【芯觀(guān)點(diǎn)】6英寸晶圓的躁動(dòng)與倔強(qiáng)：SiC的兩副面孔

芯觀(guān)點(diǎn)──聚焦國(guó)內(nèi)外產(chǎn)業(yè)大事件，匯聚中外名人專(zhuān)家觀(guān)點(diǎn)，剖析行業(yè)發(fā)展動(dòng)態(tài)，帶你讀懂未來(lái)趨勢(shì)！

幾天前，意法半導(dǎo)體（ST）官方傳出消息，該企業(yè)的瑞典北雪平工廠(chǎng)制造出首批8英寸碳化硅（SiC）晶圓片，此舉標(biāo)志著該企業(yè)向工業(yè)和汽車(chē)客戶(hù)擴(kuò)產(chǎn)計(jì)劃取得階段性成功。之所以說(shuō)是階段性成功，主要是因?yàn)槟壳癝T量產(chǎn)的SiC襯底還是來(lái)自意大利本土以及新加坡的6英寸晶圓的前端制造，朝向8英寸SiC襯底占比40%的目標(biāo)仍在進(jìn)行中。

這則新聞本身也表明了6英寸以及更小的4英寸依然是SiC產(chǎn)能的主要晶圓尺寸，與此相應(yīng)的是，去年9月底，NXP曾宣布在美國(guó)亞利桑那州的首個(gè)6英寸氮化鎵（GaN）射頻晶圓廠(chǎng)正式開(kāi)業(yè)，并宣稱(chēng)該廠(chǎng)是美國(guó)本土最先進(jìn)的5G射頻功率放大器晶圓廠(chǎng)。

無(wú)論是SiC還是GaN都有更大的禁帶寬度，所以二者被稱(chēng)為極為典型的新一代或者第三代半導(dǎo)體材料，也越來(lái)越受到半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的關(guān)注，有著相當(dāng)可觀(guān)的復(fù)合增長(zhǎng)率和資本投入度。SiC和GaN的物理化學(xué)特性可以說(shuō)是半導(dǎo)體材料歷史演進(jìn)的必然選擇：SiC擁有高擊穿電場(chǎng)（臨界擊穿電場(chǎng)是硅基的10倍）、高飽和電子速度、高熱導(dǎo)率、高電子密度和高遷移率等特點(diǎn)，因而提高了SiC基器件的耐壓容量、工作頻率和電流密度，降低了器件的導(dǎo)通損耗，加上比銅還高的熱導(dǎo)率，器件使用時(shí)無(wú)需額外散熱裝置，進(jìn)一步減小了整機(jī)體積；同樣地，GaN器件具備更高的工作溫度、更高的工作頻率、更低的導(dǎo)通電阻以及更高的擊穿電壓，二者在汽車(chē)功率半導(dǎo)體和5G射頻元器件上有著非常光明的前景。

從通用芯片生產(chǎn)的角度看，6英寸晶圓屬于“落后工藝”產(chǎn)能，而且摻雜了不少以備不時(shí)之需的二手設(shè)備生產(chǎn)線(xiàn)，相對(duì)來(lái)說(shuō)，6英寸生產(chǎn)線(xiàn)利用率相對(duì)也較低。然而，正所謂“反者道之動(dòng)”，直到今天，SiC襯底還處在從4英寸、6英寸到8英寸的緩慢遷移過(guò)程中。

去年年底，全球知名半導(dǎo)體咨詢(xún)機(jī)構(gòu)IC Insights曾經(jīng)對(duì)各種面積的晶圓產(chǎn)能按照不同企業(yè)做了一個(gè)排名（如上圖），12英寸和8英寸顯然是報(bào)告的重點(diǎn)研究領(lǐng)域，這份表格最顯著的特色是晶圓面積越大，產(chǎn)能就越集中。相對(duì)不受關(guān)注的6英寸晶圓領(lǐng)域，華潤(rùn)微和士蘭微排名前兩位，產(chǎn)能全球占比分別為8%和7%，值得注意的是，ST、Rohm和TI都排進(jìn)了前十。

