碳化硅铸造业务兴起

由于对碳化硅(SiC)技术的需求不断增长，几家第三方代工供应商正在进入或扩大其在该领域的业务。

然而，对于SiC代工供应商及其客户来说，在市场上取得重大进展并不容易。他们面临着来自科锐、英飞凌、罗姆和意法半导体等传统SiC器件供应商的激烈竞争。

原文如此它是一种基于硅和碳的复合半导体材料，用于制造专用的功率半导体器件，用于电动汽车、电源、太阳能和火车等高压应用。SiC之所以脱颖而出，是因为它比传统的功率半导体更高效，击穿电压更高。

在SiC中，集成器件制造商(idm)主导着这片土地。Cree、Rohm和其他公司在自己的工厂生产设备，并以自己的品牌出售。这些公司使用专有工艺，这使他们能够区分他们的产品。

idm之间相互竞争，以及新兴的SiC无晶圆厂设计公司。无晶圆厂公司和其他公司的产品由代工供应商制造。SiC铸造厂为客户提供了制造能力，但在这方面存在一些成本和供应链挑战。一般来说，SiC idm不提供代工服务或为他人生产芯片，但这可能有一天会改变。

碳化硅铸造业务才刚刚起步。不过，在某种程度上，碳化硅铸造厂希望复制成功的硅铸造厂模式。在这种模式下，许多芯片公司将IC生产外包给硅晶圆代工厂，如台积电、三星、GlobalFoundries和联华电子。这些代工厂商没有参与SiC。今天，碳化硅代工业务仍然很小。

事实证明，碳化硅代工业务比硅代工业务更难。短期内，碳化硅代工业务将类似于其他功率半市场。最好的例子是绝缘栅双极晶体管(IGBT)段，与SiC器件竞争的功率半类型。

Yole Développement分析师洪林表示:“当你谈论硅代工模式时，它非常成功。”“我在这里并不是说在碳化硅领域没有机会采用代工模式。在功率半导体业务中，如果我们看看今天的igbt设计，这里有代工厂。但这更像是IDM业务。”

不过，该行业仍需密切关注游戏领域的动态。其中包括:

• X-Fab(德国)在其美国晶圆厂的SiC代工产能翻了一番。
• 最近，class -SiC(英国)、Episil(台湾)、Sanan(中国)和YPT(韩国)进入了SiC代工业务。
• 几家idm和硅晶圆代工厂也在开拓市场。

什么是幂半?
据Yole称，SiC器件业务从2018年的4.2亿美元增长到2019年的5.64亿美元。最大的增长动力是电池电动汽车。电力供应和太阳能也是强劲的市场。

“在我们的预测中，2020年仍有增长，”约乐的林说。“如果我们看一下五年的复合年增长率，它接近30%。如果我们看看今年，有一些产品将继续增长。但真正的增长，尤其是在汽车市场，要晚些时候。不是在2020年。

林说:“对于不同的EV/HEV逆变器和变换器，使用宽禁带技术而不是硅基技术的技术优势是毫无疑问的。”研发项目和技术发展已经取得了积极的成果，包括SiC和GaN的尺寸和重量的减小以及效率的提高。”

图1:功率SiC器件预测来源:Yole Développement

碳化硅也很有竞争力。近20多家SiC器件供应商在该行业竞争。“这个市场仍处于萌芽阶段。我们仍然处在这样一个阶段，我们看到越来越多的公司来到这里。我们可能会看到它进入一个巩固阶段，”林说。“现在预测无晶圆厂公司是否会成功还为时过早。现在还言之过早。”

SiC功率半器件是市场上众多类型的功率器件之一。功率半晶体管是专门的晶体管，作为一个开关。它们允许电源在“开”状态下流动，并在“关”状态下停止。这些设备提高了效率，并最大限度地减少了系统的能量损失。

