September_SiC Silicon Carbide Special｜SiC Silicon Carbide Substrate Market Development Current Analysis

Published On: 2023/09/01|Categories: 科技(Technology)|

Driven by energy saving and carbon reduction policies and related subsidy programs in various countries, the global electric vehicle and renewable energy markets are booming, driving huge demand for power components. However, commonly used silicon-based power components can hardly cope with high voltage applications above 600V, and it is necessary to find alternative materials, of which silicon carbide has attracted the most attention. Currently known silicon carbide crystal structure of more than 250 kinds, are composed of four silicon atoms around a carbon atom formed by the tetragonal cone structure, however, because of the stacking order of the differences in the formation of different crystal structures, the most commonly used 3C-SiC, 4H-SiC and 6H-SiC and so on, C means the final composition is a cubic structure, the H refers to the final composition is a hexagonal structure, and the number of the same stacked The number is the recurrence period of the same stacked structure. Generally, 4H-SiC and 6H-SiC are collectively called α-SiC, and 3C-SiC is called β-SiC, among which α-SiC is the most commonly used in the semiconductor field.

如表1所示，碳化矽的崩潰電壓約是矽的7~10倍，所以能承受更大的電流和電壓，可以製作更小尺寸和更高操作效率的晶片。其熱傳導係數約是矽的3~4倍，能將晶片產生的熱有效地帶出系統，故能在更高溫度下工作。其開關速度約是矽的3~10倍，適用於更高頻率操作之應用。市場研究機構Research and Markets發布的訊息指出，2022年全球碳化矽市場規模為11億美元，預估2030年將成長至44億美元，平均年複合成長率為18.9%，其中以占比約為一半的基板為最大。

表1、矽與碳化矽基本特性比較

資料來源 : 電子與材料雜誌(2002)；智璞產業趨勢研究所整理，2023/08

根據市場研究機構System Plus Consulting發布的分析資料指出，目前碳化矽元件生產成本主要來自於基板、電測不良品剔除損失與元件製程缺陷品報廢損失，占比分別是44%、32%及17%，顯示碳化矽基板價格對於元件成本下降十分重要，故成為影響碳化矽產業發展的最重要因素。然而其基板生產難度很高，不僅導致全球產能無法快速擴長，且被擁有優良量產能力的少數廠商所掌控而形成市場寡占局面。目前大多數廠商是生產4與6吋碳化矽基板，2017年起6吋逐漸取代4吋基板而成為市場主流產品。目前全球碳化矽基板年產能約50~70萬片，根據市場研究機構富士經濟發布報告指出，2022年全球6吋碳化矽基板產量為53.6萬片，預估2025年將成長至144.5萬片，2022~2025年複合增長率達39%。重要生產商為Wolfspeed、Coherent、Rohm、SK Siltron等四家公司，2022年產量占比分別為61%、17%、9%、8%，其他廠商合計僅7%，以Wolfspeed產量具備遙遙領先優勢。這四家大廠持續擴大碳化矽基板產能，相關產能擴張與資本支出整理如下 :

Wolfspeed : 2019年宣布未來5年將投資10億美元用於擴大碳化矽產能，在North Carolina州Durham郡總部設立全自動元件廠和材料超級工廠，後者已成為全球最大的碳化矽基板生產基地，提供全球一半的導電型碳化矽基板產能。2022年啟用位於New York州的Mohawk Valley廠，為全球首座投產的8吋碳化矽元件廠。同年宣布投入數十億美元於North Carolina州總部附近的Chatham郡建造8吋碳化矽基板廠，將可提高十倍產能以供應Mohawk Valley廠量產需求，第一期建設預計將於2024年完成。2023年宣布與ZF集團合作在德國Saarland邦建立全球最大的8吋碳化矽元件廠。
Coherent : 2022年宣布投資10億美元擴增Pennsylvania州Easton市工廠的碳化矽基板產能至少6倍，希望至2027年可達到約當於100萬片6吋碳化矽基板產能，並同時擴大美國與瑞典廠的磊晶產能。
Rohm : 收購的SiCrystal計畫將德國Nuremberg總部之6吋碳化矽基板產能擴大至100萬片，並自2024年起生產8吋碳化矽基板。
SK Siltron : 2020年斥資5億美元收購DuPont的碳化矽材料業務，並在Michigan州Bay城設立子公司Siltron CSS，負責新建第二座碳化矽基板廠，該廠已於2022年量產，加上南韓龜尾廠後全部6吋碳化矽基板產能達到12萬片。後續再進行第二期擴建，完成後預估2025年將躍增至50萬片。此外持續推動8吋基板計畫，目標2024年底啟動量產。

