SiC器件厂商“买”进上游衬底链
SILTECTRA™ 碳化硅晶片分裂工艺
SiC产业在竞争与合作中前进
国内仍有很大的发展空间
SiC的产业链主要由单晶衬底、外延、器件、制造和封测等环节构成。而在这其中，SiC衬底是发展SiC的关键。SiC衬底不仅占功率元件成本比重高，且与产品质量密切相关。而且目前全球SiC市场的供给也牢牢把控在衬底厂商手里，Cree、II-VI及Si-Crystal（Rohm旗下）合计占据了90%的出货量。为了制造SiC芯片，像安森美、英飞凌这样的公司必须要向Wolfspeed采购SiC晶圆，但如今，越来越多的功率器件大户都纷纷向上游的SiC衬底布局，而“买买买”无疑成为他们的不二手段。
正因为SiC衬底如此重要，SiC芯片厂商越来越想把控住上游的衬底供应，于是我们就接二连三的看到了收购的消息。安森美、罗姆、英飞凌以及意法半导体纷纷下手，买下不同的优质SiC衬底供应商。
就在11月1日，安森美宣布已完成以4.15亿美元对碳化硅(SiC)生产商GT Advanced Technologies（"GTAT"）的收购。GTAT专门从事各种晶体材料的生长，包括碳化硅。此举将有助于减少安森美对Wolfspeed原材料的需求。
安森美表示，这笔交易将帮助其确保和增加制造碳化硅芯片的材料供应，并使其能够更好地控制该技术。通过收购 GTAT，安森美将能够涵盖从SiC衬底到封装的所有领域，到2022年底，其碳化硅收入的大部分将来自 GTAT。
安森美大约70%的芯片是自己生产的，它正在努力提升产能。但安森美认为，该公司至少要到2023年才能满足汽车制造商的需求。安森美计划投资扩大GTAT的制造设施，支持推进150mm和200mm SiC晶体生长技术的研发工作，同时还投资于更广泛的 SiC 供应链，包括Fab产能和封装。
在安森美之前，日本的罗姆是收购衬底产业链较早的企业。罗姆从2000年开始研究SiC，直到2009年通过收购德国SiC衬底和外延片供应商SiCrystal，真正有了实质性的进展。于2010年开始生产碳化硅肖特基势垒二极管和碳化硅MOSFET，后来扩展到碳化硅功率模块和沟槽碳化硅MOSFET。
SiCrystal成立于1996年，1997年第一批晶圆投入市场。从那时起，其发展迅速。后来于2000年与西门子拥有的SiC供应商 Freitronics Wafer GmbH & Co. KG 合并。此后就是被罗姆收购。据悉，SiCrystal或将于2022年开始生产SiC 晶圆。
英飞凌也是通过收购进入上游衬底的，2018年英飞凌收购了碳化硅晶圆切割领域的新锐公司Siltectra。Siltectra于 2010年在德国德累斯顿成立，公司团队规模很小，但都是专家，是一家年轻的创新公司，专注于半导体材料的新分裂技术—冷分裂（COLD SPLIT）。英飞凌表示，得益于冷分裂技术，更多数量的 SiC 晶片将使我们的 SiC 产品的量产变得更加容易
与普通锯切技术相比，Siltectra的冷分裂技术以最小的材料损失分割晶体材料。Siltectra专有工艺是一种高产量、低成本的晶圆加工和减薄技术，适用于SiC和砷化镓以及氮化镓、蓝宝石和硅等衬底。基于激光的技术采用化学物理过程，该过程使用热应力产生力，沿所需平面精确地分裂材料，并且几乎不产生切口损失。“无切口损失”功能是冷分裂独有的，具有突破性的优势。与传统的晶圆技术相比，它每块晶锭可提取更多的晶圆，这会提高输出。而且它还极大地降低了耗材成本。Siltectra称其相比传统工艺将提高90%的生产效率。
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关于英飞凌的收购，值得一提的是，2016年7月，英飞凌曾计划以8.5亿美元的现金收购Cree旗下Wolfspeed功率和射频业务部，当时还没有改名。如果收购Wolfspeed后，英飞凌将成为全球排名第一的碳化硅功率器件供应商。但后来因为美国政府的反对让这次收购没能进行下去。而Cree现在已经改名为Wolfspeed，完全蜕变成一家以宽禁带半导体产品为主的公司。
同样还有1996年就开始进军SiC市场的意法半导体，此前一直与SiC衬底和外延片制造商保持密切合作。也是业界用SiC衬底制造半导体的先驱。2019年12月，意法半导体以1.375亿美元现金完成收购瑞典SiC衬底和外延片制造商Norstel AB，Norstel生产6英寸的SiC裸晶圆和外延片。意法半导体表示，交易完成后，它将在全球产能受限的情况下控制部分SiC器件的整个供应链。
Norstel AB成立于1993年，建立在瑞典Linkoping大学和ABB公司的SiC联合研究基础上，此前一直隶属于硅晶圆制造商oketic，直到2005年独立出来。历经了28年的积累，已经形成了设计、制造、运营等一体化的技术体系，拥有丰富可量产的经验和优质的性能及稳定性，这也是意法半导体最看重的。收购之后，6英寸碳化硅裸晶圆和8英寸外延片是未来意法半导体的重点研究领域，以应对日益增长的汽车和工业市场。
