衬底加工和产能已成碳化硅兵家必争之地
碳化硅是一种无机化合物，也是一种宽禁带半导体材料，俗称第三代半导体。其特性包括高温稳定性、高硬度、耐腐蚀性等，这使其在许多领域具有重要的应用价值，尤其是在能源、电力电子、陶瓷和涂层等领域。
为了抢占不断增长的碳化硅应用市场，一些头部厂商都在进行并购，以形成IDM模式，并购无法实现就采取战略合作方式，千方百计也要拿到足够的产能，以便在碳化硅市场爆发时能够批量提供高性能的功率器件和模块。
主要IDM 8英寸碳化硅晶圆采购内外分离
没有衬底就没有碳化硅器件
与硅相比，碳化硅在耐高压、耐高温、高频等方面具备碾压优势，是材料端革命性的突破。碳化硅击穿场强是硅的10倍，这意味着同样电压等级的碳化硅MOSFET外延层厚度只需要硅的十分之一，对应漂移区阻抗大大降低；且碳化硅禁带宽度（约3.2 eV），是硅的3倍，导电能力更强；电子饱和速度是硅的2-3倍，能够实现10倍的工作频率。
基于碳化硅的功率器件相比硅基器件具有耐高压、耐高温、抗辐射、散热能力佳、更低的导通损耗和开关损耗、更高的开关频率、可减小模块体积等杰出特性，不仅可广泛用于电动汽车的驱动系统、牵引设备、充电桩、开关电源、光伏逆变器、伺服电机、高压直流输电设备等民用场景，还可显著提升战斗机、战舰等军用系统装备的性能。
碳化硅衬底是在晶锭基础上经过晶锭加工、晶锭切割、晶圆研磨抛光清洗等多道加工工序制成；然后在衬底上生长外延层，制作芯片和器件。器件的特性主要是来自于碳化硅衬底的加工过程。
碳化硅衬底的制造流程
碳化硅衬底的制造工艺面临许多技术挑战，需要解决高温、高电压、高频等恶劣环境下的可靠性和稳定性问题，还要考虑如何降低制造成本和提高器件的性能等。
碳化硅衬底的上游生产流程包括合成、加工、长晶、切片、研磨和抛光等环节。
碳化硅的制造流程
目前，碳化硅晶体的生长方法主要有物理气相传输法（PVT）、高温化学气相沉积法（HTCVD），属于气相生长；另外还有液相外延法（LPE），以及LPE分支之一的TSSG法等。
在碳化硅产业链中，碳化硅衬底制造是产业链技术壁垒最高、价值量最大的环节，也是未来碳化硅大规模产业化推进的核心环节。
通过以上方法制备出的晶锭，还要经过沿特定结晶方向将晶体切割、研磨、抛光，得到具有特定晶面和适当电学、光学和机械特性，用于生长外延层的洁净的单晶圆薄片。由于碳化硅的硬度仅次于金刚石，属于高硬脆性材料，因此切割过程耗时久，易出现裂片。
之后的研磨抛光是将衬底表面加工至原子级光滑平面，衬底的表面状态，如表面粗糙度，厚度均匀性都会直接影响外延工艺的质量。
然后是清洗和检测，主要是去除加工过程中残留的颗粒物以及金属杂质，最终检测可以获取衬底表面、面型、晶体质量等全面的质量信息，帮助下游工艺进行追溯。
碳化硅衬底的分类和应用
碳化硅衬底有不同的种类，按照电学性能的不同可分为半绝缘型（电阻率较高不导电）碳化硅衬底和导电型碳化硅衬底两类。
与传统硅功率器件制作工艺不同，碳化硅功率器件不能直接制作在碳化硅衬底上，需在导电型衬底上生长碳化硅外延层得到碳化硅外延片并在外延层上制造各类功率器件。
导电型碳化硅功率器件主要是通过在导电型衬底上生长碳化硅外延层，得到碳化硅外延片后进一步加工制成，品种包括造肖特基二极管、MOSFET、IGBT等，主要用于电动汽车、光伏发电、轨道交通、数据中心、充电等基础建设。
半绝缘型碳化硅衬底是通过在半绝缘型碳化硅衬底上生长氮化镓外延层，制成碳化硅基氮化镓（GaN-on-Si）外延片，然后制成氮化镓射频器件，如HEMT等，主要用于5G通信、车载通信、国防应用、数据传输、航空航天。