多年来，功率半器件市场一直由硅基器件主导，即功率mosfet和igbt。功率场效应管用于高达900伏的应用。这些包括适配器和电源。术语“伏特”表示设备中允许的最大工作电压。

igbt用于400伏到10千伏的中档应用。igbt用于汽车、工业和其他应用。

功率mosfet和igbt都是成熟和廉价的，但它们也达到了理论极限。这就是SiC和氮化镓(GaN)适合。GaN和SiC都是宽带隙技术，这意味着它们比硅基器件更高效。例如，与硅相比，SiC的击穿场强是硅的10倍，导热系数是硅的3倍。

“与功率mosfet和igbt等硅基同类产品相比，SiC和GaN具有更高的效率和更小的外形尺寸特征，因此是功率半导体市场中很有前途的组件。联华电子．“在相同的相对电压和电流处理能力下，这些设备可以做得更小。GaN在要求600伏及以下电压的应用中取得了进展，而SiC在要求1200伏及以上电压的应用中取得了进展。”

器件制造商销售SiC功率mosfet和二极管，用于600伏特到10千伏的应用。SiC功率MOSFET是一种功率开关晶体管。二极管是一种向一个方向传递电流并在相反方向阻挡电流的装置。

碳化硅的缺点是成本。该器件比功率mosfet和igbt更昂贵。

IDM世界
功率半晶片与数字CMOS晶片不同。它们可以承受系统中的高电压和大电流。

在互补金属氧化物半导体在美国，芯片供应商注重集成电路设计，以实现产品的差异化。许多芯片供应商还将部分或全部生产外包给硅晶圆代工厂。晶圆代工厂会制定一个基准流程，客户则会围绕该流程设计芯片。

功率半段是不同的。“许多代工厂为包括联华电子在内的客户提供MOSFET/IGBT生产服务，”联华电子的Liu说。“然而，idm在出货量方面仍然主导着离散集成电路。”

一般来说，在功率离散中，晶圆代工厂不开发基线工艺。相反，一家无晶圆厂设计公司根据公司的专有工艺开发了一种设备。然后，从无晶圆厂公司的过程被移植到代工。

每个无晶圆厂客户可能有不同的工艺。因此，代工必须为众多客户移植和维护不同的流程。

“这与正常的代工模式背道而驰。这就是通过运行每个人都设计的单个进程来获得高容量和节省成本的方法。只是不同的掩模和电路接线方式，”Cree的电源和射频CTO John Palmour说。“这并不适用于电力设备。我并不是说代工模式行不通。他们在做生意。但是碳化硅行业的大佬们不用代工厂。他们都使用自己的晶圆厂。”

这有几个原因。简单地说，一个给定的设备是在晶圆厂的一个屋顶下围绕一个工艺开发和优化的。设备和工艺在晶圆厂紧密耦合。因此，重点是开发专有工艺，而不是IC设计。实际上，设计和过程是一回事。

“换句话说，你不能只是画一个功率MOSFET，把它扔过去，然后说打印这个，”Palmour说。“原因是没有电路设计。你无法通过电路设计将自己与竞争对手区别开来，因为根本就没有电路。这是一个大设备。你卖的产品实际上就是过程。您的设计完全依赖于流程，反之亦然。这就是你与竞争对手的区别所在。”

所以从传统的角度来看，碳化硅功率器件并不完全是一个电路。Palmour说:“这是一堆并行连接的小型离散mosfet。”“把它想象成CMOS中的一个比特。你要设计你自己的部分然后你要并行50万个。这不是一个标准的过程。但你正在改变每个客户之间的基本结构。”

总之，IDM模型适用于SiC。SiC市场由几家idm主导，如科锐、英飞凌、安森半导体、意法半导体、罗姆、东芝等。

并不是所有idm都一样。一些是垂直整合的。例如，Cree制造自己的SiC衬底。它不仅在自己的产品中使用基材，而且还将其出售给竞争对手。此外，Cree还制造并向客户销售SiC器件。

