國內外碳化硅廠家為何死磕8英寸襯底？
硅是半導體行業的第一代基礎材料，目前全球95%以上的集成電路都是以硅為襯底制造的。不過，由于轉換效率、開關頻率、工作溫度等多方面受限，當電壓大于900V時，要實現更大的功率，硅基功率MOSFET和IGBT就暴露了出了短板。
隨著電動汽車、5G等應用的發展，高功率、高耐壓、高頻率器件的需求正在快速增長。第三代半導體的典型代表碳化硅已成為高功率器件的理想材料。
近年來，包括碳化硅在內的功率半導體市場并沒有因整個半導體行業的周期性下行而出現絲毫頹勢，反而逆市上揚，發布新產品的、投資的、擴大產能的動作比比皆是，目的不外一個：降本增效。怎么做到？
更快商用需要降本增效
從整個碳化硅行業情況來看，盡管全球碳化硅器件市場已經初具規模，但碳化硅單晶和外延材料價格居高不下，目前6英寸碳化硅襯底零售價為750～900美元，8英寸售價為1300～1800美元；材料缺陷問題仍未完全解決，高壓碳化硅器件工藝不夠成熟，封裝無法滿足高頻、高溫應用需求等。
碳化硅外延材料的最基本參數也是最關鍵參數是其厚度和摻雜濃度均勻性。幾年前，德國半導體設備制造商愛思強（AIXTRON）對設備進行了升級改造，將TCS（三氯氫硅）技術移植到商業設備中，以實現達到傳統方法10倍以上的生長速率。
事實上，碳化硅外延中的缺陷要比其他晶體更多，包括擴展缺陷（微管、貫穿型螺位錯（TSD）、刃型位錯（TED）和基平面位錯（BPD））、外延生長期間的位錯以及產生的宏觀缺陷（三角形缺陷、胡蘿卜缺陷、生長的堆垛層錯和顆粒）等。這些缺陷大部分都是從襯底中直接復制過來的。這些襯底缺陷在主要來源于晶錠，當然也包括襯底研磨和拋光工藝。而降本增效單憑外延制造難以實現，還需要在材料端有所突破。
碳化硅單晶材料尺寸是關鍵
雖然都是晶錠，但通常人們都把硅晶錠叫做硅棒，而把碳化硅叫做塊晶。這是因為硅晶錠的厚度（高度）要比其直徑長很多，像一根棒，而碳化硅晶錠就像一張餅，其厚度比直徑小很多。
不管是硅還是碳化硅，人們一直在謀求將晶錠的直徑做大，目的是為了切割出直徑比較大的晶圓，在上面做出更多芯片。同理，如果能把晶錠的厚度（或高度）做大，那么每個晶錠切割出來的晶圓片就會相應增加。對硅來說，這不算什么問題，但要把碳化硅晶錠厚度做到和硅一樣是不可能的。所以，半導體行業的主攻方向還是想把當前主流6英寸晶圓擴大到8英寸，而在晶體生長厚度方面雖然也有進展，但還是有很長的路要走。
碳化硅從2英寸到4英寸、6英寸再到8英寸，基本上是在遵循硅的發展路線演進。在直徑方面，碳化硅和硅相差不大。但在晶體厚度方面，由于碳化硅生長工藝技術難度非常大，不能用傳統的硅晶錠生長工藝來實現滿足使用要求的晶錠厚度。
碳化硅襯底，遠比你想象的難做
SiC 產業鏈主要包括襯底、外延、器件制造、封測等環節。SiC 襯底是晶圓成本中占比最大的一項。由于SiC襯底加工環節復雜、耗時，所以其在整個 SiC 晶圓中所占成本比例最高，其在成本中的占比高達47%。
Wolfspeed在 SiC 襯底一家獨大，而 II-VI 和 SiCrystal 位居第二梯隊，有 10%多的市場份額。接下來的廠商包括 SK Siltron（5%）以及天科合達（4%），其他的中國公司甚至沒有上榜。
碳化硅襯底還是典型的資本密集型行業，長晶過程需要大量的長晶爐。碳化硅長的實在是太慢，一個月才能長2cm，一臺爐子一年只能長400-500片。當然這還是理想情況下的數據，根據天岳先進（688234）《招股書》，其2021 年其長晶爐的單臺年產能在也才115片。一臺爐子也不便宜，大約需要150萬元。因此，碳化硅也是個十足的燒錢玩意，一般小戶人家根本承受不起。
碳化硅襯底尺寸越大、良率越高，其單位成本就越低。當前國內SiC襯底的主流尺寸為4或6英寸，而Wolfspeed早已實現8英寸襯底的量產。擴徑有著極高的技術壁壘，不同尺寸的SiC襯底之間有大約5年的差距，鑒于國內大多數廠商連6英寸都沒有搞明白，良率也普遍較差，因此國內外的技術差距大約在7年以上。
8英寸是國產碳化硅設備商的機遇期
