全球功率巨头的碳化硅衬底产能争夺战

01 衬底，发展碳化硅产业的关键

第三代半导体是以SiC及氮化镓（GaN）为主要材料，有别于第一代半导体以硅（Si）、锗（Ge）为主要材料，及第二代半导体以砷化镓（GaAs）、磷化铟（InP）、铝砷化镓（AlGaAs）为主要材料。

▲第一代、第三代半导体物理性能对比

在高功率应用方面，第三代半导体具备宽能隙、耐高温和高功率密度等特性；在高频应用方面，具备低能耗和散热佳等特性。电动车、5G基建及快充等需求是主要成长动能。

SiC晶体管与碳化硅基GaN晶体管是成长性较高的两项产品，年复合成长率分别达27%及26%，都需要采用SiC衬底。

此外，SiC功率元件成本架构，也是以包含长晶、切割、研磨的衬底占最大比重，高达50%。其余的磊晶占25%，制造占20%，后段封测占5%。

目前碳化硅成本高昂的主要原因：

1、成长速率极慢~ 1mm/day @ 2500 oC

2、超短晶锭 （< 5cm，l /  < 1）

3、晶圆大小受晶种限制 （一致）

4、硬度仅次于钻石，不易切磨抛

SiC衬底制造难度高，是目前碳化硅产品成本高昂的主因。热场控制及晶种掌握相当关键，国内企业却只能土法炼钢，在做中学、学中做。

▲卓远热场设计

SiC长晶效率比Si慢100至200倍，Si长晶约3天即可制造高度200公分晶棒，SiC要7天才能长出2至5公分的晶球。此外，SiC硬且脆，切割、研磨抛光难度高，会有很多报废物。同时长晶过程中，温度和压力不允许有任何失误，晶体生长环节是在完全黑箱环境中操作的，期间无法肉眼观测到晶体变化，且长晶速度极慢。

此环节需要非常精确的热场控制、材料匹配及经验累积，对相关设备和工艺要求极高。SiC衬底不仅占功率元件成本比重高，且与产品质量密切相关，衬底可以说是影响SiC产业发展的一大关键。

02 国际大厂纷纷交叉布局，用买买买来确保衬底供应

正因为SiC衬底如此重要，SiC芯片厂商越来越想把控住上游的衬底供应，于是我们就接二连三的看到了收购的消息。安森美、罗姆、英飞凌以及意法半导体纷纷下手，买下不同的优质SiC衬底供应商。

2021年11月1日，安森美宣布完成以4.15亿美元对碳化硅(SiC)生产商GT Advanced Technologies（"GTAT"）的收购。

GTAT专门从事各种晶体材料的生长，包括碳化硅。此举将有助于减少安森美对Wolfspeed原材料的需求。

图：GTAT 的 SiC 应用

安森美大约70%的芯片是自己生产的，它正在努力提升产能。但安森美认为，该公司至少要到2023年才能满足汽车制造商的需求。安森美计划投资扩大GTAT的制造设施，支持推进150mm和200mm SiC晶体生长技术的研发工作，同时还投资于更广泛的 SiC 供应链，包括Fab产能和封装。

同样深耕行业多年的日本罗姆从2000年开始研究SiC，直到2009年通过收购德国SiC衬底和外延片供应商SiCrystal，真正有了实质性的进展。于2010年开始生产碳化硅肖特基势垒二极管和碳化硅MOSFET，后来扩展到碳化硅功率模块和沟槽碳化硅MOSFET。

SiCrystal成立于1996年，1997年第一批晶圆投入市场。从那时起，其发展迅速。后来于2000年与西门子拥有的SiC供应商 Freitronics Wafer GmbH & Co. KG 合并。此后就是被罗姆收购。据悉，SiCrystal或将于2022年开始生产SiC 晶圆。

英飞凌也是通过收购进入上游衬底的，2018年英飞凌收购了碳化硅晶圆切割领域的新锐公司Siltectra。Siltectra于 2010年在德国德累斯顿成立，公司团队规模很小，但都是专家，是一家年轻的创新公司，专注于半导体材料的新分裂技术—冷分裂（COLD SPLIT）。英飞凌表示，得益于冷分裂技术，更多数量的 SiC 晶片将使我们的 SiC 产品的量产变得更加容易。

与普通锯切技术相比，Siltectra的冷分裂技术以最小的材料损失分割晶体材料。Siltectra专有工艺是一种高产量、低成本的晶圆加工和减薄技术，适用于SiC和砷化镓以及氮化镓、蓝宝石和硅等衬底。基于激光的技术采用化学物理过程，该过程使用热应力产生力，沿所需平面精确地分裂材料，并且几乎不产生切口损失。“无切口损失”功能是冷分裂独有的，具有突破性的优势。与传统的晶圆技术相比，它每块晶锭可提取更多的晶圆，这会提高输出。而且它还极大地降低了耗材成本。Siltectra称其相比传统工艺将提高90%的生产效率。

