在近日的“集邦咨詢第三代半導(dǎo)體前沿趨勢研討會”上，泰科天潤應(yīng)用測試中心主任高遠分析了國產(chǎn)碳化硅芯片項目實施中面臨的幾個實際問題，涉及到晶圓廠的建設(shè)成本、SiC晶圓尺寸的選擇、高端人才的招聘、市場發(fā)展模式、工藝、應(yīng)用等話題。hbSesmc

一、建設(shè)一個晶圓廠需要投入多少成本？

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建設(shè)一個晶圓廠分為多個步驟，每一步都需投入大量的資金，還要保證產(chǎn)能計劃合理、合適，產(chǎn)能太少就沒有規(guī)模效應(yīng)，產(chǎn)能太大又容易“燒錢燒死”。具體來看，可依次分為以下幾個流程：hbSesmc

首先是選址。評估所有項目是否符合國家政策，以及當?shù)卣馁Y金、政策支持能否到位。hbSesmc

其次是廠房建設(shè)和廠務(wù)配套。在廠房建設(shè)完畢之后，尤其注意水/電/氣、化學品、消防、凈化間的配套，這些配套會涉及到未來工廠能否正常運營，避免可能會發(fā)生的一系列安全事故。hbSesmc

再次是設(shè)備導(dǎo)入/調(diào)試、工藝開發(fā)與驗證。設(shè)備導(dǎo)入環(huán)節(jié)面臨設(shè)備選型，現(xiàn)有方案適合用哪些設(shè)備生產(chǎn)，需要通過一臺一臺設(shè)備來試產(chǎn)?，F(xiàn)在全球主要半導(dǎo)體企業(yè)，都在努力提升碳化硅的產(chǎn)能，F(xiàn)ab廠搶購半導(dǎo)體設(shè)備已是業(yè)內(nèi)常態(tài)，有沒有搶購到適配的設(shè)備，是能否增加SiC器件產(chǎn)能的關(guān)鍵因素。hbSesmc

核心設(shè)備進廠后還要進行調(diào)試，這需要一個較長的周期。設(shè)備調(diào)試過后，就要進行工藝開發(fā)和驗證，但由于碳化硅是新材料，它的很多工藝都是獨有的，無法借鑒硅材料的經(jīng)驗，所以要做相應(yīng)的研發(fā)。解決好工藝問題之后，可同步做產(chǎn)品研發(fā)與驗證——先流一次片，再測試一遍，若發(fā)現(xiàn)問題就去改，改完以后再流片、做可靠性驗證，一般這類流程需要過3-4次。hbSesmc

最后是產(chǎn)能爬坡。這個環(huán)節(jié)需要用到許多設(shè)備，這些設(shè)備都需要進行驗證。只要一天未驗證完設(shè)備與設(shè)計方案是否匹配，企業(yè)就一天無法大規(guī)模采購半導(dǎo)體設(shè)備。在產(chǎn)能爬坡環(huán)節(jié)，每一個步驟都需要投錢，且是需要長期持續(xù)投入。產(chǎn)能爬坡有一個緩慢增長的過程，無法一下就沖到原本設(shè)計的產(chǎn)能水平。hbSesmc

總的來說，建一個晶圓廠房，一般需要8-15個月。在同樣的時間下，相同的設(shè)備生產(chǎn)二極管和生產(chǎn)MOS，會得到不同的產(chǎn)能。在相同的時間內(nèi)，采用同樣的設(shè)備，二極管要比MOS產(chǎn)能更多，溝槽MOS的產(chǎn)能小于平面MOS。晶圓廠需要許多設(shè)備才能支撐起足夠的產(chǎn)能，而一些關(guān)鍵設(shè)備的交期長達15個月以上，僅單價就超過1000萬人民幣。hbSesmc

