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幾天前，意法半導體（ST）官方傳出消息，該企業的瑞典北雪平工廠制造出首批8英寸碳化硅（SiC）晶圓片，此舉標志著該企業向工業和汽車客戶擴產計劃取得階段性成功。之所以說是階段性成功，主要是因為目前ST量產的SiC襯底還是來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%的目標仍在進行中。

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產能的主要晶圓尺寸，與此相應的是，去年9月底，NXP曾宣布在美國亞利桑那州的首個6英寸氮化鎵（GaN）射頻晶圓廠正式開業，并宣稱該廠是美國本土最先進的5G射頻功率放大器晶圓廠。

無論是SiC還是GaN都有更大的禁帶寬度，所以二者被稱為極為典型的新一代或者第三代半導體材料，也越來越受到半導體產業的關注，有著相當可觀的復合增長率和資本投入度。SiC和GaN的物理化學特性可以說是半導體材料歷史演進的必然選擇：SiC擁有高擊穿電場（臨界擊穿電場是硅基的10倍）、高飽和電子速度、高熱導率、高電子密度和高遷移率等特點，因而提高了SiC基器件的耐壓容量、工作頻率和電流密度，降低了器件的導通損耗，加上比銅還高的熱導率，器件使用時無需額外散熱裝置，進一步減小了整機體積；同樣地，GaN器件具備更高的工作溫度、更高的工作頻率、更低的導通電阻以及更高的擊穿電壓，二者在汽車功率半導體和5G射頻元器件上有著非常光明的前景。

從通用芯片生產的角度看，6英寸晶圓屬于“落后工藝”產能，而且摻雜了不少以備不時之需的二手設備生產線，相對來說，6英寸生產線利用率相對也較低。然而，正所謂“反者道之動”，直到今天，SiC襯底還處在從4英寸、6英寸到8英寸的緩慢遷移過程中。

去年年底，全球知名半導體咨詢機構IC Insights曾經對各種面積的晶圓產能按照不同企業做了一個排名（如上圖），12英寸和8英寸顯然是報告的重點研究領域，這份表格最顯著的特色是晶圓面積越大，產能就越集中。相對不受關注的6英寸晶圓領域，華潤微和士蘭微排名前兩位，產能全球占比分別為8%和7%，值得注意的是，ST、Rohm和TI都排進了前十。

在談論SiC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圖和布局情況。第三代半導體材料雖然幾十年來一直是理論上的熱點，但在落地過程中并沒有如預期中的順利，真正駛向快車道的時間點大約在6年前，從那時起，SiC和GaN-on-SiC穩定住了兩位數的復合增長率。

從2005年開始，全球一些頭部模擬類芯片制造商開始在4英寸（100mm）晶圓廠中增加SiC功率器件，10年之后，領先的SiC器件制造商逐漸完成從4英寸到6英寸晶圓的技術遷移。彼時，SiC功率半導體剛進入到強勁的增長周期中，市場開始出現供不應求，意法半導體、Cree的wolfspeed部門、Rohm、英飛凌、安森美等紛紛宣布擴產，其中Cree和Rohm在實驗室完成8英寸SiC晶圓樣本之后開始立項，計劃到第二年上半年研發SiC 8英寸。

Cree在2019年就規劃在北卡羅萊納州的兩個生產基地North Fab和Durham積極布局SiC基晶圓廠，前者主要生產8英寸的MOSFET，在這條生產線中擴建6英寸SiC，兩個基地共投資9億美元，計劃在2024年之前將SiC晶圓廠（包括原材料）產能擴大30倍。英飛凌采取了幾乎和Cree相同的策略，只不過把SiC生產線“埋藏”在12英寸的德累斯頓晶圓廠內，原本主打硅基功率半導體，生產線的擴張和縮減可以根據實際需求管理調整。與此同時，Rohm也早在2018年于新建的辦公大樓內宣布了6英寸晶圓廠擴產計劃：到2025年投資600億日元（5.461億美元），將SiC產能提高16倍。

SiC功率器件市場得到積極提振的標志性事件，不得不說ST和特斯拉的合作，2017年雙方將該技術引入Model3的牽引逆變器，受惠于特斯拉的搶灘登陸，ST的SiC產品線收入在2019年已經突破了2億美元。

6英寸和蘋果手機的“姻緣”

Cree曾將SiC市場大致分為全球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2億美元的消費便攜式SiC充電器。隨著汽車電源轉換系統復雜程度的不斷提高，電源模塊的使用數量和性能要求也越來越高，這恰恰是SiC最為擅長的領域。

