碳化硅生產(chǎn)廠家 芯趨勢丨碳化硅擴產(chǎn)如火如荼，國內(nèi)

21世紀經(jīng)濟報道記者駱軼琪 廣州報道

2022年，碳化硅（SiC）領(lǐng)域的擴產(chǎn)和收并購動作，是全球性現(xiàn)象。無論是沉淀相對深厚的Wolfspeed和意法半導(dǎo)體，還是國內(nèi)產(chǎn)業(yè)鏈公司，都在積極推進建廠、驗證等工作。

這背后是以新能源車為代表的需求支撐，尤其是特斯拉積極采用碳化硅功率器件替換硅基功率器件，給市場應(yīng)用帶來更大信心。

在廣州南沙，碳化硅產(chǎn)業(yè)生態(tài)鏈正在不斷完善。半導(dǎo)體器件方面，有芯粵能、芯聚能、南砂晶圓、聯(lián)晶；造車新勢力方面，有廣汽、小馬智行等產(chǎn)業(yè)生態(tài)角色。

相關(guān)公司落地動作迅速。前不久，廣東芯粵能半導(dǎo)體有限公司（下稱“芯粵能”）碳化硅芯片制造項目潔凈室全面啟用，標志著公司項目土建施工進入尾聲。目前正在按計劃進行工藝設(shè)備的陸續(xù)搬入和調(diào)試，為2023年初項目試投產(chǎn)做好準備。

芯粵能總經(jīng)理徐偉接受21世紀經(jīng)濟報道記者采訪時指出，“芯粵能定位碳化硅功率器件制造企業(yè)，看起來有些超前，但這是基于對產(chǎn)業(yè)發(fā)展的預(yù)測進行了卡位?！彼硎?，現(xiàn)在6英寸產(chǎn)線不能走原來的小作坊模式，否則將跟不上形勢。就像過去6英寸碳化硅晶圓剛起步時，產(chǎn)業(yè)界還沒那么有底，此前Cree（現(xiàn)已更名Wolfspeed）差點出售這項業(yè)務(wù)。要感謝特斯拉讓局勢出現(xiàn)變化。

在國內(nèi)雙碳戰(zhàn)略的驅(qū)動下，新能源汽車產(chǎn)業(yè)正高速發(fā)展，而這正是碳化硅目前最大且成長最快的應(yīng)用市場。南沙產(chǎn)業(yè)集聚優(yōu)勢的加持，有助于加快碳化硅產(chǎn)業(yè)生態(tài)的形成和完善。

深度融合

半導(dǎo)體行業(yè)的發(fā)展歷史中碳化硅生產(chǎn)廠家，曾經(jīng)歷過產(chǎn)業(yè)大融合到產(chǎn)業(yè)分工的不同發(fā)展階段。20世紀80年代臺積電率先把晶圓代工業(yè)務(wù)獨立運營，開啟了半導(dǎo)體行業(yè)的Foundry時代，形成了持續(xù)至今且不斷優(yōu)化的半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)大分工態(tài)勢。

在碳化硅領(lǐng)域，這種規(guī)律或許同樣適用。據(jù)介紹，芯粵能定位專注于車規(guī)級、具備規(guī)?；a(chǎn)業(yè)集聚及全產(chǎn)業(yè)鏈配套能力的開放的碳化硅功率芯片制造企業(yè)，是“廣東強芯”重點工程，也被廣東省列為重點建設(shè)項目。

啟信寶顯示，該公司成立于2021年5月，前兩大股東分別為吉利控股旗下威睿電動汽車、碳化硅模組廠芯聚能。后者與芯粵能構(gòu)成了南沙碳化硅產(chǎn)業(yè)鏈生態(tài)的一部分。

徐偉告訴記者，芯粵能項目一期年產(chǎn)能為24萬片6英寸碳化硅晶圓芯片，雖與個別車企有股權(quán)關(guān)系，但公司的定位仍是開放式的芯片加工平臺。

（潔凈室全面啟用儀式現(xiàn)場，圖源：芯粵能提供）

目前全球范圍內(nèi)的大型碳化硅企業(yè)超九成是以IDM模式為主，反觀國內(nèi)芯片設(shè)計類公司生態(tài)活躍，即便是有自建工廠，但自主生產(chǎn)的比重不高。這正是建設(shè)獨立的碳化硅器件制造企業(yè)的需求所在。

徐偉向記者分析，在傳統(tǒng)的燃油車時代，如果是純粹晶圓代工廠，其距離車企應(yīng)用端之間還有較多層級，但新能源汽車從結(jié)構(gòu)到設(shè)計有較大差異，其針對性的器件設(shè)計節(jié)點會需要與Tier 1廠商（直供車廠的供應(yīng)商）距離更近?！叭缃癖姸嘬嚻笠布娂娨庾R到，芯片端需要與Tier 1廠商足夠接近，才能更好地滿足車企的需求。因此從行業(yè)分工角度看，碳化硅的產(chǎn)業(yè)鏈會越來越趨向于硅基集成電路的發(fā)展路徑，其中會有更多可供借鑒和預(yù)測的節(jié)點?！?/p>