晶圓廠的正常運作，需要200人以上的團隊。對半導(dǎo)體產(chǎn)品而言，只要沒有通過可靠性驗證，就無法上市售賣。完成一輪產(chǎn)品驗證和可靠性驗證需要1000個小時，做完兩輪驗證則需要耗時幾個月。按照以上的標準，晶圓廠從開始建設(shè)到大規(guī)模滿產(chǎn)出貨，一般需要三到五年的周期。hbSesmc

另外，晶圓廠每年還有巨大的損耗成本和固定的折舊、運營成本。粗略估算：滿足10K片/年產(chǎn)能的設(shè)備就算閑置在那兒，也會每年產(chǎn)生約1000萬人民幣的損耗成本。hbSesmc

二、選6英寸還是建8英寸？

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SiC晶圓尺寸越大，其單片面積就越大、邊緣浪費更小，單位時間內(nèi)產(chǎn)出的襯底、外延更多，芯片的產(chǎn)能也就越大、芯片成本越低。咨詢機構(gòu)PGC Consultancy預(yù)測稱：8英寸SiC的襯底價格、缺陷密度、芯片面積、芯片價格明顯呈下降的趨勢，隨著每一代芯片單位面積的減小，8英寸（200mm）和6英寸（150mm）的成本差距也越來越小。預(yù)計到明年，如果同樣量級，兩者的芯片成本會持平。再過幾年，8英寸芯片的成本將低于6英寸。hbSesmc

目前，ROHM、英飛凌、Wolfspeed等在內(nèi)的國際廠商已經(jīng)在發(fā)力8英寸SiC。Wolfspeed在今年已經(jīng)量產(chǎn)8英寸SiC，ROHM、英飛凌預(yù)計于2023量產(chǎn)8英寸。國內(nèi)的爍科晶體于今年3月初宣布，已具備8英寸N型SiC拋光片小批量生產(chǎn)能力。hbSesmc

據(jù)統(tǒng)計，建設(shè)一條4英寸線僅需1億人民幣，建一條6英寸線需10億人民幣，建一條8英寸線則需40億人民幣。這要求企業(yè)不斷取得成果，投資方才愿意為項目投錢。另外，現(xiàn)在國際關(guān)系如此緊張，未來國際廠商的SiC襯底是否能供應(yīng)給國內(nèi)廠商，仍是一個未知數(shù)。這些都是國內(nèi)產(chǎn)業(yè)鏈廠商必須要考慮的問題，也推動著國內(nèi)SiC襯底廠商進一步的突破。hbSesmc

如今的市場仍以6英寸為主，這種狀態(tài)將會持續(xù)好幾年。國內(nèi)材料廠商可先積累8英寸的技術(shù)，做好相關(guān)技術(shù)，開發(fā)出滿足生產(chǎn)需求的材料，而器件廠需提前做好準備，在材料成熟后再發(fā)力。據(jù)介紹，泰科天潤有幾條SiC產(chǎn)線，其中北京4英寸線已于2012年量產(chǎn)，長沙6英寸線已于2021年Q3量產(chǎn)。高遠介紹說，泰科天潤位于湖南的6英寸晶圓廠已經(jīng)于2019年啟動，2021年Q3對外出貨。今年1-4月，該晶圓廠的訂單已經(jīng)破億。湖南6英寸產(chǎn)線一期產(chǎn)能達到6萬片/年，二期將于2023年完成擴產(chǎn)至10萬片/年。hbSesmc

三、SiC大咖稀缺與成體系發(fā)展

高遠統(tǒng)計，截至2022年8月初，國內(nèi)在建和已投產(chǎn)的碳化硅晶圓廠有近20個（主要分布在華北、華東、華南、華中地區(qū)），這些晶圓廠的產(chǎn)能加起來將近100萬片。hbSesmc

