光速光合助力晶瓴電子,加速碳化硅技術革新

在當今全球電子元器件市場中,高端產品大多源自國外,但晶瓴電子的創(chuàng)始人王振中博士懷揣著讓中國企業(yè)也能生產高端電子器件的夢想,開始了他的第三次創(chuàng)業(yè)之旅。在積累了大量高端設備開發(fā)及先進電子材料領域的豐富經(jīng)驗后,王振中博士瞄準了碳化硅材料,與高鵬教授共同創(chuàng)立了晶瓴電子。讓我們一起深入了解晶瓴電子的創(chuàng)新技術和產品,以及他們如何助力碳化硅器件在綠色科技領域得到更廣泛的應用,為中國高品質電子元器件產業(yè)的崛起貢獻力量。

“我們有一個大的愿景,現(xiàn)在市場上的高端電子元器件多來自國外,我們希望中國的企業(yè)也有能力生產出一樣棒的電子器件,”晶瓴電子創(chuàng)始人王振中在談到第三次創(chuàng)業(yè)的愿景時有些感慨,“我希望晶瓴能實現(xiàn)這個愿景?！?/p>

事實上,王振中是一位成功的連續(xù)創(chuàng)業(yè)者。2009年,他獲得中國科學院物理所凝聚態(tài)物理學博士,博士期間主要從事低維材料的研究,擅長設備創(chuàng)新。畢業(yè)后,作為聯(lián)合創(chuàng)始人,曾參與了石墨烯材料與裝備、金屬網(wǎng)格透明導電膜等項目,其中一家被上市公司并購。在積累了大量高端設備開發(fā)、先進電子材料領域的豐富經(jīng)驗后,他開啟了第三次創(chuàng)業(yè)之旅。

這次他瞄準的是碳化硅材料。晶瓴電子成立于2023年7月,由王振中和高鵬教授共同發(fā)起創(chuàng)立?；诩す怆[切和室溫晶圓鍵合兩大核心技術,公司研發(fā)多種異質晶圓,核心產品正是被稱為第三代半導體材料的碳化硅晶圓。2023年年末,晶瓴完成了由光速光合領投的種子輪融資。

光速光合執(zhí)行董事郭斌從2019年開始關注碳化硅功率器件領域,他看到碳化硅核心的產業(yè)鏈,從上游的襯底,到中游的設計和器件加工,再到下游的封裝模塊,至今尚未攻克且非常重要的一個核心環(huán)節(jié)是晶圓襯底的加工。碳化硅襯底是制備碳化硅器件的基石,也是碳化硅產業(yè)鏈中最基礎最重要的環(huán)節(jié)。

“晶瓴開發(fā)的新型碳化硅晶圓高效加工方案,創(chuàng)新性地融合了激光隱切工藝和室溫晶圓鍵合工藝,可有效降低高成本碳化硅材料的損耗,且顯著節(jié)約晶圓加工時間,為下游企業(yè)提供高性價比的碳化硅襯底,讓碳化硅器件在綠色科技領域能得到更廣泛的應用?！惫蟊硎尽?/p>

1、光速光合領投晶瓴

光速光合作為投資方,對碳化硅產業(yè)鏈進行了深入研究,并關注到了碳化硅晶圓加工這一行業(yè)痛點。在了解到晶瓴電子創(chuàng)始人王振中博士的創(chuàng)業(yè)項目后,光速光合執(zhí)行董事郭斌與王振中一拍即合。最終,光速光合領投了晶瓴電子的種子輪,助力公司攻克碳化硅晶圓加工的技術難題,推動碳化硅器件在綠色科技領域的廣泛應用。

碳化硅,也被稱為金剛砂、鉆髓,二十世紀初,科學家們發(fā)現(xiàn)相比傳統(tǒng)的硅材料,碳化硅的禁帶寬度是硅的3倍;導熱率為硅的4-5倍;擊穿電壓為硅的8-10倍;電子飽和漂移速率為硅的2-3倍。

碳化硅耐高壓、耐高頻、耐高溫的特性讓其成為了制作高溫、高頻、大功率、高壓器件的理想材料之一,被廣泛應用于通信、軍工、汽車、光伏、軌道交通等領域。

2021年,工信部宣布將碳化硅復合材料、碳基復合材料等納入“十四五”產業(yè)科技創(chuàng)新相關發(fā)展規(guī)劃,《2035年遠景目標綱要》中也特別提出碳化硅、氮化鎵等寬禁帶半導體即第三代半導體要取得發(fā)展。

王振中瞄準的就是這樣一片市場。更具體的說,是碳化硅從晶錠到晶圓的這一環(huán)節(jié)。

與更加成熟的硅基半導體器件不同,碳化硅器件生產過程當中,原材料是最貴、最有技術壁壘,也是價值最大的部分。對此,郭斌解釋道,襯底之所以價格高,一方面它整個合成的過程比較復雜、緩慢,且難度較高;另一方面就是襯底合成后,晶錠加工成晶圓的流程現(xiàn)階段非常不成熟。