參考硅晶圓尺寸發展歷程，我們認為 8 英寸襯底將是邊際成本遞減的拐 點尺寸。將硅晶圓尺寸擴大至 18 英寸后所需的研發支出和固定資產投 入將大幅提升，帶來的產品單位成本降幅有限，廠商擴徑動力有限。參 考半導體晶圓的發展歷程，我們認為 8 英寸將是碳化硅襯底的主流尺寸， 未來繼續擴徑動力有限。相較于 6 英寸襯底，8 英寸襯底的經濟性更高，將成為主流襯底尺寸。根據 Wolfspeed 數據，從 6 英寸升級到 8 英寸，襯底的加工成本有所增 加，但合格芯片產量可以增加 80%-90%；同時 8 英寸襯底厚度增加有助 于在加工時保持幾何形狀、減少邊緣翹曲度，降低缺陷密度，從而提升 良率，采用 8 英寸襯底可以將單位綜合成本降低 50%。目前全球碳化硅 襯底主流尺寸為 6 英寸，正在向 8 英寸襯底過渡中，國內碳化硅襯底主 流尺寸則為 4 英寸并向 6 英寸襯底過渡。
8 英寸是國內廠商實現彎道超車的機會。目前 8 英寸襯底的經濟性已經 跑通，Wolfspeed、Rohm 和英飛凌等海外頭部廠商的 8 英寸襯底項目已 啟用或在建設中。主流襯底尺寸將從 6 英寸切換到 8 英寸的行業趨勢已 較為明確，在這種情況下如果國內設備廠商仍大幅提升 6 英寸襯底設備 產能將面臨“投產即落后”的問題，我們認為設備廠商在本階段應該重 點突破和布局 8 英寸襯底設備產能，以實現彎道超車。
國內廠商仍著力于提升 6 英寸襯底產能，8 英寸產能落地仍需一定時間。 國內廠商現有 6 英寸襯底產能約為 15 萬片，天岳先進、東尼電子、露 笑科技等廠商積極開展拓產項目，根據不完全統計，現有國內廠商規劃產能投產后總產能將超過 200 萬片/年。但目前國內廠商在 8 英寸碳化硅 襯底方面較海外廠商仍存在較大差距，現有產能尚處于實驗室階段。
2025 年全球碳化硅襯底仍有 218 萬片的缺口。Wolfspeed、Coherent 和 Rohm 的襯底綜合良率分別為 70%/60%/60%左右，并預計在 2023-2025 年內維持該良率水平。目前國內碳化硅廠商的平均綜合良率約為 40%， 隨著襯底制備技術的逐漸成熟，市場預計 2025 年綜合良率可以提升至 50%。根據上述現有產能數據以及未來產能規劃，我們預計全球碳化硅 襯底有效產能將從 2022 年的 65 萬片提升至 2025 年 405 萬片，因此 2025 年將存在 272 萬片的產能缺口。
2024年，達摩克利斯之劍落下的時刻
近幾年碳化硅行業大火，海內外公司連滾帶爬往前沖。速度之快，已經不能用CAGR（年復合增長率）來表述，只能用倍來描述。Wolfspeed預計在2024年前產能擴充30倍；Rohm預計在2024年前產能擴充5倍（計劃在2025年3月前投資35.8億人民幣，提升產能16倍）；II-VI計劃產能擴充5-10倍；住友電工4英寸GaN-on-SiC產線2020年產能較2017年擴大10倍。
而這其中最讓人震撼的當然是Wolfspeed。Wolfspeed的8英寸SiC襯底已于2019年研發成功，2021年左右投產，有報道稱計劃于2024年將產能達到驚人的年產600萬片。鑒于2020年全球SiC總產能才約40萬片，新能源車的需求再強勁，也不能兩年翻十幾倍吧？可以預見的是，如果Woofspeed達產順利，SiC行業就會被瞬間抽成真空，更不要說還有Rohm、II-VI這些二線龍頭。
我們再來看一下國內公司的情況。
露笑科技2022年7月披露，其SiC目前已經形成1000片/月的生產能力，良率約50%，預計到2022年底可以實現5000 片/月的碳化硅襯底片供貨能力，折算下來一年也才6萬片。
天岳先進在上海投資建設的6英寸導電型碳化硅襯底材料預計將于2022年三季度投產，2026年才能滿產。
天科合達投資9.5億新建的第三代半導體碳化硅襯底產業化基地建設項目計劃于 2022 年年初完工投產，但現在依然查不到該項目投產的相關報道。
三安光電2022年6月20日回復投資者，公司全資子公司湖南三安現有碳化硅產能3,000片/月已投片生產，目前也就這么多產能。
東尼電子則在2022年8月的調研中回復，公司剛剛切換了碳化硅的生產路線，其碳化硅項目一直到2023年12月才能投產。
我們可以發現，當前A股的碳化硅標的，要不產能還停留在每個月幾千片的水平，要不還在艱難的產能爬坡和提升良率之中，這個過程可能還要5年以上。有些才剛剛開工，甚至剛剛更換了技術路線。和滾滾而來的百萬片級別的新產能相比，套用《三國演義》中的一句話，簡直是“諒腐草之螢光，怎及天心之皓月”。
剛才已經說過，碳化硅行業是資本密集型的，三安光電等上市公司尚可以從資本市場獲得融資，未上市的公司恐怕更是艱難。
