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【芯观点】6英寸晶圆的躁动与倔强:SiC的两副面孔

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几天前,意法半导体(ST)官方传出消息,该企业的瑞典北雪平工厂制造出首批8英寸碳化硅(SiC)晶圆片,此举标志着该企业向工业和汽车客户扩产计划取得阶段性成功。之所以说是阶段性成功,主要是因为目前ST量产的SiC衬底还是来自意大利本土以及新加坡的6英寸晶圆的前端制造,朝向8英寸SiC衬底占比40%的目标仍在进行中。

这则新闻本身也表明了6英寸以及更小的4英寸依然是SiC产能的主要晶圆尺寸,与此相应的是,去年9月底,NXP曾宣布在美国亚利桑那州的首个6英寸氮化镓(GaN)射频晶圆厂正式开业,并宣称该厂是美国本土最先进的5G射频功率放大器晶圆厂。

无论是SiC还是GaN都有更大的禁带宽度,所以二者被称为极为典型的新一代或者第三代半导体材料,也越来越受到半导体产业的关注,有着相当可观的复合增长率和资本投入度。SiC和GaN的物理化学特性可以说是半导体材料历史演进的必然选择:SiC拥有高击穿电场(临界击穿电场是硅基的10倍)、高饱和电子速度、高热导率、高电子密度和高迁移率等特点,因而提高了SiC基器件的耐压容量、工作频率和电流密度,降低了器件的导通损耗,加上比铜还高的热导率,器件使用时无需额外散热装置,进一步减小了整机体积;同样地,GaN器件具备更高的工作温度、更高的工作频率、更低的导通电阻以及更高的击穿电压,二者在汽车功率半导体和5G射频元器件上有着非常光明的前景。

从通用芯片生产的角度看,6英寸晶圆属于“落后工艺”产能,而且掺杂了不少以备不时之需的二手设备生产线,相对来说,6英寸生产线利用率相对也较低。然而,正所谓“反者道之动”,直到今天,SiC衬底还处在从4英寸、6英寸到8英寸的缓慢迁移过程中。


去年年底,全球知名半导体咨询机构IC Insights曾经对各种面积的晶圆产能按照不同企业做了一个排名(如上图),12英寸和8英寸显然是报告的重点研究领域,这份表格最显著的特色是晶圆面积越大,产能就越集中。相对不受关注的6英寸晶圆领域,华润微和士兰微排名前两位,产能全球占比分别为8%和7%,值得注意的是,ST、Rohm和TI都排进了前十。

在谈论SiC从6英寸向8英寸迁移的难题之前,不妨稍微回顾一下SiC衬底晶圆演化的路线图和布局情况。第三代半导体材料虽然几十年来一直是理论上的热点,但在落地过程中并没有如预期中的顺利,真正驶向快车道的时间点大约在6年前,从那时起,SiC和GaN-on-SiC稳定住了两位数的复合增长率。

从2005年开始,全球一些头部模拟类芯片制造商开始在4英寸(100mm)晶圆厂中增加SiC功率器件,10年之后,领先的SiC器件制造商逐渐完成从4英寸到6英寸晶圆的技术迁移。彼时,SiC功率半导体刚进入到强劲的增长周期中,市场开始出现供不应求,意法半导体、Cree的wolfspeed部门、Rohm、英飞凌、安森美等纷纷宣布扩产,其中Cree和Rohm在实验室完成8英寸SiC晶圆样本之后开始立项,计划到第二年上半年研发SiC 8英寸。

Cree在2019年就规划在北卡罗莱纳州的两个生产基地North Fab和Durham积极布局SiC基晶圆厂,前者主要生产8英寸的MOSFET,在这条生产线中扩建6英寸SiC,两个基地共投资9亿美元,计划在2024年之前将SiC晶圆厂(包括原材料)产能扩大30倍。英飞凌采取了几乎和Cree相同的策略,只不过把SiC生产线“埋藏”在12英寸的德累斯顿晶圆厂内,原本主打硅基功率半导体,生产线的扩张和缩减可以根据实际需求管理调整。与此同时,Rohm也早在2018年于新建的办公大楼内宣布了6英寸晶圆厂扩产计划:到2025年投资600亿日元(5.461亿美元),将SiC产能提高16倍。

SiC功率器件市场得到积极提振的标志性事件,不得不说ST和特斯拉的合作,2017年双方将该技术引入Model3的牵引逆变器,受惠于特斯拉的抢滩登陆,ST的SiC产品线收入在2019年已经突破了2亿美元。

6英寸和苹果手机的“姻缘”

Cree曾将SiC市场大致分为全球25亿美元的功率MOSFET和23亿美元的光伏逆变器,另外还有大致2亿美元的消费便携式SiC充电器。随着汽车电源转换系统复杂程度的不断提高,电源模块的使用数量和性能要求也越来越高,这恰恰是SiC最为擅长的领域。

与硅基相比,SiC功率MOSFET可以处理更高的功率和热负载,这也是轻型电动汽车的理想特性,SiC MOSFET的高击穿电压和高温可操作性确保了基于SiC的半导体器件将成为未来EV的关键模组,这一点已经在业内形成了共识。基于此,Cree的Wolfspeed押注2023年全球SiC器件的综合用市场(TAM)将达到50亿美元,也不能说完全没有底气,公司的6英寸晶圆月产能为45000万片,按照这个速度,到2023年总量将达到惊人的200万片。

