電子發(fā)燒友網(wǎng)報道（文/梁浩斌）碳化硅襯底作為碳化硅產(chǎn)業(yè)的上游核心材料，在下游器件需求高速增長下，近年來襯底廠商加速推進(jìn)8英寸襯底的量產(chǎn)進(jìn)度，去年業(yè)界龍頭Wolfspeed已經(jīng)啟動了全球首家8英寸SiC晶圓廠，也意味著8英寸襯底正式拉開量產(chǎn)大幕。

那么8英寸襯底有哪些優(yōu)點以及技術(shù)難點，目前國內(nèi)廠商的進(jìn)度又如何？近期包括天科合達(dá)、爍科晶體等廠商以及產(chǎn)業(yè)人士都分享了一些最新觀點。

8英寸碳化硅襯底的必要性

正如硅基芯片所用到的硅晶圓，尺寸從6英寸、8英寸發(fā)展至12英寸一樣，對于碳化硅功率器件所用到的襯底，同樣在往大尺寸發(fā)展。

據(jù)天科合達(dá)研發(fā)副總婁艷芳介紹，8英寸襯底的有效利用率高，推動產(chǎn)業(yè)鏈降本增效的效果明顯，尤其是襯底在碳化硅產(chǎn)業(yè)鏈中所占價值可以高達(dá)50%的情況下。襯底尺寸越大，單位襯底可以制造的芯片數(shù)量越多，單位芯片成本就越低。

比如從4英寸到6英寸，碳化硅器件單位成本預(yù)計能降低50%；而從6英寸到8英寸，碳化硅器件成本預(yù)計可以降低20%-35%。

雖然從數(shù)字上看8英寸襯底帶來的單位成本下降，相比4英寸發(fā)展至6英寸的過程要少，但8英寸襯底實際上相比6英寸能多切除近90%的芯片數(shù)量，邊緣浪費降低7%。

同時，在襯底尺寸擴(kuò)大的同時，產(chǎn)線方面的投入也不需要太大，現(xiàn)有8英寸的硅基產(chǎn)線經(jīng)過改造就可以生產(chǎn)8英寸晶圓的碳化硅器件。

因此，在8英寸碳化硅襯底進(jìn)入市場后，爍科晶體總經(jīng)理助理馬康夫認(rèn)為，8英寸襯底具有的更高芯片利用面積和更低的成本，將改變市場格局。

電子發(fā)燒友/攝

集邦咨詢分析師龔瑞驕近期分享的預(yù)測顯示，預(yù)計到2026年，8英寸碳化硅襯底在市場中的份額會占到15%，與此同時6英寸的份額依然是市場主流，4英寸將會逐步退出市場。

這與硅片產(chǎn)業(yè)的發(fā)展歷程也較為接近，12英寸硅片的推出，沒有顯著壓縮8英寸的市場，而是使得6英寸的市場競爭力持續(xù)減弱。

8英寸襯底的難點

碳化硅材料相比于硅，生長速度慢，熔點高，所以在過去幾十年間受到材料生長的限制，產(chǎn)能難以提升也一定程度上限制碳化硅產(chǎn)業(yè)的發(fā)展速度。

而從6英寸到8英寸，碳化硅襯底的制造過程中更是會產(chǎn)生很多難題。婁艷芳總結(jié)了四點，第一是需要研發(fā)和調(diào)試大尺寸溫場材料，由于襯底尺寸變大，所以需要把溫場調(diào)大，在溫場調(diào)大的過程中，材料質(zhì)量、穩(wěn)定性、價格可能都有一定提升，因此要保證供應(yīng)質(zhì)量以及價格合理。

第二是由于碳化硅硬度和脆性較大，所以在襯底尺寸擴(kuò)大的情況下，晶片翹曲控制是一個很大的挑戰(zhàn)；

第三是目前為了防止晶片出現(xiàn)破損，8英寸晶片厚度都會較高，國際上以及國內(nèi)的產(chǎn)品基本上是500微米，6英寸僅為350微米左右，厚度增加后給成本會帶來很大挑戰(zhàn)。

第四是8英寸晶碇所需的籽晶較難制備，優(yōu)質(zhì)籽晶供應(yīng)是一個挑戰(zhàn)。

天科合達(dá)在材料生長方面，則具備自主生長爐研發(fā)的優(yōu)勢。從第一代的2英寸碳化硅生長爐，到4-6英寸生長爐，目前天科合達(dá)已經(jīng)發(fā)展到第五代生長爐，可以滿足6-8英寸碳化硅產(chǎn)品的需求。

馬康夫也提到，在8英寸剛開始研發(fā)的時候，市面上基本上買不到8英寸籽晶，因此只能從6英寸一點點擴(kuò)徑直8英寸，但這樣的工序所需的時間極長，基本無法量產(chǎn)。后來爍科作出了質(zhì)量較好的8英寸籽晶后，為后面單晶生長打下了基礎(chǔ)。

另一方面大尺寸晶體生長面臨的應(yīng)力大，晶體容易開裂。爍科晶體則通過爐體結(jié)構(gòu)優(yōu)化、低應(yīng)力生長、退火工藝等方面的改進(jìn)，解決材料應(yīng)力的問題。

國內(nèi)目前進(jìn)展

從量產(chǎn)時間節(jié)點來看，國產(chǎn)的碳化硅襯底發(fā)展正在加速追趕國際領(lǐng)先水平。在4英寸節(jié)點，國內(nèi)外首次量產(chǎn)的時間差距長達(dá)7年；到了6英寸節(jié)點，這個時間差被縮小至4年，而8英寸襯底上盡管海外大廠早在2016年就已經(jīng)推出樣品，但實際的量產(chǎn)是直到2022年才正式開始的。

按照天科合達(dá)的計劃，2022年正式發(fā)布了8英寸碳化硅襯底后，預(yù)計在2023年底前對微管密度、電阻率、厚度等指標(biāo)進(jìn)一步優(yōu)化，實現(xiàn)小批量供貨；到2024年底，形成中批量供貨，并在2025年Q3形成穩(wěn)定的批量供貨。

爍科晶體在2021年9月成功生長出8英寸碳化硅單晶，在2022年年初將單晶加工成晶片，不過目前暫未公布具體的量產(chǎn)時間。

同時近期天岳先進(jìn)、三安光電都宣布了與海外芯片廠商的合作，其中三安光電預(yù)計最早2025年向ST供應(yīng)8英寸碳化硅襯底。

顯然，在8英寸的階段，國內(nèi)廠商的襯底產(chǎn)品已經(jīng)將與海外廠商的差距再進(jìn)一步縮短，這將會為國內(nèi)的碳化硅產(chǎn)業(yè)帶來迎頭趕上的機(jī)遇。

寫在最后

可以看到，如果8英寸襯底進(jìn)展順利，國內(nèi)碳化硅襯底有望能將量產(chǎn)節(jié)點時間差縮短至2年內(nèi)。不過產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，仍需要上下游更多的協(xié)作，有了應(yīng)用，才能夠通過反饋不斷優(yōu)化產(chǎn)品指標(biāo)，從而建立起企業(yè)以及產(chǎn)品的獨有優(yōu)勢。