8英寸时代：国产SiC衬底如何升级？

下一个拐点尺寸：8英寸SiC衬底

作为第三代半导体代表材料之一，碳化硅具有更宽的禁带宽度、更高的击穿电场、更高的热导率等性能优势，在高温、高压、高频领域表现优异，已成为半导体材料技术领域的主要发展方向之一。随着下游需求的带动，碳化硅正处于高速增长期，2023年整体SiC功率元件市场规模达22.8亿美元，年成长41.4%，并预估至2026年SiC功率元件市场规模可望达53.3亿美元。

从产业链结构上看，SiC器件的成本主要由衬底、外延、流片和封测等环节形成，衬底在SiC器件成本中占比高达~45%。业界认为，为了降低单个器件的成本，进一步扩大SiC衬底尺寸，在单个衬底上增加器件的数量是降低成本的主要途径。8英寸SiC衬底将比6英寸在成本降低上具有明显优势。Wolfspeed数据显示，从6英寸升级到8英寸，衬底的加工成本有所增加，但合格芯片产量可以增加 80%-90%；同时8英寸衬底厚度增加有助于在加工时保持几何形状、减少边缘翘曲度，降低缺陷密度，从而提升良率，采用8英寸衬底可以将单位综合成本降低50%。

此前表示，目前碳化硅产业以6英寸为主流，占据近80%市场份额，8英寸则不到1％。8英寸的晶圆尺寸扩展，是进一步降低碳化硅器件成本的关键。若达到成熟阶段，8英寸单片的售价约为6英寸的1.5倍，且8英寸能够生产的晶粒数约为6英寸SiC晶圆的1.8倍，晶圆利用率显著提高。显然，6英寸向8英寸扩径的行业趋势明确，8英寸SiC衬底蕴含着国内厂商实现弯道超车的机遇，TrendForce集邦咨询研究数据指出，目前8英寸的产品市占率不到2%，并预测2026年市场份额才会成长到15%左右。

抢抓机遇：进击8英寸SiC衬底

业界指出，8英寸SiC晶体生长的难点在于，首先要研制出8英寸籽晶；其次要解决大尺寸带来的温场不均匀和气相原料分布和输运效率问题，还要解决应力加大导致晶体开裂问题。据媒体引述业界人士称，今年将会是8英寸碳化硅元年。今年以来，国际功率半导体巨头Wolfspeeed、意法半导体等加速发展8英寸碳化硅。而国内市场来看，碳化硅设备、衬底及外延环节亦迎来突破性进展，并且多家行业龙头选择与国际功率半导体巨头联手。

针对8英寸碳化硅衬底布局，TrendForce集邦咨询旗下化合物半导体市场此前统计，目前国内有10家企业和机构在研发8英寸衬底，包含烁科晶体、晶盛机电、天岳先进、南砂晶圆、同光股份、中科院物理所、山东大学、天科合达、科友半导体、乾晶半导体等。今年来，国内厂商在8英寸碳化硅衬底方面取得了何种成绩以及部分产能如何？

科友半导体

2023年4月，科友半导体8英寸SiC中试线正式贯通并进入中试线生产，打破了国际在宽禁带半导体关键材料的限制和封锁。2023年6月，科友半导体突破了8英寸SiC量产关键技术，并在晶体尺寸、厚度、缺陷控制、生长速率、制备成本、及装备稳定性等方面取得进步，其中，8英寸SiC中试线平均长晶良率已突破50%，晶体厚度15mm以上。2023年9月，科友半导体首批自产8英寸SiC衬底于科友产学研聚集区衬底加工车间成功下线，这标志着科友在8英寸SiC衬底加工，以及大尺寸衬底产业化方面迈出了坚实一步。

乾晶半导体

2023年5月，乾晶半导体成功生长出厚度达27毫米的8英寸n型碳化硅单晶锭。据悉，其8英寸碳化硅晶体生长技术于2023年四季度转入萧山研发中心进行中试。9月下旬，乾晶半导体与谱析光晶、绿能芯创签订三方战略合作协议。三方约定紧密配合、共同投入开发及验证应用于特殊领域的SiC相关产品，签约同时项目启动（9月），并签订了5年内4.5亿的意向订单。

10月12日，乾晶半导体（衢州）有限公司（以下简称“乾晶半导体（衢州）”）碳化硅衬底项目中试线主厂房结顶仪式在智造新城东港八路78号一期地块举行。该项目总占地面积22亩，总建筑面积约19000平方米，第一期总投资约3亿元，计划建成碳化硅6/8英寸单晶生长和衬底加工的中试基地。第一期项目将在2023年底具备设备搬入条件。乾晶半导体透露称，随着衢州生产基地项目一期到三期的分批建成，乾晶将逐步实现年产60万片碳化硅6-8寸衬底供给能力。

南砂晶圆

今年6月，南砂晶圆启动济南中晶芯源基地建设，规划产能50万片，增加8英寸比例，项目计划在2025年满产达产，届时预计产值达到50亿元以上。8月，据《无机材料学报》消息，山东大学与南砂晶圆在8英寸SiC衬底位错缺陷控制方面取得了重大突破，使用物理气相传输法实现了近“零螺位错（TSD）”密度和低基平面位错（BPD）密度的8英寸导电型4H-SiC单晶衬底制备，其中螺位错密度为0.55 cm-2，基平面位错密度为202 cm-2。研究团队认为，近“零TSD”和低BPD密度的8英寸SiC衬底制备，有助于加快国产8英寸SiC衬底的产业化进程，提升市场竞争力。