Rohm和意法半导体也进行了垂直整合。集成供应商可以控制供应链，使他们能够快速对需求周期做出反应。

大多数idm不是垂直集成的。大多数人从Cree、Rohm或第三方供应商购买基板。

然而，对于所有供应商来说，碳化硅都面临着一些制造挑战。在SiC流程中，供应商获得SiC晶圆，然后在100mm(4英寸)或150mm(6英寸)晶圆厂进行加工。这反过来又产生了碳化硅动力装置。

最大的挑战是SiC衬底。它太贵了，这就推高了SiC功率器件的成本。“我们在当今SiC市场看到的主要挑战之一是以合理的价格为任何公司的生产计划确保高质量的基板，”Mukund Raghunathan说心理契约．

SiC衬底生产工艺复杂。它从硅和碳材料开始，它们被插入坩埚中。在坩埚中形成球状，然后切成SiC衬底。

日月光半导体业务发展高级副总裁Rich Rice表示:“与硅相比，碳化硅很难处理、研磨和锯切，因此存在一些挑战。”

在此或其他过程中，SiC衬底容易产生各种类型的缺陷。“大多数挑战都与碳化硅材料的质量有关，”Llewellyn Vaughan-Edmunds表示应用材料．“像基面缺陷这样的致命缺陷以及像螺纹螺丝错位这样的一般缺陷都需要减少。”

在SiC晶圆工艺之后，在衬底上生长了一层epi层。然后晶圆在晶圆厂进行加工，形成SiC器件。

SiC mosfet基于两种结构类型:平面结构和沟槽结构。Planar采用了传统的源-门-漏结构。沟槽形成“U形”垂直闸门通道。

“谈到晶圆加工和等离子蚀刻，当涉及到非平面SiC器件时，沟槽轮廓有两种选择。用户要求沟槽没有微沟槽(平面底座)或底部圆角(试管形状)。SPTS总裁兼KLA高级副总裁Kevin Crofton表示:“无论使用哪种剖面，都需要在合适的深度停止蚀刻前缘。“对于碳化硅器件，通过导电膜沉积周围性血管疾病与硅MOSFET线中使用的非常相似。在这两种应用中，设备制造商都希望沉积无缺陷的厚铝合金(4微米以上)。其中一个挑战是在没有晶须的情况下以高速率沉积这些薄膜。另一个挑战是在晶圆处理系统周围跟踪和对齐透明晶圆，特别是在传统硬件的情况下。”

碳化硅行业需要一些突破。“如今，基板成本约为加工晶圆的50%。该行业的目标和重点是降低成本，增加供应，同时提高质量。”“因此，加快SiC球生长、提高均匀性、实现更快的切片和高精度CMP的新方法是一个大焦点。”

其他人也同意。“尽管人们相当重视扩大SiC的商业化，但与硅基IGBT技术相比，它仍然不成熟，”大卫·海恩斯(David Haynes)说林的研究．“在汽车应用中尤其如此，因为可靠性至关重要，产品认证可能既复杂又耗时。为了缩小这一差距并加速采用，需要全面了解SiC器件制造中的缺陷。”

Fabless-foundry模型
同时，客户可以从idm和无晶圆厂公司购买SiC器件。如前所述，无晶圆厂公司和其他公司使用代工厂。

在CMOS中，这种关系通常被称为无晶圆代工厂模型。这种模式在20世纪80年代首次推出，但很快就被驳回了。不过，后来它被证明是一个巨大的成功。

SiC无晶圆代工厂模式相对较新，它带来了各种各样的挑战。虽然idm将继续占据主导地位，但无晶圆厂和代工供应商也有空间。事实上，几家无晶圆厂公司已经开始利用代工厂生产产品。

KLA的Raghunathan说:“无晶圆厂模式允许初创公司和较小的公司在没有大量工艺设备投资的情况下测试他们的产品。”相反，传统晶圆厂保留着作为主要客户的战略供应商的优势。这两种模式都在发挥各自的优势，满足当前行业格局的各种需求，并找到共存的方法。”