假設(shè)一家晶圓廠需要至少1-2個技術(shù)“大拿”，國內(nèi)基本上需要30-40位這樣的高端人才，湊齊這么多符合條件的人具有挑戰(zhàn)性。招聘網(wǎng)站公布的碳化硅研發(fā)總監(jiān)崗位的要求：具備8年以上的功率碳化硅半導(dǎo)體芯片研發(fā)經(jīng)驗，2年以上車用碳化硅的開發(fā)經(jīng)驗；負責過完整的產(chǎn)品開發(fā)，超過兩款大功率碳化硅的設(shè)計、性能與工藝開發(fā)以及產(chǎn)品的測試評價；熟悉硅半導(dǎo)體開發(fā)流程所需的工具和資源鏈，掌握碳化硅功率半導(dǎo)體性能涉及與工藝設(shè)計的相關(guān)軟件應(yīng)用。hbSesmc

實際上，就算SiC晶圓廠擁有高端人才，也不代表就一定能量產(chǎn)SiC器件。SiC器件廠商一定要有成體系的發(fā)展，在器件設(shè)計、工藝開發(fā)、設(shè)備、生產(chǎn)、檢測、動力、質(zhì)量、供應(yīng)鏈、市場、應(yīng)用、投融資、人資等方面都不能有短板，各部門之間必須協(xié)同配合。hbSesmc

8月16-17日，IIC 2022 國際集成電路展覽會暨研討會將在江蘇南京國際博覽中心2號館舉辦，大會不僅聚焦當前最熱的“碳中和”話題，也將聚焦國際寬禁帶半導(dǎo)體技術(shù)應(yīng)用。在同期舉辦的“高效電源管理及寬禁帶半導(dǎo)體技術(shù)應(yīng)用論壇”上，將有英諾賽科、PI、是德科技等企業(yè)的精彩演講，歡迎 免費報名 參加。hbSesmc

四、互聯(lián)網(wǎng)式發(fā)展模式

互聯(lián)網(wǎng)行業(yè)經(jīng)歷過千團大戰(zhàn)、電商大戰(zhàn)、在線旅游大戰(zhàn)、外賣大戰(zhàn)、網(wǎng)約車大戰(zhàn)、共享單車大戰(zhàn)、新零售大戰(zhàn)、電商補貼大戰(zhàn)等事件。利用巨額補貼、巨額營銷、高薪搶人、快速擴張的方式，在國內(nèi)消費領(lǐng)域的存量市場打響戰(zhàn)爭。該模式的發(fā)展需要投入很多錢，能在短期內(nèi)看到一些效果，但缺乏完善的法律法規(guī)。hbSesmc

高遠引用遠川科技評論的觀點表示，科創(chuàng)板紅利帶來了大量的資本，市場上出現(xiàn)了仿照互聯(lián)網(wǎng)模式的“高舉高打”“飽和攻擊”的打法。這種打法的核心在于，對稀缺要素，如人才、設(shè)備、晶圓產(chǎn)能競拍高價然后獨占，以此來排除其他競爭者。尤其在芯片設(shè)計領(lǐng)域，這一現(xiàn)象較為普遍。但他認為，這種方式對行業(yè)的發(fā)展是否合適還存疑。hbSesmc

五、芯片制造工藝亟待突破

碳化硅的瓶頸主要在工藝上，芯片制造需要使用到碳膜濺射機、高溫氧化爐、高溫退火爐、高溫離子注入機。由于SiC材料是新材料，其材料特性讓它面臨著一些工藝難題和產(chǎn)業(yè)化難題。hbSesmc

比如：首先，SiC無擴散，滲雜需要高能注入，一般注入能量在300keV，甚至需要打二階到700keV以上，這會造成工藝制造成本高、流片效率低。SiC芯片制造過程中需高溫注入，且還要高溫化退火工藝。hbSesmc

其次，柵氧工藝需要面對碳原子的反應(yīng)，會形成碳相關(guān)雜質(zhì)，需要高溫氧化工藝，皇冠級難度，由于硅產(chǎn)業(yè)無法借鑒，工藝摸索、設(shè)備配套較局限，高溫爐子易受污染，長期穩(wěn)定性差。hbSesmc

