳化硅产品的需求。马康夫也提到，在8英寸刚开始研发的时候，市面上基本上买不到8英寸籽晶，因此只能从6英寸一点点扩径直8英寸，但这样的工序所需的时间极长，基本无法量产。后来烁科作出了质量较好的8英寸籽晶后，为后面单晶生长打下了基础。另一方面大尺寸晶体生长面临的应力大，晶体容易开裂。烁科晶体则通过炉体结构优化、低应力生长、退火工艺等方面的改进，解决材料应力的问题。

国内目前进展

从量产时间节点来看，国产的碳化硅衬底发展正在加速追赶国际领先水平。在4英寸节点，国内外首次量产的时间差距长达7年；到了6英寸节点，这个时间差被缩小至4年，而8英寸衬底上尽管海外大厂早在2016年就已经推出样品，但实际的量产是直到2022年才正式开始的。按照天科合达的计划，2022年正式发布了8英寸碳化硅衬底后，预计在2023年底前对微管密度、电阻率、厚度等指标进一步优化，实现小批量供货；到2024年底，形成中批量供货，并在2025年Q3形成稳定的批量供货。烁科晶体在2021年9月成功生长出8英寸碳化硅单晶，在2022年年初将单晶加工成晶片，不过目前暂未公布具体的量产时间。同时近期天岳先进、三安光电都宣布了与海外芯片厂商的合作，其中三安光电预计最早2025年向ST供应8英寸碳化硅衬底。显然，在8英寸的阶段，国内厂商的衬底产品已经将与海外厂商的差距再进一步缩短，这将会为国内的碳化硅产业带来迎头赶上的机遇。