碳化硅衬底加工的难题
衬底是碳化硅价值链上游的难点之一，提高衬底质量仍然是提高芯片产量的一个关键障碍。
碳化硅硬度大，切割加工难度高，且过程中会造成较高的材料损耗，导致良品率较低。目前，制备的碳化硅衬底存在两个问题，一是品质不佳，二是直径太小。品质问题包括微管、位错、多型等缺陷，会直接影响下游器件的稳定性和可靠性，其中微管是碳化硅衬底的重要缺陷。
碳化硅衬底的直径直接关系到成本，扩大衬底尺寸才能降低器件的制造成本。衬底尺寸越大，单位衬底可制造的芯片数量就越多，单位芯片成本也越低；衬底尺寸越大，边缘的浪费就越小，有利于进一步降低芯片成本。
由于碳化硅单晶材料硬脆，对加工环节的技术要求很高，各生产环节中产生的损伤都可能传递到下一道工序，最终影响产品良率，因此，高效加工碳化硅衬底的技术备受产业和学术界关注。
8英寸衬底是应用突破的关键
除了加工良率外，产能也是碳化硅降本增效得以广泛应用的关键。而扩大到8英寸碳化硅晶锭及衬底更是提升良率和产出、降低器件成本的重要抓手。
不言而喻，衬底尺寸越大，单位衬底可制造的芯片数量越多，单位芯片成本就越低。相比6英寸衬底，同等条件下从8英寸衬底切出的合格芯片数会增加近90%。相比6英寸衬底，8英寸单片衬底制备的器件成本降低30%左右。为此，世界各地的芯片制造商都高度关注碳化硅衬底尺寸的转变。随着技术的不断进步和市场的不断扩大，8英寸碳化硅的应用需求越来越广。
8英寸碳化硅量产对功率半导体产业的发展具有重要意义。首先，随着半导体技术的不断进步和应用领域的不断扩大，半导体芯片对于高性能、高效率和低成本的需求越来越高；其次，随着全球能源结构的转变和电动汽车的快速发展，对于高效能、高可靠性、低成本的功率半导体器件的需求也越来越大。8英寸碳化硅作为一种优异的功率半导体材料，可以更好地满足这些需求。
目前，Wolfspeed、英飞凌、罗姆、意法半导体、X-Fab等大厂均已实现了6英寸产线量产。
碳化硅晶圆技术创新
IDM模式优势彰显
在当前的市场竞争格局中，国外企业多以IDM模式布局全产业链，Wolfspeed、安森美、罗姆和博世等顶级公司已经实施了IDM商业模式，以加快这一快速增长且利润丰厚的碳化硅器件业务的上市时间。
研究表明，6英寸碳化硅晶圆（注：数据通常不分晶圆和衬底，晶圆应涵盖衬底）目前是器件制造的主要平台，而在公开市场上还没有8英寸晶圆的批量出货。随着目前或计划为8英寸碳化硅建造晶圆厂，主要IDM正在根据其在半导体生态系统中的地位采取不同的采购策略。
碳化硅生态系统中主要参与者地位
温顾知新看进展
2009年，罗姆收购了SiCrystal，从器件公司向衬底材料延伸，构建了从碳化硅衬底、外延、晶圆到封装的“一条龙”体系。
罗姆的筑后新厂已于2022年量产，还将引进8英寸晶圆制造设备；并计划在收购的原国富工厂引进8英寸晶圆制造设备，预计明年底开始运营。罗姆计划2025年将碳化硅产能提高到2021年的6.5倍以上，力争实现30%的市场份额。
罗姆是唯一进入前五的亚洲企业，其碳化硅业务预计2025财年营收从之前的1100亿日元提高到1300亿日元（9.4亿美元）；2027财年实现翻倍，达到2700亿日元（19.4亿美元）。为实现这个目标，罗姆将在7年间投入5100亿日元（37亿美元），将碳化硅产能较2021年增加5.5倍。2023年，预计罗姆碳化硅器件业务增长3成以上，收入接近3亿美元。
罗姆碳化硅产能计划
