光速光合助力晶瓴電子,加速碳化硅技術(shù)革新

在當(dāng)今全球電子元器件市場中,高端產(chǎn)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(chǎn)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(shè)備開發(fā)及先進電子材料領(lǐng)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(shù)和產(chǎn)品,以及他們?nèi)绾沃μ蓟杵骷诰G色科技領(lǐng)域得到更廣泛的應(yīng)用,為中國高品質(zhì)電子元器件產(chǎn)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(chǎn)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(xué)院物理所凝聚態(tài)物理學(xué)博士,博士期間主要從事低維材料的研究,擅長設(shè)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(dǎo)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(shè)備開發(fā)、先進電子材料領(lǐng)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。基于激光隱切和室溫晶圓鍵合兩大核心技術(shù),公司研發(fā)多種異質(zhì)晶圓,核心產(chǎn)品正是被稱為第三代半導(dǎo)體材料的碳化硅晶圓。2023年年末,晶瓴完成了由光速光合領(lǐng)投的種子輪融資。

光速光合執(zhí)行董事郭斌從2019年開始關(guān)注碳化硅功率器件領(lǐng)域,他看到碳化硅核心的產(chǎn)業(yè)鏈,從上游的襯底,到中游的設(shè)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(chǎn)業(yè)鏈中最基礎(chǔ)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(lǐng)域能得到更廣泛的應(yīng)用?！惫蟊硎尽?/p>

1、光速光合領(lǐng)投晶瓴

光速光合作為投資方,對碳化硅產(chǎn)業(yè)鏈進行了深入研究,并關(guān)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(lǐng)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(shù)難題,推動碳化硅器件在綠色科技領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。

碳化硅,也被稱為金剛砂、鉆髓,二十世紀初,科學(xué)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(dǎo)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(yīng)用于通信、軍工、汽車、光伏、軌道交通等領(lǐng)域。

2021年,工信部宣布將碳化硅復(fù)合材料、碳基復(fù)合材料等納入“十四五”產(chǎn)業(yè)科技創(chuàng)新相關(guān)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(dǎo)體即第三代半導(dǎo)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(dǎo)體器件不同,碳化硅器件生產(chǎn)過程當(dāng)中,原材料是最貴、最有技術(shù)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(fù)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(dāng)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(dǎo)致碳化硅成為了一種昂貴的半導(dǎo)體材料。

2019年,王振中接觸到了一個碳化硅相關(guān)項目,這讓他有些心動?！疤蓟枋俏乙恢笨春玫囊粋€方向,正好有這么個機會近距離接觸碳化硅產(chǎn)業(yè),就想深入進去?！?/p>

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(chǎn)業(yè)進行了深入鉆研與分析,做了大量行業(yè)現(xiàn)有技術(shù)和工藝方案的研究、競爭格局分析。經(jīng)過反復(fù)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(shù)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(chǎn)業(yè),從上游到下游,從國內(nèi)到海外的客戶及供應(yīng)商,對應(yīng)的不同技術(shù)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(shù)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(chǎn)業(yè)痛點

高品質(zhì)碳化硅作為被國外“卡脖子”的關(guān)鍵領(lǐng)域,其加工技術(shù)壁壘高。晶瓴電子通過自主研發(fā)激光隱切技術(shù),有效解決了碳化硅晶圓切割過程中產(chǎn)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(yīng)用和發(fā)展。

在調(diào)研中,王振中意識到,高品質(zhì)的碳化硅也是被國外“卡脖子”的領(lǐng)域之一。

根據(jù)億渡數(shù)據(jù)發(fā)布的報告,目前國產(chǎn)碳化硅襯底產(chǎn)品良率、可靠性和穩(wěn)定性均低于國外企業(yè),導(dǎo)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(dǎo)致國內(nèi)碳化硅器件技術(shù)落后于國外企業(yè)。

技術(shù)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(yīng)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(shù)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(fù)式金剛石固結(jié)磨料多線切割是最常應(yīng)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(dāng)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(shù)方案是激光隱切,即利用超快脈沖激光透過材料表面在內(nèi)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(shù)不但有效避免了切割過程中產(chǎn)生碎片和污染物,也無需擔(dān)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(lǐng)團隊從零開始,完全自主研發(fā)了激光隱切設(shè)備,并且已開始設(shè)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(shè)計方案,整個光路的設(shè)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(shù),能夠?qū)⒉煌N類的半導(dǎo)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(zhì)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(shè)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(yīng)用在碳化硅領(lǐng)域,做異質(zhì)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(zhì)進行結(jié)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(chǎn)。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(guān)注產(chǎn)業(yè)上下游,通過客戶的認可,來不斷調(diào)整自身的技術(shù)和工藝,力求成為國內(nèi)碳化硅異質(zhì)晶圓量產(chǎn)公司,推動碳化硅在綠色科技領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用,光速光合則將持續(xù)為其發(fā)展助力。

在逐步解決技術(shù)難題的同時,晶瓴也在為量產(chǎn)8英寸碳化硅晶圓做準備。

根據(jù)研究機構(gòu)Yole的數(shù)據(jù),2020年,全球?qū)щ娦蚐iC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(yù)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(dāng)前市場上6英寸碳化硅晶圓產(chǎn)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(yù)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(zhuǎn)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(yù)估,相對于6寸晶圓平臺,預(yù)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(yīng)相當(dāng)充足,但在當(dāng)前半導(dǎo)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(zhì)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(lǐng)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(chǎn)。

“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(guān)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(diào),“可以預(yù)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(yīng),那他們對晶瓴提供的設(shè)備和供應(yīng)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(guān)注點放在技術(shù)上,這些年的沉淀讓他明白,技術(shù)是敲門磚,其最終需要服務(wù)于市場,所以晶瓴會更關(guān)注產(chǎn)業(yè)上下游,通過客戶的認可,來不斷調(diào)整自身的技術(shù)和工藝。

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

晶瓴在面對碳化硅材料加工的技術(shù)挑戰(zhàn)時,創(chuàng)新性地采用激光隱切技術(shù),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(guān)設(shè)備,顯著提升了碳化硅晶圓的切割質(zhì)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(chǎn),以應(yīng)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(shù)與市場的結(jié)合,致力于成為碳化硅異質(zhì)晶圓量產(chǎn)的先行者,推動碳化硅材料在綠色科技領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用,展現(xiàn)出強勁的發(fā)展?jié)摿εc行業(yè)競爭力。