除了前述廠商外，2021年Onsemi收購GTAT後跨入碳化矽基板領域，2022年啟用在New Hampshire州Hudson市新廠，使其6吋碳化矽基板產能擴增五倍；2021年Showa Denko發行3519萬股新股以籌資擴產，以58億日圓擴充碳化矽基板產能，預計2023年底完成；2022年Soitec宣佈在法國Bernin市總部增設碳化矽基板產線，用SmartCut技術來製作SmartSiC基板；2019年STMicroelectronics收購Norstel後跨入碳化矽基板領域，2022年在義大利Catania市新建6吋碳化矽基板廠，同年宣布採用Soitec的SmartSiC技術開發8吋碳化矽基板製造技術。

提高每片基板的碳化矽元件產出量可降低其生產成本，根據Wolfspeed發布資料指出，以面積32mm²的碳化矽元件來看估算，8吋基板產出數量會比6吋基板增加約90%，同時降低約7%的邊緣浪費，加上導入可提高生產效率的自動化生產線，預計2024年在8吋基板的元件生產成本將較2022年6吋基板減少超過60%，這將有助於降低碳化矽元件售價以加速取代矽基功率元件，所以包括Wolfspeed、Rohm、Onsemi、Soitec、STMicroelectronics、Coherent、SK Siltron等指標廠商紛紛開始建置8吋基板生產線，相關規劃如表2所列。然而考量8吋基板量產初期會因為長晶與切割難度大增而導致良率低且不穩定，使其生產成本高於6吋基板，故短期未必能有降低元件製作成本之效果。不過若能逐步克服製程瓶頸，勢必能顯現8吋基板的成本優勢。

表2、8吋碳化矽基板投產時程規劃

資料來源 : 各公司發布資訊；智璞產業趨勢研究所整理，2023/08

單晶碳化矽基板大致可分為導電型與半絕緣型等兩大類，導電型基板的電阻率大約介於0.01~0.03Ω-cm之間，由導電載子差異再分成兩種，N-type以電子為導電載子，主要以氮等由V族元素摻雜製備而成，P-type以電洞為導電載子，通常由硼、鋁等III族元素摻雜製備而成。由於基板生長常用的物理氣相傳輸法為氣態製程，使得氮的摻雜較能穩定控制，故N-type成為導電型碳化矽基板主流產品，後續再進行碳化矽磊晶以用於製造蕭基二極體(SBD)、金屬氧化物半導體場效電晶體(MOSFET)、絕緣閘雙極電晶體(IGBT)等功率元件，應用於電動車、再生能源等領域。目前以6吋基板的產量最高，更大的8吋基板正逐步導入量產。根據市場研究機構Yole Développement的報告指出，2020年全球導電型碳化矽基板市場規模為2.8億美元，預計2027年將增長至21.6億美元。

半絕緣型基板的電阻率超過105Ω-cm，由於和氮化鎵的晶格差異小，加上氮化鎵基板製作困難，故半多用於製作高電子移動率電晶體(HEMT)等氮化鎵射頻元件，應用在通信、軍事領域。目前主要生產4吋基板，正逐漸往6吋基板發展。根據市場研究機構Yole Développement的報告指出，2021年全球半絕緣型碳化矽基板市場規模為2.1億美元，預計2026年將增長至4.3億美元。