再次，光刻工藝難以適應(yīng)，各設(shè)備傳送、取片難定位，這容易造成工藝不穩(wěn)、傳送片相關(guān)效率低、碎片率高。hbSesmc

SiC芯片的瓶頸是對材料認知不夠，經(jīng)過器件設(shè)計到晶圓制造的過程，實際生產(chǎn)出來的器件與設(shè)計的器件差距較大，受限于工藝能力不足，芯片制造難以滿足芯片設(shè)計的要求。hbSesmc

六、碳化硅二極管已成紅海市場

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近年來襯底的價格在不斷下降，到今年6英寸SiC襯底的價格下降到10000元人民幣出頭，這直接導(dǎo)致了SiC二極管價格的下降。今年，1200V二極管的價格已經(jīng)低于0.9元人民幣/安培，650V二極管價格已經(jīng)低于0.65元人民幣/安培。如果這些產(chǎn)品的數(shù)量更大，可以把單價做到更低。hbSesmc

再觀察市場的預(yù)測：2021年碳化硅器件市場規(guī)模達70億人民幣，2025年將達240億人民幣，其中SiC二極管單管和SiC混合模塊共有30億的市場規(guī)模。SiC二極管已經(jīng)成為紅海市場，未來市場的規(guī)模占比又小，這兩個因素疊加在一起，對國產(chǎn)SiC器件產(chǎn)業(yè)化產(chǎn)生了很大的影響。hbSesmc

現(xiàn)在，國產(chǎn)SiC二極管已經(jīng)比較成熟，加上國外廠商把主要資源都放在了SiC MOSFET上，二極管成為了國產(chǎn)SiC器件的突破口，能夠形成一定的銷售額，助力公司的發(fā)展。但長期來看只能是“餓不死，吃不飽”。hbSesmc

同時，投資者、客戶對行業(yè)的發(fā)展認知也越來越深，導(dǎo)致新玩家進入賽道的門檻越來越高?？梢砸婚_始有一兩位專家就能獲得投資，現(xiàn)在已經(jīng)要求要有方案，未來或許會發(fā)展到要有樣品、數(shù)據(jù)、產(chǎn)能才能拉到投資。而SiC MOSFET的應(yīng)用以模塊居多，其中電動汽車主驅(qū)逆變器才是主戰(zhàn)場，國產(chǎn)SiC芯片廠商還需繼續(xù)努力。hbSesmc

七、主驅(qū)逆變器應(yīng)用

國產(chǎn)SiC Diode單管已經(jīng)在消費級市場、工業(yè)領(lǐng)域、汽車領(lǐng)域的OBC/DC-DC有大批量應(yīng)用，國產(chǎn)MOS單管正在工業(yè)領(lǐng)域、汽車領(lǐng)域得到驗證及小批量應(yīng)用，在主驅(qū)逆變器上的應(yīng)用提上日程。據(jù)悉，泰科天潤的SiC二極管早在2016年開始在汽車領(lǐng)域應(yīng)用，到現(xiàn)在累計用量超過了7kk。hbSesmc

車載模塊需要通過AQG324認證，通過認證之后再到車廠做導(dǎo)入，整個過程需要近26個月，從逆變器、總承、整車的角度來看，逆變器部分需要1600臺樣機，再到總承DV測試、PV測試，整車從模擬車、PEBDV、PEBPV，需要經(jīng)過一系列的驗證、測試。hbSesmc

通過整車廠的驗證后就可以開始量產(chǎn)，接下來的品質(zhì)管控、產(chǎn)能和交付是更大的考驗。目前，一片6英寸晶圓可滿足6輛車的需求，但對SiC器件生產(chǎn)商來說，還面臨材料是否夠用，碳化硅襯底能否購買到，半導(dǎo)體設(shè)備是否充足……這都是實實在在的問題。hbSesmc

小結(jié)

國內(nèi)SiC器件供應(yīng)商，既面臨新材料對硅的取代，又面臨國產(chǎn)器件對國外器件的取代，在整個過程中一定會面臨許多問題。SiC器件供應(yīng)商需要做優(yōu)秀的長跑者，腳踏實地一步一個腳印，只有咬牙堅持下去，最后才有可能達到終點。hbSesmc