目前碳化硅市場中的大廠都在積極加快發(fā)展腳步，無疑為行業(yè)未來發(fā)展帶來進一步的確定性?！皳?jù)我們了解，目前無論是國內(nèi)還是全球趨勢中，近三年對碳化硅領(lǐng)域的投資都超過了過去20年的總和?！毙靷ミM一步表示，這顯示出該領(lǐng)域需要花大決心探索，雖然目前國內(nèi)無論是器件設(shè)計還是芯片加工距離全球最先進的工藝還有一段距離，但路途并不算遙遠。

芯粵能CTO相奇則對記者分析，在硅基市場強調(diào)DTCO（設(shè)計技術(shù)協(xié)同優(yōu)化）模式，也即設(shè)計、技術(shù)等之間要協(xié)調(diào)、優(yōu)化。這就要求制造廠商和設(shè)計單位密切配合，比如臺積電與蘋果、AMD等目前采用的模式，那么放在功率器件領(lǐng)域，將遵循同樣的路徑。在越來越多采用DTCO模式后，多個產(chǎn)業(yè)環(huán)節(jié)之間可以密切聯(lián)通，最終在系統(tǒng)層面反饋出更優(yōu)結(jié)果，這在碳化硅器件領(lǐng)域同樣可行。

相奇介紹，芯粵能的核心成員都有碳化硅實操經(jīng)驗，當前正積極與設(shè)備廠商合作，驗證車規(guī)級相關(guān)器件設(shè)計和工藝細節(jié)?！靶净浤芗夹g(shù)路線圖從成熟的SBD（肖特基二極管）和平面MOSFET向業(yè)界前沿的溝槽MOSFET演進。2022年底前完成平面MOSFET工藝優(yōu)化及溝槽MOSFET BKM0.5的開發(fā)?！?/p>

據(jù)介紹，該公司技術(shù)團隊目前的主要任務(wù)是，確保各工藝模塊的能力滿足實現(xiàn)主要目標功率器件結(jié)構(gòu)的需求，工藝均勻性和穩(wěn)定性滿足大規(guī)模量產(chǎn)高產(chǎn)出和高良率的需求，工藝集成實現(xiàn)器件性能、可靠性、良率和成本具備市場競爭力。另一個主要任務(wù)是，進一步提高器件的性能和可靠性，進一步的工藝開發(fā)包括應(yīng)用新工藝、新柵介質(zhì)材料以降低界面態(tài)密度，從而提高溝道遷移率，同時滿足可靠性要求。

生態(tài)起勢

在半導(dǎo)體行業(yè)通常有一個慣例，即頭部廠商一旦在某一個工藝節(jié)點形成成熟的能力之后，就會采取折價銷售的方式，與后來者競爭。目前在碳化硅領(lǐng)域，頭部晶圓廠Wolfspeed和意法半導(dǎo)體均在積極推進8英寸晶圓的規(guī)模商用，但國內(nèi)主要集中在6英寸襯底的攻關(guān)，因此也要積極為將來可能出現(xiàn)的類似競爭態(tài)勢做準備。

“國內(nèi)只有在長晶、切、磨、拋等技術(shù)方面有更好儲備，才能更好應(yīng)對國際競爭環(huán)境?！毕嗥娣治稣J為，目前國內(nèi)在發(fā)展碳化硅領(lǐng)域，面臨的較大挑戰(zhàn)來自于產(chǎn)業(yè)生態(tài)還不夠完備。比如大尺寸襯底還需突破、核心設(shè)備和材料中仍有部分需依賴進口、缺乏大規(guī)模的生產(chǎn)平臺等。

實際上在最初碳化硅器件向整車廠供貨時，良率遠低于硅基器件，這在硅基器件中是無法想象的，原因就在于碳化硅芯片加工過程中的缺陷難以被克服。而規(guī)?；a(chǎn)會比小規(guī)模量產(chǎn)有諸多優(yōu)勢，尤其在面對當下良率提升難題時。

“集成電路發(fā)展到成熟階段后，需要通過比拼規(guī)模帶來一定話語權(quán)，對效率提升也有利。我們認為公司一開始就從規(guī)?；?、高品質(zhì)、高可靠性產(chǎn)品切入會更合適?！毕嗥娣治觯诋斍懊嫦?英寸碳化硅產(chǎn)業(yè)發(fā)展進程中，國內(nèi)勝在產(chǎn)業(yè)鏈相對完整，在材料、設(shè)備、器件、封測等領(lǐng)域都有企業(yè)布局，這會比國外廠商有更大優(yōu)勢。將來對標全球一流大廠時，國內(nèi)產(chǎn)業(yè)必須回歸核心的碳化硅晶圓代工能力，才能在成本、性能和良率等方面更有競爭力。

當然同時也要注意產(chǎn)業(yè)生態(tài)的培養(yǎng)。比如芯片制造企業(yè)積極采用國內(nèi)供應(yīng)商提供的設(shè)備和材料，尋求突破襯底材料短板，國內(nèi)車廠積極上車實驗等。由此，才能讓車企的供應(yīng)鏈穩(wěn)定性有更好保障。