多年来，一些供应商提供SiC代工服务。但这项重大努力始于2015年，当时美国能源部和北卡罗来纳州立大学成立了PowerAmerica，这是一个由工业界、政府、国家实验室和学术界组成的合作伙伴关系。PowerAmerica的目标是加速GaN和SiC的商业化。

作为其努力的一部分，PowerAmerica在2016年为X-Fab提供了支持，X-Fab在其位于德克萨斯州的150毫米晶圆厂开发SiC代工服务。X-Fab与PowerAmerica合作，设计了用于制造SiC器件的工艺套件和其他技术。

其他公司也在开发类似的服务。Episil正在将其碳化硅铸造工厂从100mm改造为150mm。三安推出了150mm SiC铸造服务。

还有一些人正在探索这项业务。“越来越多的代工厂商现在有兴趣参与这个市场，”联华电子的刘说。

如今，X-Fab已与多家SiC客户投产。但推出碳化硅铸造业务面临一些挑战。X-Fab业务部门经理克里斯托弗•托尔(Christopher Toelle)表示:“在批量生产之前，需要进行投资，为业务提供大量支持。”“创建正确的代工基础设施以满足SiC功率客户的需求也很重要。”

根据Toelle的说法，这一领域还面临着其他挑战:

• 开发与现有idm具有竞争力的成本结构。
• 说服idm通过代工生产来补充他们的内部产能。
• 引进合适的人才来开发和安装新工艺。

尽管面临挑战，一些SiC器件供应商正在使用代工厂生产产品。这些供应商包括ABB、GeneSiC、Global Power、Microchip、Monolith和UnitedSiC。

有一个fab是有意义的。但据UnitedSiC称，除非你一个月能加工1万到3万片SiC晶圆，否则在经济上没有意义。

只有少数厂商生产的设备达到了这样的产量。如果不是，使用代工厂是有意义的。“走这条路的原因是，这确实是建立半导体业务最有效的资本方式，”无晶圆厂SiC器件供应商UnitedSiC总裁兼首席执行官克里斯·德赖斯(Chris Dries)说。UnitedSiC的150毫米产品由X-Fab制造。它还使用了一个未公开的100毫米容量供应商。

拥有一家代工厂只是等式的一部分。“如果我们只是制造一个‘我也是’的MOSFET，我们就没有竞争力。作为一家无晶圆厂公司，你必须购买基板，并在其上添加epi。然后，你需要一个铸造厂和包装厂，”德赖斯说。“作为一家无晶圆厂公司，我们如何与规模更大的垂直整合竞争对手竞争?你必须在创新上超越垂直整合的竞争对手。这正是我们所做的。我们拥有当今世界上最低的特定导通电阻设备。”

UnitedSiC销售多种产品，包括SiC结门fet (jfet)。“我们先制造普通的jfet，然后用低压硅mosfet串接。它更像是一种复合设备。”

尽管如此，一些客户在与一家无晶圆厂公司打交道时可能会感到不安。为了帮助解决问题，UnitedSiC得到了强有力的支持。ADI已经投资了UnitedSiC，并与该公司签订了供应协议。

但与idm竞争并不容易。处理成本很高。一位专家表示:“试图在价格上与idm竞争几乎是不可能的。”

还有其他障碍。在CMOS中，许多idm停止建造先进的晶圆厂，因为它们变得太昂贵了。相反，许多idm决定将部分或部分生产外包给代工厂。

目前尚不清楚外包模式是否适用于SiC idm。“他们已经拥有巨大的、完全贬值的晶圆厂。他们想把东西放在自己的工厂里，提高产量。他们没有使用铸造厂的动机，”Cree的Palmour说。

结论
显然，由于电动汽车市场的潜在需求，碳化硅是一个热门市场。这反过来又吸引了越来越多的新玩家，包括设备制造商和代工厂商。

但目前还不清楚是否能容纳所有人。这是非常值得怀疑的，即使市场大幅起飞。

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