2019年，意法半导体收购了碳化硅晶圆公司Norstel，以发展内部晶圆产能。与此同时，该公司还与Soitec合作开发工程衬底，并与三安光电合作，投资32亿美元开发8英寸碳化硅晶圆。
过去几年，意法半导体在一直在引领碳化硅器件的收入，2022年的收入约为7亿美元，预计2023年的收入为12亿美元。在2021年推出首批8英寸碳化硅晶圆后，意法半导体将斥资7.3亿欧元欧元在意大利的卡塔尼亚建立新基地生产8英寸衬底工厂，2024年将实现40%的自主供应。
2023年6月，意法半导体和三安光电宣布将投资32亿美元在重庆新建一座8英寸碳化硅外延、芯片代工厂，计划2025年第四季度开始生产。同时，三安光电单独建造和运营一个新的8英寸碳化硅衬底制造厂，以满足该合资厂的衬底需求。
意法半导体目标是2024年40%衬底自给
2021年，安森美收购了碳化硅晶圆公司GT Advanced Technologies（GTAT），成为为数不多具有端到端能力的大型碳化硅供应商，涵盖晶锭批量生长、衬底制备、外延、器件制造、集成模块和分立式封装解决方案。有报道称，安森美8英寸衬底已于2021年投产。
为满足碳化硅应用的预期增长需求，安森美计划在2024年之前将衬底业务的产能提高数倍，并扩大公司的器件和模块产能，在未来实现进一步扩张。2022年9月，安森美在捷克共和国罗兹诺夫扩建的碳化硅工厂落成，并将在未来两年内将其碳化硅晶圆产能提高16倍，进一步扩大晶圆和碳化硅外延制造。安森美也在迅速拓展衬底业务，欲将产能提高5倍，并投入大量资金用于扩大器件和模块产能，争取到2024年实现翻两番，未来产能还将再次翻番。
安森美的碳化硅端到端供应链
2023年8月，博世宣布完成对TSI Semiconductors位于加利福尼亚州罗斯维尔的8英寸晶圆厂的收购，这笔交易就是由ATREG促成的。在2026年重组阶段之后，该晶圆厂将开始在8英寸晶圆上生产碳化硅芯片。博世计划在未来几年向罗斯维尔工厂投资15亿美元。
相比其他几家，英飞凌并不是完整的IDM厂商，2016年欲以8.5亿美元收购科锐旗下的Wolfspeed功率与射频部门（包括碳化硅晶圆衬底）被美国叫停，所以一直没有上游晶锭业务，只是在2018年收购了Siltectra的冷切割（Cold Split）技术。
为了解决自身产能限制，英飞凌必须使用外部供应商的8英寸晶圆提升器件制造能力。所以，英飞凌到处下单购买衬底产能。今年5月，英飞凌与天科合达和天岳先进商签订长期协议，预计将占到其长期衬底需求的两位数。
另一方面，英飞凌也在自建晶圆厂，未来五年，英飞凌将对马来西亚居林工厂投资达50亿欧元，建设全球最大的8英寸碳化硅工厂，加上奥地利菲拉赫和居林的8英寸碳化硅改造计划，预计将为其2030年带来约70亿欧元收入。
今年11月，英飞凌透露正在其位于奥地利Villach的工厂生产8英寸碳化硅晶圆样品。英飞凌碳化硅晶圆的尺寸升级和产能建设都在稳步推进当中，未来几年，将实现较大进展。
英飞凌碳化硅市场增长预期
并购、合作、扩产已成市场主旋律
难怪专注于重组先进技术资产的公司ATREG首席执行官兼创始人Stephen Rothrock说：“在跟踪全球半导体制造资产市场的25年中，我们从未见过任何新技术如此迅速地发展起来。尽管半导体行业目前正在经历衰退周期，但我们看到碳化硅的增长势头非常强劲。凭借碳化硅功率器件，世界各地的主要IDM都看到了增长的机会。”
总体来看，并购、合作、扩产已成为市场主旋律，导致碳化硅供应链发生了很大的变化，未来这一趋势还将进一步演进下去。