值得一提的是，大尺寸衬底单位面积能够生产的芯片更多，衬底的大尺寸化是未来趋势。就在今年8月份，意法半导体的瑞典 Norrköping 工厂已制造出首批8英寸碳化硅 (SiC) 晶圆，预计将用于生产下一代功率半导体。首批8英寸SiC 晶圆质量优良，芯片良率和晶体位元错误缺陷低。意法半导体强调，此次阶段性的成功只是8英寸SiC 量产计划的一部分，目前也正积极新建碳化硅基板厂，预计 2024年内部采购碳化硅基板比重将超过 40%。
为了让供应链变得稳健，这些企业也选择了两条腿走路，不仅自己向上游布局，还与其他的衬底供应商签下长期合约。尤其是全球最大的SiC晶圆和衬底供应商Wolfspeed。目前Wolfspeed是全球最大的SiC衬底和外延片供应商，约占全球一半产能。自从改名为Wolfspeed之后，Cree已经从一家LED照明产品公司转型为纯半导体公司。
前面我们提到英飞凌收购Wolfspeed失败，但两家的合作并没有终止。2018年2月28日，科锐宣布与英飞凌签署长期协议，为英飞凌生产和供应Wolfspeed SiC碳化硅晶圆片。该协议显示，科锐将向英飞凌供应150 mm SiC碳化硅晶圆片，将帮助英飞凌在包括光伏逆变器和电动汽车等高增长市场扩展产品供应。
今年8月份，Wolfspeed和意法半导体宣布扩大现有的多年长期碳化硅晶圆供应协议。修订后的协议要求科锐在未来几年向ST提供150毫米碳化硅裸片和外延片，价值超过8亿美元。
虽然Wolfspeed既是英飞凌和意法半导体的碳化硅衬底供应商，又在碳化硅器件市场上同他们进行直接竞争，但是CEO Gregg Lowe表示公司会以同样的优先级来支持这两种不同的商业模式。他认为在未来10年内Wolfspeed与这些半导体客户兼竞争对手仍然是良性的竞合关系，Wolfspeed需要伙伴来助推功率半导体产业从硅器件向碳化硅器件转变。
在功率器件同为竞争对手的意法半导体和罗姆，也签署了超1.2亿美元的150mm碳化硅（SiC）晶圆长期供应协议，意法半导体总裁兼首席执行官Jean-Marc Chery则透露了接下来的规划，“该SiC衬底长期供应协议是在我们已经拿到的外部产能以及正在逐步扩大的内部产能之外的另一项产能保证，这将确保意法半导体能够增加晶圆供给量并补充内部产能缺口，满足未来几年客户在汽车和工业项目产品方面的强劲增长的需求。”
英飞凌和安森美是模拟和功率器件厂商排名前十的两家领军企业，两家也是竞争关系，功率半导体是英飞凌和安森美的安身立命之本。此次安森美所收购的GTAT，在去年年底，也与英飞凌签署了5年SiC晶棒的供货协议。英飞凌把其专有的薄晶圆技术应用到GTAT的晶棒上，从而获得安全优质的碳化硅晶圆供应。碳化硅使用率的增长很大程度上取决于衬底成本的大幅降低，而这一协议是实现这一目标的重要一步。
其实不只是功率器件大户向上游衬底材料迈进，Wolfspeed、罗姆、II-VI，也逐渐由材料向器件产品走。对于SiC这样性能优良、业界紧需，但又挑战颇多的材料而言，在竞争中合作，在合作中共赢，是产业快速向前发展的一大手段。
根据 Yole 数据，2025 年射频器件市场将达到 20 亿美元，2019-2025年市场规模 CAGR 将达 18%；2025 年功率器件市场规模将达 25.62 亿美元，增速超过射频器件，2019-2025 年市场规模 CAGR 达 30%。下游器件需求的释放将带动衬底产业蓬勃发展。
国际SiC大厂已经纷纷抱团取暖，国内企业也将奋力赶上。好在总体上由于SiC市场目前还处于初期阶段，渗透率较低，未来几年的竞争格局还有较大不确定性。国内的SiC衬底企业如天科合达、山东天岳、河北同光等仍有很大的发展空间。
天科合达是国内成立时间最早、规模最大的碳化硅晶片制造商之一。已经掌握6英寸碳化硅晶片的制造技术，并成功实现批量供应。天科合达自行研发了碳化硅单晶生长的关键技术、晶片加工的关键工艺技术。
山东天岳专注于碳化硅衬底制造，主要产品包括半绝缘型和导电型碳化硅衬底。目前，公司已实现6英寸半绝缘型与导电型的量产，8英寸导电型衬底也进入研发阶段。目前，山东天岳与龙头企业相比，同等尺寸产品在技术参数上已不存在明显差距，差距主要体现在各尺寸的量产时间、供应等方面。而从毛利来看，山东天岳的主营业务毛利率从 2018 年的 8.5%大幅提升至2020年的34.9%，Wolfspeed的毛利率也才39.22%，逐渐接近国际主要竞争者。
河北同光晶体成立于2012年，是中科院半导体所的合作单位，同光晶体主要产品包括4英寸和6英寸导电型、半绝缘碳化硅衬底。今年9月5日，河北同光年产10万片直径4-6英寸碳化硅单晶衬底项目，在保定市涞源县经济开发区投产。
据不完全统计我国从事碳化硅衬底研制的企业已经有30多家，这个数量不算少，国际射频器件厂商、SiC器件厂商都在纷纷往上游布局，未来国内估计也会走向产业链整合的局面。买买买是国际大厂的发展必由之路，也将伴随国内半导体的进阶。
SILTECTRA™ 碳化硅晶片分裂工艺
