碳化硅的前世今生之07:产业链核心环节高度垄断

上篇的推送中,我们说到了封装,已经到了产品完成阶段。我们再回过头来看看高度垄断的产业链核心环节和市场情况,特别是碳化硅晶圆衬底

  

之前说过,从市场需求来看,新能源汽车的快速发展是市场重头,2021年,特斯拉全年交付了近94万辆新车,以每2辆电动汽车需要一片6英寸碳化硅晶圆,按2022年特斯拉预计生产200万辆,其需求量就超过了全球60至70万片的碳化硅产能,所以两年来全球碳化硅项目一直在不断扩产。

供应链欧美日领先

从全球碳化硅市场看,在供应链方面,从衬底到器件均呈现寡头垄断的局面,全球碳化硅产量的70%80%来自美国公司,欧美日企业技术领先。由于布局较早,Wolfspeed意法半导体罗姆等海外头部企业占据主要份额,良率与产能规模全球领先。

事实上,全球碳化硅市场的供给主要取决于衬底厂商WolfspeedII-VISiCrystal三巨头合计占据了近80%的出货量。

衬底市场占有率一家独大

2018年底,当时的Cree(Wolfspeed)市场占有率虽然有所下降,但是依然高达62%。2020年,其市场占有率大幅度下降17%,这正是其他厂商奋起直追的结果。

Yole数据显示,2020年上半年Wolfspeed市占率在45%以上,国内碳化硅衬底龙头天科合达山东天岳的合计市场份额不到10%

衬底是碳化硅器件制造的核心环节,由于工艺复杂技术门槛高晶体生长缓慢等原因,上游碳化硅衬底材料环节成为了制约产能关键。未来,在碳化硅器件变得越来越火的情况下,衬底的竞争将日益激烈

碳化硅衬底产能全球第一的Wolfspeed还在持续巩固自己的优势地位,不但在碳化硅器件方面获得了客户的认可,在衬底方面也屡创佳绩。目前Wolfspeed已有超过13亿美元长期协议,在车规级器件端扩展迅速,将在2024年前扩充产能30倍

2021年8月,Wolfspeed与意法半导体宣布将现有碳化硅晶圆多年长期供货协议总价提高至5亿美元以上。未来几年Wolfspeed将向意法半导体提供先进的6英寸碳化硅衬底和外延晶圆,帮助市场领先的意法半导体满足全球市场,尤其是汽车和工业应用对碳化硅功率器件快速增长的需求。

Wolfspeed还和碳化硅器件端的竞争对手安森美和英飞凌达成了衬底长期供货协议。在碳化硅晶圆市场,Wolfspeed的竞争者还有II-VI昭和电工道康宁等。

2022年4月25日,Wolfspeed莫霍克谷工厂正式开业,被称为“全球首座、最大且唯一的8英寸碳化硅晶圆厂”,它将大批量制造碳化硅MOSFET,并将其封装到其XM3半桥功率模块中。

Wolfspeed还宣布与Lucid Motors达成一项提供碳化硅功率半导体的长期协议。目前,这些半导体已经在豪华型纯电动Lucid Air中采用。每辆Lucid Air的动力总成逆变器将使用六个这样的碳化硅封装,为其适中尺寸、74kg、500kW的电机提供所需的低开关损耗和高功率密度。

事实上,罗姆半导体透露,Lucid在其Air车型的车载充电机中已使用了其碳化硅MOSFET,竞争白热化程度可见一斑。

在电动汽车的推动下,Yole分析师预测碳化硅市场将有数十亿美元的增长,到2027年该市场价值将超过60亿美元,远超2021年的10亿美元。

为了做好准备,包括罗姆、II-VI和英飞凌、三安集成在内的众多碳化硅厂商都在建设产能,但Wolfspeed新工厂是全球首座8英寸晶圆厂,这并不多见。

竞争对手们也在研究更大的晶圆尺寸,例如,意法半导体去年7月发布了其用于原型器件的首批8英寸碳化硅晶圆,而三安集成则表示希望在2024年制造成千上万片8英寸晶圆

由于许多公司使用传统的8英寸硅晶圆设备,这可能会加速行业向更大的晶圆尺寸转型。虽然目前的产量数据不详,但与6英寸晶圆相比,较大尺寸的晶圆将提高芯片产量近85%,有助于保障许多制造商仍在努力争取的未来晶圆供应。

外延制造几家主宰

外延是衬底的后道工序,在全球市场中,外延片企业主要有道康宁、II-VI、Norstel(意法半导体旗下)、Wolfspeed、罗姆、三菱电机、英飞凌等,大多数是IDM公司。日本也有一些优秀的碳化硅外延供应商,如昭和电工,因为在前几年收购了日本新日铁,开始涉及碳化硅单晶制备。

 

在碳化硅外延技术进展方面,低、中压的碳化硅外延技术比较成熟,表面缺陷可以达到0.5个/平方厘米以下,基本上可以满足SBD、JBS、MOSFET等器件的要求;在高压领域,需要攻克的技术难关很多,主要表现在厚度、掺杂浓度均匀性、三角缺陷等方面,如20kV器件的200μm碳化硅外延材料,其掺杂浓度均匀性、厚度质量比低压技术差很多。