在談?wù)揝iC從6英寸向8英寸遷移的難題之前，不妨稍微回顧一下SiC襯底晶圓演化的路線(xiàn)圖和布局情況。第三代半導(dǎo)體材料雖然幾十年來(lái)一直是理論上的熱點(diǎn)，但在落地過(guò)程中并沒(méi)有如預(yù)期中的順利，真正駛向快車(chē)道的時(shí)間點(diǎn)大約在6年前，從那時(shí)起，SiC和GaN-on-SiC穩(wěn)定住了兩位數(shù)的復(fù)合增長(zhǎng)率。

從2005年開(kāi)始，全球一些頭部模擬類(lèi)芯片制造商開(kāi)始在4英寸（100mm）晶圓廠(chǎng)中增加SiC功率器件，10年之后，領(lǐng)先的SiC器件制造商逐漸完成從4英寸到6英寸晶圓的技術(shù)遷移。彼時(shí)，SiC功率半導(dǎo)體剛進(jìn)入到強(qiáng)勁的增長(zhǎng)周期中，市場(chǎng)開(kāi)始出現(xiàn)供不應(yīng)求，意法半導(dǎo)體、Cree的wolfspeed部門(mén)、Rohm、英飛凌、安森美等紛紛宣布擴(kuò)產(chǎn)，其中Cree和Rohm在實(shí)驗(yàn)室完成8英寸SiC晶圓樣本之后開(kāi)始立項(xiàng)，計(jì)劃到第二年上半年研發(fā)SiC 8英寸。

Cree在2019年就規(guī)劃在北卡羅萊納州的兩個(gè)生產(chǎn)基地North Fab和Durham積極布局SiC基晶圓廠(chǎng)，前者主要生產(chǎn)8英寸的MOSFET，在這條生產(chǎn)線(xiàn)中擴(kuò)建6英寸SiC，兩個(gè)基地共投資9億美元，計(jì)劃在2024年之前將SiC晶圓廠(chǎng)（包括原材料）產(chǎn)能擴(kuò)大30倍。英飛凌采取了幾乎和Cree相同的策略，只不過(guò)把SiC生產(chǎn)線(xiàn)“埋藏”在12英寸的德累斯頓晶圓廠(chǎng)內(nèi)，原本主打硅基功率半導(dǎo)體，生產(chǎn)線(xiàn)的擴(kuò)張和縮減可以根據(jù)實(shí)際需求管理調(diào)整。與此同時(shí)，Rohm也早在2018年于新建的辦公大樓內(nèi)宣布了6英寸晶圓廠(chǎng)擴(kuò)產(chǎn)計(jì)劃：到2025年投資600億日元（5.461億美元），將SiC產(chǎn)能提高16倍。

SiC功率器件市場(chǎng)得到積極提振的標(biāo)志性事件，不得不說(shuō)ST和特斯拉的合作，2017年雙方將該技術(shù)引入Model3的牽引逆變器，受惠于特斯拉的搶灘登陸，ST的SiC產(chǎn)品線(xiàn)收入在2019年已經(jīng)突破了2億美元。

6英寸和蘋(píng)果手機(jī)的“姻緣”

Cree曾將SiC市場(chǎng)大致分為全球25億美元的功率MOSFET和23億美元的光伏逆變器，另外還有大致2億美元的消費(fèi)便攜式SiC充電器。隨著汽車(chē)電源轉(zhuǎn)換系統(tǒng)復(fù)雜程度的不斷提高，電源模塊的使用數(shù)量和性能要求也越來(lái)越高，這恰恰是SiC最為擅長(zhǎng)的領(lǐng)域。