與硅基相比，SiC功率MOSFET可以處理更高的功率和熱負載，這也是輕型電動汽車的理想特性，SiC MOSFET的高擊穿電壓和高溫可操作性確保了基于SiC的半導體器件將成為未來EV的關鍵模組，這一點已經在業內形成了共識。基于此，Cree的Wolfspeed押注2023年全球SiC器件的綜合用市場（TAM）將達到50億美元，也不能說完全沒有底氣，公司的6英寸晶圓月產能為45000萬片，按照這個速度，到2023年總量將達到驚人的200萬片。

除了功率半導體的應用場景之外，很多人忽視了6英寸另一塊重要領域——移動消費類產品的應用。多年前蘋果公司的新一代產品iPhoneX推出了面部識別功能，基于6英寸晶圓的芯片涵蓋了RF前端射頻模組，以及用于面部識別的VCSEL和光電探測器。當時，iPhone的物料清單（BOM）列出的121個芯片中，大約有15個使用了6英寸晶圓制造，占了iPhone X總芯片數量的12%和大約2%的總晶圓面積。這款手機中，其他的芯片中有87個來自8英寸晶圓，19個來自12英寸，硅晶圓尺寸面積分別約為32%和66%。

雖然說6英寸的相對占比是最少的，但或許超乎所有人預料的是，自2012年以來，蘋果旗艦手機芯片的12英寸晶圓的總面積一直相對平穩，未有明顯增加，反而8英寸和6英寸晶圓制造的器件復合增長率分別為9.5%和6%，每年僅僅用于向iPhone供貨的6英寸晶圓就超過30萬片，這也是一個相當驚人的數字。無疑，在蘋果手機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硅基電源管理芯片仍在其中扮演重要角色，不過，如果僅抽象地談6英寸晶圓的應用場景，至少可以說明它并沒有處在即將被淘汰的邊緣，這樣一個判斷還可以從以下這個例子中得到佐證：25年前，每一輛美國生產的豐田普銳斯平均消耗0.97塊6英寸晶圓的芯片，這個數據到了2015年就已經變成了1.18個（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SiC市場應用場景，全球知名半導體分析機構Yole Développement研究第三代半導體材料的資深分析師Poshun Chiu接受了“集微訪談”的采訪。在對話中，Poshun Chiu專門提到SiC襯底的GaN技術在手機射頻前端模組，尤其在PA功率放大器領域中仍有很大的拓展空間，但目前還缺少真正的殺手級應用。

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

SiC從6英寸到8英寸，艱難的旅程

回到開篇，ST 8英寸碳化硅（SiC）晶圓的生產之所以成為新聞，恰恰反映了這項技術的面前仍是一片藍海。

理論上，晶圓直徑增加50毫米對應著的是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格問題，畢竟每塊晶圓的芯片數量可以增加2.2倍。

但事實上，少數頭部大廠在探索SiC 8英寸技術時，大部分供應商依然為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英寸的過渡階段。即便是ST這樣在該領域投入巨額研發資金的廠商，一開始的實驗也被給與了很大的試錯空間。

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、彎曲、表面缺陷和邊緣破碎等特征會嚴重影響甚至損害生產線上的一些工具。對此，美國領先的半導體設備制造商泛林、應用材料、KLA的工程師特別有發言權。

6英寸高純半絕緣SiC襯底的電阻率分布圖

KLA產品營銷經理Mukund Raghunathan曾直言不諱技術上的難度：“目前的6英寸SiC襯底依然存在高密度晶體位錯缺陷，它的透明度和折射率讓公司的metrology（良率檢測）環節頗受挑戰。SiC襯底最常見的缺點包括劃痕、凹坑、表面顆粒、污點和晶體堆垛層錯，這一系列問題大大延緩了從4英寸到6英寸的遷移難度，遑論8英寸。”泛林科技的戰略營銷高級總監David Haynes也指出：“SiC是地球上第三硬的復合材料，莫氏硬度為9.5，所以SiC晶圓極難切割，它們和切割時使用的金剛石砂輪一樣堅硬，而且晶片在切割過程中也很脆，容易碎裂，導致刀片很快磨損。”

SiC特殊的物理化學特性成為了晶圓前端制造與市場應用的“雙刃劍”，目前其單晶襯底的位錯密度往往仍高達103/cm2以上，這也使得過去四五年來SiC器件的平均售價并未因為晶圓面積的遷移而顯著降低，出于利潤率的考慮，目前8英寸SiC還讓大多數供應商望而卻步。

結語

毫無疑問，新能源汽車產業給了SiC以極為廣闊的拓展空間，也反向推動著整個汽車產業和芯片生產商新型關系的誕生。相比美國，歐洲有著更為激進的電動車計劃，汽車功率半導體大廠已經把新型半導體材料視為了必爭之地。

然而限于SiC特殊的物理化學特性，生產平臺仍處在從4英寸到6英寸的過渡之中，8英寸的前瞻布局仍處在蹚水破局的初級階段，6英寸的躁動和倔強，在可見的未來仍會持續下去。

（Sharon）

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