除了功率半导体的应用场景之外,很多人忽视了6英寸另一块重要领域——移动消费类产品的应用。多年前苹果公司的新一代产品iPhoneX推出了面部识别功能,基于6英寸晶圆的芯片涵盖了RF前端射频模组,以及用于面部识别的VCSEL和光电探测器。当时,iPhone的物料清单(BOM)列出的121个芯片中,大约有15个使用了6英寸晶圆制造,占了iPhone X总芯片数量的12%和大约2%的总晶圆面积。这款手机中,其他的芯片中有87个来自8英寸晶圆,19个来自12英寸,硅晶圆尺寸面积分别约为32%和66%。

虽然说6英寸的相对占比是最少的,但或许超乎所有人预料的是,自2012年以来,苹果旗舰手机芯片的12英寸晶圆的总面积一直相对平稳,未有明显增加,反而8英寸和6英寸晶圆制造的器件复合增长率分别为9.5%和6%,每年仅仅用于向iPhone供货的6英寸晶圆就超过30万片,这也是一个相当惊人的数字。无疑,在苹果手机BoM消耗的所有6英寸中,Si衬底的6英寸不完全甚至很可能不是主要的组成部分,化合物射频或者传统硅基电源管理芯片仍在其中扮演重要角色,不过,如果仅抽象地谈6英寸晶圆的应用场景,至少可以说明它并没有处在即将被淘汰的边缘,这样一个判断还可以从以下这个例子中得到佐证:25年前,每一辆美国生产的丰田普锐斯平均消耗0.97块6英寸晶圆的芯片,这个数据到了2015年就已经变成了1.18个(如下图):


从97版到2015版丰田Prius每辆消耗的6英寸芯片的量

有关SiC市场应用场景,全球知名半导体分析机构Yole Développement研究第三代半导体材料的资深分析师Poshun Chiu接受了“集微访谈”的采访。在对话中,Poshun Chiu专门提到SiC衬底的GaN技术在手机射频前端模组,尤其在PA功率放大器领域中仍有很大的拓展空间,但目前还缺少真正的杀手级应用。


Yole Développement资深分析师Poshun Chiu接受了集微访谈的采访

SiC从6英寸到8英寸,艰难的旅程

回到开篇,ST 8英寸碳化硅(SiC)晶圆的生产之所以成为新闻,恰恰反映了这项技术的面前仍是一片蓝海。

理论上,晶圆直径增加50毫米对应着的是78%左右的面积增大,从6英寸迁移到8英寸可以大幅度缓解用料成本和单晶价格问题,毕竟每块晶圆的芯片数量可以增加2.2倍。

但事实上,少数头部大厂在探索SiC 8英寸技术时,大部分供应商依然为6英寸的良率所困扰,尤其是SiC衬底的GaN射频芯片还处在从4英寸到6英寸的过渡阶段。即便是ST这样在该领域投入巨额研发资金的厂商,一开始的实验也被给与了很大的试错空间。

SiC是硬度仅次于金刚石的晶体,极难加工,晶圆的厚度和电阻率波动、弯曲、表面缺陷和边缘破碎等特征会严重影响甚至损害生产线上的一些工具。对此,美国领先的半导体设备制造商泛林、应用材料、KLA的工程师特别有发言权。


6英寸高纯半绝缘SiC衬底的电阻率分布图

KLA产品营销经理Mukund Raghunathan曾直言不讳技术上的难度:“目前的6英寸SiC衬底依然存在高密度晶体位错缺陷,它的透明度和折射率让公司的metrology(良率检测)环节颇受挑战。SiC衬底最常见的缺点包括划痕、凹坑、表面颗粒、污点和晶体堆垛层错,这一系列问题大大延缓了从4英寸到6英寸的迁移难度,遑论8英寸。”泛林科技的战略营销高级总监David Haynes也指出:“SiC是地球上第三硬的复合材料,莫氏硬度为9.5,所以SiC晶圆极难切割,它们和切割时使用的金刚石砂轮一样坚硬,而且晶片在切割过程中也很脆,容易碎裂,导致刀片很快磨损。”

SiC特殊的物理化学特性成为了晶圆前端制造与市场应用的“双刃剑”,目前其单晶衬底的位错密度往往仍高达103/cm2以上,这也使得过去四五年来SiC器件的平均售价并未因为晶圆面积的迁移而显著降低,出于利润率的考虑,目前8英寸SiC还让大多数供应商望而却步。

结语

毫无疑问,新能源汽车产业给了SiC以极为广阔的拓展空间,也反向推动着整个汽车产业和芯片生产商新型关系的诞生。相比美国,欧洲有着更为激进的电动车计划,汽车功率半导体大厂已经把新型半导体材料视为了必争之地。

然而限于SiC特殊的物理化学特性,生产平台仍处在从4英寸到6英寸的过渡之中,8英寸的前瞻布局仍处在蹚水破局的初级阶段,6英寸的躁动和倔强,在可见的未来仍会持续下去。

(校对/Sharon)

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