與硅基相比，SiC功率MOSFET可以處理更高的功率和熱負(fù)載，這也是輕型電動(dòng)汽車(chē)的理想特性，SiC MOSFET的高擊穿電壓和高溫可操作性確保了基于SiC的半導(dǎo)體器件將成為未來(lái)EV的關(guān)鍵模組，這一點(diǎn)已經(jīng)在業(yè)內(nèi)形成了共識(shí)。基于此，Cree的Wolfspeed押注2023年全球SiC器件的綜合用市場(chǎng)（TAM）將達(dá)到50億美元，也不能說(shuō)完全沒(méi)有底氣，公司的6英寸晶圓月產(chǎn)能為45000萬(wàn)片，按照這個(gè)速度，到2023年總量將達(dá)到驚人的200萬(wàn)片。

除了功率半導(dǎo)體的應(yīng)用場(chǎng)景之外，很多人忽視了6英寸另一塊重要領(lǐng)域——移動(dòng)消費(fèi)類(lèi)產(chǎn)品的應(yīng)用。多年前蘋(píng)果公司的新一代產(chǎn)品iPhoneX推出了面部識(shí)別功能，基于6英寸晶圓的芯片涵蓋了RF前端射頻模組，以及用于面部識(shí)別的VCSEL和光電探測(cè)器。當(dāng)時(shí)，iPhone的物料清單（BOM）列出的121個(gè)芯片中，大約有15個(gè)使用了6英寸晶圓制造，占了iPhone X總芯片數(shù)量的12%和大約2%的總晶圓面積。這款手機(jī)中，其他的芯片中有87個(gè)來(lái)自8英寸晶圓，19個(gè)來(lái)自12英寸，硅晶圓尺寸面積分別約為32%和66%。

雖然說(shuō)6英寸的相對(duì)占比是最少的，但或許超乎所有人預(yù)料的是，自2012年以來(lái)，蘋(píng)果旗艦手機(jī)芯片的12英寸晶圓的總面積一直相對(duì)平穩(wěn)，未有明顯增加，反而8英寸和6英寸晶圓制造的器件復(fù)合增長(zhǎng)率分別為9.5%和6%，每年僅僅用于向iPhone供貨的6英寸晶圓就超過(guò)30萬(wàn)片，這也是一個(gè)相當(dāng)驚人的數(shù)字。無(wú)疑，在蘋(píng)果手機(jī)BoM消耗的所有6英寸中，Si襯底的6英寸不完全甚至很可能不是主要的組成部分，化合物射頻或者傳統(tǒng)硅基電源管理芯片仍在其中扮演重要角色，不過(guò)，如果僅抽象地談6英寸晶圓的應(yīng)用場(chǎng)景，至少可以說(shuō)明它并沒(méi)有處在即將被淘汰的邊緣，這樣一個(gè)判斷還可以從以下這個(gè)例子中得到佐證：25年前，每一輛美國(guó)生產(chǎn)的豐田普銳斯平均消耗0.97塊6英寸晶圓的芯片，這個(gè)數(shù)據(jù)到了2015年就已經(jīng)變成了1.18個(gè)（如下圖）：

從97版到2015版豐田Prius每輛消耗的6英寸芯片的量

有關(guān)SiC市場(chǎng)應(yīng)用場(chǎng)景，全球知名半導(dǎo)體分析機(jī)構(gòu)Yole Développement研究第三代半導(dǎo)體材料的資深分析師Poshun Chiu接受了“集微訪(fǎng)談”的采訪(fǎng)。在對(duì)話(huà)中，Poshun Chiu專(zhuān)門(mén)提到SiC襯底的GaN技術(shù)在手機(jī)射頻前端模組，尤其在PA功率放大器領(lǐng)域中仍有很大的拓展空間，但目前還缺少真正的殺手級(jí)應(yīng)用。

Yole Développement資深分析師Poshun Chiu接受了集微訪(fǎng)談的采訪(fǎng)

