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近年来，随着碳化硅（SiC）市场需求持续水涨船高，终端对于SiC降本的诉求也在不断增强，因为最终的产品价格始终是决定消费端买单的关键。而SiC衬底成本在整个成本结构中占比最高，可达50%左右，这就意味着衬底环节的降本增效尤为重要，也因此，大尺寸衬底由于成本优势比较明显，逐渐被寄予厚望。
根据SiC衬底厂商天科合达的测算，从4英寸提升到6英寸，单位成本预计能够降低50%；从6英寸到8英寸，成本能够在这个基础上再降低35%。同时，8英寸衬底能够切出更多的芯片（预计可多切90%），边缘浪费也会更低。
简单来说，8英寸衬底具备更高的有效利用率，这也是各大厂商积极研发8英寸衬底的直接原因。目前，6英寸SiC衬底仍是主流，但8英寸衬底已经开始渗透市场，例如，Wolfspeed 2023年7月宣布其8英寸工厂已开始向中国终端客户批量出货SiC MOSFET，侧面说明其8英寸SiC衬底的批量出货；天科合达也已经开始小批量出货8英寸衬底，预计2024年可形成中批量出货······
除了出货量的直观说明以外，技术和产品研发方面也能看到实质性的突破和更进一步的成果，厂商的许多布局也更明确地指向了8英寸衬底及相关配套，这一趋势在2023年相关进展中均有迹可循。
8英寸SiC衬底梯队加速进阶
从Wolfspeed最初于2015年首次展示样品到现在，8英寸SiC衬底已经有了7-8年的发展史，随着玩家的增多，8英寸SiC衬底技术的发展和产品研发在近两年明显加快了。 首先看国际厂商，除了已实现量产的Wolfspeed，还有7家SiC衬底、外延、器件厂预计在今年或未来1-2年实现8英寸衬底的量产。
其中，Wolfspeed的8英寸衬底及MOSFET已实现批量应用。投资方面，Wolfspeed目前仍在继续建设John Palmour碳化硅制造中心（美国北卡罗来纳州SiC衬底工厂），后续该工厂将持续推动衬底产能的扩充，配合其8英寸晶圆厂的扩产需求。Coherent去年也公布了扩产8英寸衬底和外延片的计划，其将在美国和瑞典进行大规模扩产。
产品出海口方面，Coherent已收到了来自三菱电机和电装的10亿美元投资，将为二者长期提供6/8英寸SiC衬底及外延片。ST意法半导体去年也斥资投向8英寸领域，其正在联合湖南三安半导体建设8英寸SiC晶圆厂，后者配套自建一座8英寸SiC衬底厂，保障合资工厂的材料供应稳定性。与此同时，ST也在自研衬底，其此前便与Soitec就量产8英寸SiC衬底达成了合作。可以看到，ST在推广和应用8英寸衬底方面同样是走得早、跑得快。
再看中国厂商，目前已超10家企业8英寸SiC衬底进入了送样、小批量生产阶段，包括：烁科晶体、晶盛机电、天岳先进、南砂晶圆、同光股份、天科合达、科友半导体、乾晶半导体、湖南三安半导体、超芯星、盛新材料（中国台湾）、粤海金。
除了上述提及的厂商，目前还有不少在研8英寸衬底的中国厂商，如环球晶圆（中国台湾）、东尼电子、合盛硅业、天成半导体、平煤神马合资公司中宜创芯等。投资方面，烁科晶体、南砂晶圆、天岳先进、天科合达、乾晶半导体、科友半导体、三安光电等均有8英寸衬底相关扩产计划，旨在提前为后续中下游客户做好材料产能供应的准备。
而2024年开年以来，已有8英寸衬底项目传来进展：南砂晶圆旗下中晶芯源8英寸SiC单晶和衬底产业化项目正式备案，该项目于2023年6月12日落地山东济南，计划在2025年满产达产。根据业内人士分析，现阶段中国厂商在衬底领域与国际大厂的差距已显著缩小，英飞凌与天岳先进、天科合达等中国厂商达成长期合作，也说明了中国衬底产品的质量受到认可。
从技术水平这个维度上看，两方差距的缩小侧面反映了全球整体衬底技术有了提升，后续有望通过各家厂商的共同努力，推动8英寸衬底技术的发展步伐。总体而言，8英寸SiC衬底整体发展有加速向上之势，量和质上皆有颇多突破。
全球8英寸SiC晶圆厂加速扩张
随着衬底材料持续突破技术“天花板”，全球8英寸SiC晶圆厂的扩张规模也在2023年达到了新高水平。据集邦化合物半导体不完全统计，2023年约12个8英寸晶圆相关扩产项目落地，其中8个项目由Wolfspeed、Onsemi安森美、ST、Infineon英飞凌、Rohm罗姆等国际厂商主导，ST还与三安光电共同合作了1个项目，另外3个项目由泰科天润、芯联集成、杰平方等中国厂商主导。
从区域分布来看，未来欧美、日韩、中国、东南亚等投资重要集中区都将有新的8英寸SiC晶圆工厂。截至目前，全球在建或拟建的8英寸晶圆工厂约11座（较明确的），其中，Wolfspeed 2座（美国莫霍克、德国萨尔州）、博世1座（美国罗斯维尔）、ST 1座自建（意大利卡塔尼亚）、1座与三安合建（中国重庆）、英飞凌1座（马来西亚居林）、三菱电机1座（日本熊本）、罗姆2座（日本筑后、国富）、安森美1座（韩国富川）、富士电机1座（日本松本）。
若之后杰平方半导体进一步落实在香港建设8英寸SiC先进垂直整合晶圆厂，那么全球8英寸SiC晶圆厂将再增1座。