 

目前,在碳化硅外延技术和制备设备方面,意大利LPE、德国爱思强和日本TEL和Nuflare公司垄断市场。LPE设备属于单片机,生长速率非常高。LPE碳化硅设备在中国的市占率排名第一,已经销售了30多台碳化硅设备,客户包括意法半导体和瀚天天成等。从2019年开始,LPE还主动进攻日本市场,2020年正式在日本试销8英寸碳化硅设备。

 

 

爱思强产能比较大;TEL和Nuflare设备是双腔体,对提高产量有一定作用,价格非常昂贵。Nuflare是近年来推出的非常有特点的设备,转速可以达到每分钟1000转,对外延均匀性非常有利;不同于其他设备,其气流方向是垂直向下的,可以避免一些颗粒物产生,减少滴落到片上的概率。

成本居高不下源于技术壁垒

在应用端,用户认为碳化硅还是比较贵。主要原因是生产周期生产难度市场条件。碳化硅材料的长晶速度非常慢,每小时只能生长0.2至0.3mm,效率非常低;而硅单晶72个小时就能长两三米的长度,很容易就能达到数米高度。

 

整个长晶过程就是“黑箱”操作,技术门槛高,需要积累经验。目前,碳化硅生长的体积(直径)比较小,大多数情况下只能制备出直径4英寸或6英寸晶圆,硅的最大尺寸可以达到12英寸。另外,碳化硅硬度非常高且脆,因此,晶圆的制备损耗非常高,良率比较低

 

硅已经做了几十年,几乎没有缺陷,但碳化硅不同,规模应用不到十年,在材料缺陷和特殊工艺方面还有一些问题。硅的缺陷描述单位是个/片,碳化硅的缺陷单位是个/平方厘米,有数量级的区别。

 

如果长晶阶段缺陷比较多,整个碳化硅单晶锭就会报废,晶锭生产投入的时间和能耗就浪费了。做碳化硅外延时,衬底上的缺陷会继承甚至被放大,从而影响外延良率。如果用有缺陷的外延制造碳化硅芯片,也会导致芯片良率降低。

虽然外延技术门槛相对较低,但均匀性成本厚度器件面积等是工艺关键。在特殊工艺方面,由于硅和碳之间是极性共价键,键能是104kcal/mol,需要增加一些特殊工艺,如高温离子注入和高温退火,还有高温氧化。这些是制造硅器件时不需要的工艺,所以资产投入在千万级别。

 

另一方面,碳化硅器件的性能和可靠性非常关键,满足高压器件低缺陷密度均匀掺杂的碳化硅外延工艺难度很大;叠加离子注入、栅氧击穿可靠性及客户验证等都是器件端的挑战。现阶段碳化硅的良率不高于70%,特别是电动汽车用的大功率芯片良率更低。

 

综上所述,碳化硅市场进入壁垒高技术挑战难度大。所以,一个碳化硅企业只有掌握了完整的碳化硅制造工艺,才能说掌握了碳化硅核心技术

中国一直在努力

事实上,中国一直在设法进入碳化硅外延技术领域,不过都没能成功。早在2016年7月,福建宏芯正式发布要约文件,以金额约6.7亿欧元收购成立于1983年的德国半导体设备供应商爱思强,后者当时经营困难并陷于亏损。当时的美国总统奥巴马以国家安全为由否决了中国福建宏芯收购德国爱思强的交易。

 

2020年底,深圳创疆投资控股与LPE达成70%股权的收购协议,2021年8月,意大利新任总理德拉吉的新政府在“黄金权力”(Golden Power)法规下首次行使否决权,阻止了这一交易。

 

LPE成立于1972年,生产硅外延反应炉和主要满足第三代半导体新兴市场需求的碳化硅外延炉。通过早期与意法半导体的合作,LPE逐渐掌握了外延工艺的核心技术和设计,目前在功率器件用厚膜外延设备上占有绝对优势。

 

2022年5月,曾为特斯拉开发碳化硅模块和银烧结设备的著名银烧结设备厂商博世曼(Boschman Technologies)被苏州宝士曼半导体设备有限公司。后者成立于2021年9月,致力于第三代半导体的封装技术和设备的研发与应用,目前,宝士曼已经在荷兰和新加坡建有研发及工程设备制造中心。

 

 

2018年,特斯拉的Model 3的碳化硅MOSFET模块采用了博世曼的烧结设备,而整个模块的组装(烧结、焊接、引线键合、成型、修整和成型)和第一个原型,是由博世曼的子公司APC完成的。当然,这一收购只限于后道封装工艺,可服务于新能源汽车、高铁、智能电网以及6G通信的功率模块与微波通信等领域。

 

下一篇我们将谈谈近年来国内碳化硅技术、器件与应用的进展,包括产业化面临的一些问题和应对之道。敬请期待。

 

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