SiC從6英寸到8英寸，艱難的旅程

回到開(kāi)篇，ST 8英寸碳化硅（SiC）晶圓的生產(chǎn)之所以成為新聞，恰恰反映了這項(xiàng)技術(shù)的面前仍是一片藍(lán)海。

理論上，晶圓直徑增加50毫米對(duì)應(yīng)著的是78%左右的面積增大，從6英寸遷移到8英寸可以大幅度緩解用料成本和單晶價(jià)格問(wèn)題，畢竟每塊晶圓的芯片數(shù)量可以增加2.2倍。

但事實(shí)上，少數(shù)頭部大廠(chǎng)在探索SiC 8英寸技術(shù)時(shí)，大部分供應(yīng)商依然為6英寸的良率所困擾，尤其是SiC襯底的GaN射頻芯片還處在從4英寸到6英寸的過(guò)渡階段。即便是ST這樣在該領(lǐng)域投入巨額研發(fā)資金的廠(chǎng)商，一開(kāi)始的實(shí)驗(yàn)也被給與了很大的試錯(cuò)空間。

SiC是硬度僅次于金剛石的晶體，極難加工，晶圓的厚度和電阻率波動(dòng)、彎曲、表面缺陷和邊緣破碎等特征會(huì)嚴(yán)重影響甚至損害生產(chǎn)線(xiàn)上的一些工具。對(duì)此，美國(guó)領(lǐng)先的半導(dǎo)體設(shè)備制造商泛林、應(yīng)用材料、KLA的工程師特別有發(fā)言權(quán)。

6英寸高純半絕緣SiC襯底的電阻率分布圖

KLA產(chǎn)品營(yíng)銷(xiāo)經(jīng)理Mukund Raghunathan曾直言不諱技術(shù)上的難度：“目前的6英寸SiC襯底依然存在高密度晶體位錯(cuò)缺陷，它的透明度和折射率讓公司的metrology（良率檢測(cè)）環(huán)節(jié)頗受挑戰(zhàn)。SiC襯底最常見(jiàn)的缺點(diǎn)包括劃痕、凹坑、表面顆粒、污點(diǎn)和晶體堆垛層錯(cuò)，這一系列問(wèn)題大大延緩了從4英寸到6英寸的遷移難度，遑論8英寸。”泛林科技的戰(zhàn)略營(yíng)銷(xiāo)高級(jí)總監(jiān)David Haynes也指出：“SiC是地球上第三硬的復(fù)合材料，莫氏硬度為9.5，所以SiC晶圓極難切割，它們和切割時(shí)使用的金剛石砂輪一樣堅(jiān)硬，而且晶片在切割過(guò)程中也很脆，容易碎裂，導(dǎo)致刀片很快磨損。”

SiC特殊的物理化學(xué)特性成為了晶圓前端制造與市場(chǎng)應(yīng)用的“雙刃劍”，目前其單晶襯底的位錯(cuò)密度往往仍高達(dá)103/cm2以上，這也使得過(guò)去四五年來(lái)SiC器件的平均售價(jià)并未因?yàn)榫A面積的遷移而顯著降低，出于利潤(rùn)率的考慮，目前8英寸SiC還讓大多數(shù)供應(yīng)商望而卻步。

結(jié)語(yǔ)

毫無(wú)疑問(wèn)，新能源汽車(chē)產(chǎn)業(yè)給了SiC以極為廣闊的拓展空間，也反向推動(dòng)著整個(gè)汽車(chē)產(chǎn)業(yè)和芯片生產(chǎn)商新型關(guān)系的誕生。相比美國(guó)，歐洲有著更為激進(jìn)的電動(dòng)車(chē)計(jì)劃，汽車(chē)功率半導(dǎo)體大廠(chǎng)已經(jīng)把新型半導(dǎo)體材料視為了必爭(zhēng)之地。

然而限于SiC特殊的物理化學(xué)特性，生產(chǎn)平臺(tái)仍處在從4英寸到6英寸的過(guò)渡之中，8英寸的前瞻布局仍處在蹚水破局的初級(jí)階段，6英寸的躁動(dòng)和倔強(qiáng)，在可見(jiàn)的未來(lái)仍會(huì)持續(xù)下去。

（Sharon）