合盛硅业

5月，合盛硅业披露8英寸碳化硅衬底研发顺利，已经实现了量产。合盛半导体SiC项目营销部负责人当时表示，公司已完整掌握了Sic材料的原料合成、晶体生长衬底加工等全产业链核心工艺技术，突破了关键材料多孔石墨、涂层材料) 和装备的技术壁垒。截止目前，合盛2万片宽禁带半导体SiC衬底产业化生产线项目已通过验收，并具备量产能力。

同光股份

4月，据“河北党员教育”消息，河北同光半导体股份有限公司（同光股份）历经2年多的研发，8英寸导电型碳化硅晶体样品已经出炉。预计这款新产品年底可实现小批量生产，将被客户制为功率芯片。

2021年9月，同光晶体碳化硅单晶涞源项目正式投产，项目总投资10亿元，计划增购单晶生长炉600台，满产后达到年产10万片生产能力。同光科技董事长郑清超当时表示，下一步，公司正谋划建设2000台碳化硅晶体生长炉生长基地，以及年产60万片碳化硅单晶衬底加工基地，拟总投资40亿元。预计2025年末实现满产运营，预计新增产值40-50亿元，成为全球重要的碳化硅单晶衬底供应商。

天科合达

2023年1月，天科合达研发团队在《人工晶体学报》上发表8英寸导电型SiC单晶衬底制备与表征重要文章。根据内容，天科合达研发团队使用物理气相传输法(PVT)通过扩径技术制备出直径为209 mm的4H-SiC单晶，并通过多线切割、研磨和抛光等一系列加工工艺制备出标准8英寸SiC单晶衬底。5月，天科合达与英飞凌签订了一份长期协议，为其供应碳化硅材料。

根据该协议，第一阶段将侧重于150毫米碳化硅材料的供应，并将提供200毫米直径碳化硅材料，帮助英飞凌向200毫米（8英寸）直径晶圆的过渡。此外，8月8日，天科合达全资子公司江苏天科合达碳化硅晶片二期扩产项目开工。二期项目将新增16万片产能，并计划明年6月份建设完成，同年8月份竣工投产，届时江苏天科合达总产能将达到23万片。

晶盛机电

晶盛机电已成功生长出8英寸N型碳化硅晶体，完成了6英寸到8英寸的扩径和质量迭代，实现8英寸抛光片的开发，解决了8英寸SiC晶体生长过程中温场不均、晶体开裂、气相原料分布等难点问题。6月27日，晶盛机电带来了碳化硅设备方面的新消息，即成功研发出8英寸单片式碳化硅外延生长设备，可兼容6、8寸碳化硅外延生产。目前，该公司在子公司晶瑞的8英寸衬底基础上，已实现8英寸单片式碳化硅外延生长设备的自主研发与调试，外延的厚度均匀性1.5%以内、掺杂均匀性4%以内，已达到行业领先水平。

三安光电

今年6月，三安光电宣布与意法半导体在重庆成立合资公司，双方将新建一座8英寸碳化硅器件制造厂。该工厂全部建设总额预计约达32亿美元，计划于2025年第四季度开始生产，2028年全面建厂，将采用ST的碳化硅专利制造工艺技术生产碳化硅器件。合资公司持股方面，三安光电下属子公司湖南三安半导体持股比例为51%，意法半导体持股比例为49%。此外，意法半导体称，新合资厂将助力公司实现到2030年取得50亿美元以上的碳化硅营收目标。

9月，湖南三安半导体首发8英寸碳化硅衬底，适用于电力电子。资料显示，湖南三安半导体是国内为数不多的碳化硅垂直产业链制造平台，其碳化硅产能已达12000片/月，硅基氮化镓产能2000片/月。湖南三安二期工程将于2023年贯通，达产后配套年产能将达到36万片。10月23日，三安光电宣布，旗下子公司湖南三安8英寸碳化硅衬底已完成开发，产品进入小批量生产及送样阶段。湖南三安依托精准热场控制的自主PVT工艺，8英寸碳化硅衬底实现更低成本及更低缺陷密度，后续将持续提升良率，加快设备调试与工艺优化，并持续推进湖南与重庆工厂量产进程。

天岳先进

5月，天岳先进与英飞凌签订了一项新的衬底和晶棒供应协议。根据该协议，天岳先进将为英飞凌供应150毫米碳化硅衬底和晶棒，第一阶段将侧重于150毫米碳化硅材料，但天岳先进将助力英飞凌向200毫米（8英寸）直径碳化硅晶圆过渡。此外，英飞凌正着力提升碳化硅产能，以实现在2030年之前占据全球30%市场份额的目标。英飞凌预计，到2027年，其碳化硅产能将增长10倍。6月，天岳先进采用液相法制备出了低缺陷的8英寸晶体，通过热场、溶液设计和工艺创新突破了碳化硅单晶高质量生长界面控制和缺陷控制难题。除了产品尺寸，在大尺寸单晶高效制备方面，采用公司最新技术制备的晶体厚度已突破60mm，而这对提升产能具有重要意义。