據(jù)CASA發(fā)布的數(shù)據(jù),當前市場上對于硅基器件而言,將一大塊硅錠“切片”制成襯底占據(jù)器件總成本的7%,成本最高的是將襯底經(jīng)過外延生長、光刻、沉積等工序制成晶圓,占據(jù)近一半的成本。

而碳化硅器件則不同。相比硅基器件,光是將碳化硅“切片”這一環(huán)節(jié)就占到了總成本的近四分之一,將切片好的襯底制作成晶圓又占據(jù)了近四分之一。換句話說,碳化硅器件在制造前的成本就占據(jù)全部成本近五成,直接導致碳化硅成為了一種昂貴的半導體材料。

2019年,王振中接觸到了一個碳化硅相關項目,這讓他有些心動。“碳化硅是我一直看好的一個方向,正好有這么個機會近距離接觸碳化硅產業(yè),就想深入進去。”

作為一個有經(jīng)驗的連續(xù)創(chuàng)業(yè)者,王振中對第三次創(chuàng)業(yè)顯得極為謹慎。在之后的三年里,他對碳化硅產業(yè)進行了深入鉆研與分析,做了大量行業(yè)現(xiàn)有技術和工藝方案的研究、競爭格局分析。經(jīng)過反復論證,他認為碳化硅晶圓加工目前確實是行業(yè)的痛點,作為整個碳化硅行業(yè)未來發(fā)展的核心環(huán)節(jié)亟需被攻破。高鵬教授的加入也讓他在技術上更有底氣,他決定下場,晶瓴電子正式成立。

在郭斌看來,王振中是少有的作為一名創(chuàng)業(yè)者,對公司涉及的整個碳化硅產業(yè),從上游到下游,從國內到海外的客戶及供應商,對應的不同技術路線,他都無所不知,充分做到了知己知彼,百戰(zhàn)不殆?！氨旧硭麑?chuàng)業(yè)這件事想得非常清楚,再加上他對行業(yè)參與的其他玩家、團隊的背景、各自的工藝方案、各自的核心優(yōu)勢和技術瓶頸等等,他都了如指掌。從投資人的角度來講也讓我們越來越有信心?！?/p>

1、晶瓴解決產業(yè)痛點

高品質碳化硅作為被國外“卡脖子”的關鍵領域,其加工技術壁壘高。晶瓴電子通過自主研發(fā)激光隱切技術,有效解決了碳化硅晶圓切割過程中產生的碎片、污染物和熱損傷問題,提高了原材料利用率,推動碳化硅器件的廣泛應用和發(fā)展。

在調研中,王振中意識到,高品質的碳化硅也是被國外“卡脖子”的領域之一。

根據(jù)億渡數(shù)據(jù)發(fā)布的報告,目前國產碳化硅襯底產品良率、可靠性和穩(wěn)定性均低于國外企業(yè),導電型襯底和半絕緣型襯底尺寸與國外企業(yè)相比均有落后,這導致國內碳化硅器件技術落后于國外企業(yè)。

技術壁壘在哪里?碳化硅晶圓的硬度非常高,遠超過普通的硅材料。這使得碳化硅晶圓在制造過程中能夠承受更高的壓力和機械應力,但也讓加工本身就面臨著巨大的困難。由于碳化硅的硬度極大,在對其進行切割時加工難度較高且磨損多。

目前碳化硅切片加工技術主要包括金剛線切割、游離磨料切片、激光切割、冷分離和電火花切片,其中往復式金剛石固結磨料多線切割是最常應用于加工碳化硅單晶的方法。利用這種方法,鋸切直徑150毫米6英寸的碳化硅晶棒需耗時近4天,且每鋸切一次晶片和線鋸的磨損都相當嚴重,極大影響到線鋸的壽命和晶片的翹曲度。

針對這些問題,晶瓴采用的技術方案是激光隱切,即利用超快脈沖激光透過材料表面在內部聚焦,將碳化硅晶棒利用激光進行切割,這種耗時極低的技術不但有效避免了切割過程中產生碎片和污染物,也無需擔心晶圓上不必要的熱損傷問題,而且極大降低了切口的寬度,在實驗室中甚至能做到零線寬切割。

王振中表示,傳統(tǒng)的線切割大概損耗寬度大概200~250微米左右,激光隱切的損耗則可以降低到100微米甚至更低,能夠節(jié)約至少30%的原材料。

為了實現(xiàn)高效切割碳化硅,王振中還帶領團隊從零開始,完全自主研發(fā)了激光隱切設備,并且已開始設備交付。

郭斌提及,對于晶瓴來說,他們的激光隱切壁壘很高,這里面既有硬件的壁壘,又有軟件算法的壁壘。激光是一種超快脈沖光纖激光器,需要達到飛秒級別,如何在不同的脈沖下做設計方案,整個光路的設計開發(fā)和選擇都是核心的knowhow,另外還有里面涉及的算法,需要把激光分成多道不同的激光線進行同步切割。