（目前項目建設(shè)情況，圖源：芯粵能提供）

到2023年5月，芯粵能可以提供由封裝廠驗證可上車的產(chǎn)品。這也一定程度受益于公司目前的股權(quán)結(jié)構(gòu)，由于大股東中有整車廠，由此可以更早導(dǎo)入驗證環(huán)節(jié)，另一大股東芯聚能的碳化硅模組此前已通過車規(guī)驗證，又可以進一步加速產(chǎn)品上車進度。樂觀預(yù)計到2024年初，碳化硅相關(guān)器件可為整車提供批量上車的產(chǎn)品，并行有驗證周期較短的工控、消費類器件陸續(xù)推出。

有趣的是，雖然看起來化合物半導(dǎo)體跟硅基為不同材料，但不少此領(lǐng)域廠商依然對硅基市場有深厚積淀的人才有迫切需求。

徐偉對記者分析，在硅基領(lǐng)域8英寸、12英寸器件制造過程中積累的方法、新材料應(yīng)用等思路，都可以在碳化硅器件探索中找到突破口。因為本質(zhì)上，碳化硅、氮化鎵是新型的襯底材料，芯片的工藝原理和器件結(jié)構(gòu)與硅芯片基本一致，只是材料不同會導(dǎo)致一些特殊性能和特殊工藝的差異，關(guān)于碳化硅器件制造工藝的know-how、設(shè)計形態(tài)等方面也需要探索。“跨界有好處，當然也會碰壁。碳化硅行業(yè)急需從實驗室或作坊式的小規(guī)模生產(chǎn)，轉(zhuǎn)化到大規(guī)模自動化生產(chǎn)。先進的硅基芯片大規(guī)模自動化生產(chǎn)經(jīng)驗的成功應(yīng)用尤其重要?！?/p>

應(yīng)用擴圍

當然，若以單個器件來看，碳化硅的應(yīng)用成本偏高，也是目前尚未能夠大規(guī)模應(yīng)用的原因之一。

在推動降低碳化硅應(yīng)用成本方面，相奇認為，芯粵能是器件制造企業(yè)，將推動工藝技術(shù)的提升，通過降低器件導(dǎo)通電阻及芯片面積，提高單晶圓產(chǎn)出；同時以規(guī)模化、自動化制造來提高良率、降低成本?！靶净浤軐⑴c材料廠商合作，及時地向材料廠商反饋缺陷對良率的影響，幫助材料廠商更有效地、有針對性地降低致命缺陷。”

此外他分析，成本的確是應(yīng)用端考慮的一個重要要素，但不能忽視的是，碳化硅器件應(yīng)用在新能源車后，將為整車帶來系統(tǒng)成本的顯著下降。以特斯拉開始采用全碳化硅器件的車型來看，續(xù)航增加、電池利用率提高等，都在整體系統(tǒng)層面上降低了成本，帶來了更好的使用體驗。

“芯粵能以碳化硅車規(guī)級產(chǎn)品切入應(yīng)用是經(jīng)過慎重考慮的，車規(guī)級產(chǎn)品對性能和電氣指標會有更高的要求，但車企對成本的敏感度會低于工控和消費類碳化硅器件。”他分析道。

特斯拉的引領(lǐng)示范效果讓車企加快了對碳化硅功率器件的接受速度，除此之外，儲能、光伏等領(lǐng)域也是對碳化硅功率器件需求較大的應(yīng)用市場。

徐偉指出，在當前備受矚目的化合物半導(dǎo)體中，碳化硅和氮化鎵的應(yīng)用場景分野越來越清晰。高功率、高頻領(lǐng)域?qū)⒏蛴诓捎玫壠骷?，耐高溫、高壓領(lǐng)域更適合碳化硅器件。

據(jù)介紹，目前芯粵能主要聚焦在電壓1700V以下的車規(guī)級碳化硅功率器件，并密切配合國內(nèi)廠商的需求推進應(yīng)用落地。芯粵能器件專家已經(jīng)研發(fā)出1700V以內(nèi)的碳化硅二極管及MOSFET，且經(jīng)過了可靠性驗證。技術(shù)團隊已掌握1700V以內(nèi)的碳化硅二極管及平面柵MOSFET的工藝流程和技術(shù)細節(jié)。

CINNO Research半導(dǎo)體事業(yè)部總經(jīng)理Elvis Hsu向記者表示，SiC MOSFET相較于硅基MOSFET，其優(yōu)勢在于低電阻、低損耗、耐高溫、耐高壓尤其是1200V以上碳化硅生產(chǎn)廠家，切換速度更快，以及具有更小的芯片面積。無論是在電機驅(qū)動、車載充電、或電源轉(zhuǎn)換及充電系統(tǒng)，均比硅基MOSFET有強大優(yōu)勢。碳化硅功率器件主要應(yīng)用領(lǐng)域包含電動汽車、電力供應(yīng)、光伏、以及航天軍工等，而中國是全球最大的電動汽車市場，已成為SiC器件市場增長的主要驅(qū)動力，隨著SiC產(chǎn)能擴張出量，成本得以有效降低，勢必加速在新能源汽車的滲透率。

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