另值得一提的是，近日中国福建也签约了一个8英寸SiC晶圆项目，项目方为天睿半导体。预期今年将有更多资金投向8英寸SiC晶圆领域。从厂商扩产方向来看，博世及安森美2023年的投资直指车用SiC市场，ST拟在意大利建设的8英寸SiC芯片厂也瞄准了电动汽车市场。虽然其他厂商没有直接说明未来产能的应用方向，但电动车是目前及未来SiC的主要增长引擎，必然是各大厂商扩产的重点之一。
在电动汽车领域，800V高压平台已经是比较明确的发展趋势，而800V平台需要更高压的功率半导体元件，在此背景下，相关厂商已经着手开发1200V SiC功率器件。从成本角度来看，尽管短时间内6英寸是主流，但为了降本增效，6英寸势必会往8英寸等更大尺寸延伸，因此，电动汽车市场未来将对8英寸晶圆有着持续增长的需求。从供应链的角度来看，8英寸也是SiC厂商未来的破局之道。
据集邦化合物半导体了解，6英寸SiC器件市场已经进入深度“内卷”的阶段，尤其是SiC JBD部分，对于规模小、竞争力弱的企业而言，利润空间正在无限挤压，未来无疑将进行一轮洗牌。在此背景下，为了长远的发展，厂商前瞻布局8英寸等更大尺寸的技术，以期抢占市场先机。
8英寸产业化突破口与进展
8英寸已是大势所趋，但不得不承认的是，虽然技术的进步正在逐渐转换为成果，但8英寸产业化短期内还任重道远，在这其中，衬底是主要突破口。生产进度上，目前能够大规模量产8英寸SiC衬底的企业屈指可数。
量产速度上，Wolfspeed从成功研发到量产的时间线跨越了7年左右，这就说明8英寸SiC衬底大规模量产还面临重重难关。即便产业整体有了明显的进展，但在新能源汽车、光储充等应用市场对SiC功率半导体快速增长的需求面前，厂商仍显得有些捉襟见肘，因此，8英寸SiC衬底的进一步突破便更为迫在眉睫。
根据天科合达、烁科晶体、天域半导体等中国SiC衬底、外延主要厂商介绍，8英寸量产难题与长晶炉、晶体生长、切磨抛技术及外延技术息息相关，也是衬底产业化的突破口。长晶炉主要涉及温场控制问题，据说目前业内提出一种解决方案：用电阻加热，因其温度更均匀，更容易控制温场。晶体生长与长晶法有关，难题主要包括衬底的位错密度、晶体的缺陷等，前者的位错问题一直是制约SiC器件性能的关键，后者涉及点缺陷、线缺陷和面缺陷，缺陷类型较多。
据烁科晶体介绍，SiC单晶各个缺陷之间存在相互联系、相互影响的关系，不过，目前SiC的缺陷密度已经得到有效控制，但是仍存在下降的空间，因此需要产业链进一步攻克。现阶段，主流的长晶法包括三种：PVT（物理气相传输法）、LPE（液相外延技术）、HTCVD（高温化学气相沉积法）。
PVT是目前唯一实现大规模生产的方法，全球90%以上的衬底厂商采用PVT法，但该方法生长的SiC衬底厚度有限，缺陷水平偏高，大尺寸制备技术尚不成熟。相比PVT，LPE、HTCVD在位错密度、纯度、生长率、大尺寸生长上有明显的优势，但这两种方法目前仍不成熟。
为解决相关问题，日本及中国研究者已经开始展开LPE、HTCVD长晶法的相关研究，可望逐步取得突破。切磨抛直接关系到衬底加工的效率和产品良率，其中，切片是SiC由晶锭转化为晶片的第一道工序，决定了后道加工的整体良率，因此需要稳定性、可靠性高的高精密切割设备。
但由于SiC硬度大、脆性高等特点，晶锭分割成为晶圆加工的历史难题。目前，晶锭切割以砂浆多线切割和金刚线多线切割为主，两种方法各有优缺点，激光切割优势更明显，逐渐成为切割硬度高、脆性大材料的首选技术。
就厂商的生产进度和业务开拓来看，日本Disco是切磨抛设备领域的龙头厂商，已形成半导体切磨抛装备材料完善的产品布局，在全球晶圆减薄机市场的市占率超70%。其在2023年12月推出了新型SiC切割设备，支持切割8英寸SiC材料，可将SiC晶圆的切割速度提高10倍，首批产品已交付客户。
中国厂商中，高测股份去年连续拿下8英寸SiC金刚线切片机的订单；通用智能则交付了自主研发的8英寸SiC晶锭剥离产线；大族激光作为激光技术厂商的代表之一，已经可以规模化生产SiC激光切割设备······可见，8英寸切磨抛解决方案已经开始产业化落地。外延技术也是SiC器件质量和良率的直接影响因素，目前主要厂商多采用CVD化学气相沉积法，具体设备的运行方式分为垂直式、水平式、行星式。外延制备的难题主要在于波长均匀性和缺陷密度。
目前，德国AIXTRON SE爱思强的行星式反应系统能够做到片内高度外延一致性，并实现多片机的高产能优势，可满足8英寸外延的生长。中国外延设备厂也在8英寸领域取得了实质性的进展，例如，晶盛机电、纳设智能、中电48所等均已成功研制出8英寸SiC外延炉。
总体而言，大尺寸高质量衬底与外延技术存在较高的技术壁垒，目前仍有不少难点需要攻关。但就国际厂商和中国厂商的技术研究和产品开发进度来看，产业化难题加速突破值得期待。
集邦化合物半导体Jenny
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