此外,在將切好的襯底加工成晶圓的過程中,晶瓴團隊也引入了室溫真空鍵合技術,能夠將不同種類的半導體材料緊密“黏合”在一起,實現(xiàn)一次成型,進一步提升了高質量碳化硅晶體材料的利用率。

郭斌表示,“要做到永久性的晶圓鍵合難度極高,涉及對設備的理解和整個工藝的磨合,其實目前行業(yè)里能做到的公司很有限,尤其應用在碳化硅領域,做異質材料的鍵合,基本是鳳毛麟角。晶瓴能把多晶的碳化硅和單晶的碳化硅異質進行結合,進一步提升了效率?！?/p>

3、光速光合助力晶瓴

隨著全球碳化硅晶圓市場需求持續(xù)增長,晶瓴計劃于2025年底前實現(xiàn)8英寸碳化硅晶圓量產。相較于6英寸晶圓,8英寸晶圓更具成本優(yōu)勢,有望大幅降低碳化硅器件成本。同時,晶瓴將持續(xù)關注產業(yè)上下游,通過客戶的認可,來不斷調整自身的技術和工藝,力求成為國內碳化硅異質晶圓量產公司,推動碳化硅在綠色科技領域的廣泛應用,光速光合則將持續(xù)為其發(fā)展助力。

在逐步解決技術難題的同時,晶瓴也在為量產8英寸碳化硅晶圓做準備。

根據(jù)研究機構Yole的數(shù)據(jù),2020年,全球導電型SiC襯底市場規(guī)模為2.8億美元,半絕緣型SiC襯底市場規(guī)模約為2.1億美元,預計2027年將分別增長至21.6億美元和4.33億美元。

王振中認為,當前市場上6英寸碳化硅晶圓產能已經(jīng)接近臨界點,并在今年出現(xiàn)了降價潮,而8英寸碳化硅晶圓,預計在2025年年底到2026年年初,迎來一波旺盛的需求。

原因有兩點。一方面,8英寸較6英寸晶圓更有成本優(yōu)勢。根據(jù)Wolfspeed發(fā)布的數(shù)據(jù),從6寸轉向8寸晶圓,碳化硅芯片(32mm2)數(shù)量有望從448顆增加到845顆,增加了75%。根據(jù)GTAT的預估,相對于6寸晶圓平臺,預計8寸襯底的引入將使整體碳化硅器件成本降低20-35%。

另一方面,雖然6英寸碳化硅襯底已經(jīng)供應相當充足,但在當前半導體市場上,碳化硅功率器件的價格依然昂貴,尤其是在大尺寸異質晶圓賽道,性能的提升難以覆蓋成本的增長,大大限制了碳化硅器件在功率器件領域的滲透率。8英寸晶圓目前仍未普及,一旦解決了襯底成本的瓶頸,市場將迎來大量需求。

基于這種判斷,晶瓴也計劃趕在2025年底實現(xiàn)8英寸碳化硅晶圓的量產。

“整個碳化硅行業(yè),包括襯底、器件、晶圓,這兩年正在從原來的6英寸往8英寸方向發(fā)展,明年及后年會是大規(guī)模替換升級成8英寸的關鍵節(jié)點,替換升級到8英寸實際上是一個必經(jīng)的發(fā)展路徑,也是目前主流行業(yè)和下游客戶認可的,”郭斌強調,“可以預見到,一旦上游的碳化硅襯底廠商可以實現(xiàn)批量化的供應,那他們對晶瓴提供的設備和供應方案的需求會是實實在在的剛需?！?/p>

王振中坦言,前兩次創(chuàng)業(yè)自己把更多的關注點放在技術上,這些年的沉淀讓他明白,技術是敲門磚,其最終需要服務于市場,所以晶瓴會更關注產業(yè)上下游,通過客戶的認可,來不斷調整自身的技術和工藝。

“行業(yè)最終比拼的不是最好的技術,而是最具可量產的技術,希望晶瓴能成為國內碳化硅異質晶圓量產的公司,實現(xiàn)碳化硅廣泛應用于綠色科技領域?！?/p>

晶瓴在面對碳化硅材料加工的技術挑戰(zhàn)時,創(chuàng)新性地采用激光隱切技術,不僅克服了傳統(tǒng)切割方式中的高損耗與效率低等問題,還自主研發(fā)了相關設備,顯著提升了碳化硅晶圓的切割質量與材料利用率。同時,晶瓴緊跟市場趨勢,積極籌備8英寸碳化硅晶圓的量產,以應對未來市場對大尺寸、低成本碳化硅器件的旺盛需求。公司注重技術與市場的結合,致力于成為碳化硅異質晶圓量產的先行者,推動碳化硅材料在綠色科技領域的廣泛應用,展現(xiàn)出強勁的發(fā)展?jié)摿εc行業(yè)競爭力。