SILTECTRA™ 碳化硅晶片分裂工艺

关于英飞凌的收购，值得一提的是，2016年7月，英飞凌曾计划以8.5亿美元的现金收购Cree旗下Wolfspeed功率和射频业务部，但后来因为美国政府的反对让这次收购没能进行下去。Cree现在也已经改名为Wolfspeed，完全蜕变成一家以宽禁带半导体产品为主的公司。

虽然收购失败，但两家的合作并没有终止。2018年2月28日，科锐宣布与英飞凌签署长期协议，为英飞凌生产和供应Wolfspeed SiC碳化硅晶圆片。该协议显示，科锐将向英飞凌供应150 mm SiC碳化硅晶圆片，将帮助英飞凌在包括光伏逆变器和电动汽车等高增长市场扩展产品供应。

与英飞凌在汽车市场直面竞争的意法半导体，在2019年12月，意法半导体以1.375亿美元现金完成收购瑞典SiC衬底和外延片制造商Norstel AB，Norstel生产6英寸的SiC裸晶圆和外延片。意法半导体表示，交易完成后，它将在全球产能受限的情况下控制部分SiC器件的整个供应链。

众所周知，大尺寸衬底单位面积能够生产的芯片更多，衬底的大尺寸化是未来趋势。就在今年8月份，意法半导体的瑞典 Norrköping 工厂宣布已制造出首批8英寸碳化硅 (SiC) 晶圆，预计将用于生产下一代功率半导体。首批8英寸SiC 晶圆质量优良，芯片良率和晶体位元错误缺陷低。

意法半导体强调，此次阶段性的成功只是8英寸SiC 量产计划的一部分，目前也正积极新建碳化硅基板厂，预计 2024年内部采购碳化硅基板比重将超过 40%。

值得一提的是，各龙头企业也在竞争中逐渐找到合作点。在功率器件同为竞争对手的意法半导体和罗姆，也签署了超1.2亿美元的150mm碳化硅（SiC）晶圆长期供应协议，罗姆子公司SiCrystal总裁兼首席执行官Robert Eckstein博士表示：“SiCrystal是ROHM集团旗下市场领先的SiC公司，拥有多年的SiC晶圆研制经验。我们很荣幸与长期客户ST签订此供应协议，我们将不断增加晶圆产量，并始终提供质量可靠的产品，支持我们的合作伙伴扩大碳化硅业务。”

今年8月份，Wolfspeed和意法半导体宣布扩大现有的多年长期碳化硅晶圆供应协议。修订后的协议要求科锐在未来几年向ST提供150毫米碳化硅裸片和外延片，价值超过8亿美元。

虽然Wolfspeed既是英飞凌和意法半导体的碳化硅衬底供应商，又在碳化硅器件市场上同他们进行直接竞争，但是CEO Gregg Lowe表示公司会以同样的优先级来支持这两种不同的商业模式。他认为在未来10年内Wolfspeed与这些半导体客户兼竞争对手仍然是良性的竞合关系，Wolfspeed需要伙伴来助推功率半导体产业从硅器件向碳化硅器件转变。

国内外产业链主流企业均大力发展相关产能：

其实不只是功率器件大户向上游衬底材料迈进，Wolfspeed、罗姆、II-VI，也逐渐由材料向器件产品走。全球产业链企业在竞争中合作，在合作中共赢。也带动了国产碳化硅产业链的快速发展。

03 核心技术、关键技术，必须立足自己

国际SiC大厂已经纷纷抱团取暖，国内企业也将奋力赶上。好在总体上由于SiC市场目前还处于初期阶段，渗透率较低，未来几年的竞争格局还有较大不确定性。

目前，从技术角度看，目前国内的衬底技术与产品良率跟国外相比差距还较大。

特别是在衬底最主要关注的三个几何参数TTV(总厚度偏差),Bow(弯曲度),Wrap(翘曲度)方面，国内厂商与国外领先厂商之间存在明显的差距。国内某大型衬底企业曾告诉我们，他们认为他们的技术至少需要2年的时间才能达到Wolfspeed现在的水平。

* CREE 为被访谈对象的综合经验值

当下，国内企业在材料匹配、设备精度和热场控制等技术角度仍需要长时间的Know-how累积。国内碳化硅产业，从材料和芯片到功率模块设计到应用层面验证的这一链条尚未打通。

材料和芯片企业缺乏应用层面的真正需求分解和反馈，应用企业缺乏芯片和材料层面的测评信息。产业链相对不完善，与国外领先厂商存在明显的差距。

但中国作为第三代半导体最大的应用市场，近年来上游产业也在加速成长，特别是衬底方面与国际领先者的差距已经在缩小。

据不完全统计我国从事碳化硅衬底研制的企业已经有30多家，这个数量不算少，国际射频器件厂商、SiC器件厂商都在纷纷往上游布局，未来国内估计也会走向产业链整合的局面。买买买是国际大厂的发展必由之路，也将伴随国内半导体的进阶。

来源：碳化硅芯观察