經(jīng)濟觀(guān)察報 記者 種昂 5月4日閉幕的2024（第十八屆）北京國際汽車(chē)展覽會(huì )出現了行業(yè)的一個(gè)新景象。小米、小鵬等新能源車(chē)企在有限的產(chǎn)品發(fā)布時(shí)間中，專(zhuān)門(mén)增加了對一個(gè)關(guān)鍵參數——碳化硅襯底的詳細介紹。在多個(gè)車(chē)企的展臺上，“碳化硅”車(chē)型也首次占據了“C位”。

正如一碗面是否好吃很大程度上取決于小麥種子的品質(zhì)，汽車(chē)行業(yè)的領(lǐng)軍企業(yè)看重這個(gè)并無(wú)直接關(guān)聯(lián)的材料，是因為在他們眼中，一輛新能源汽車(chē)的性能還要比拼芯片最上游的碳化硅襯底材料的品質(zhì)。

目前，整個(gè)芯片產(chǎn)業(yè)鏈主要包括襯底材料（晶片）、外延、芯片設計、芯片制造、封裝測試、應用等環(huán)節。一款智能轎車(chē)如同一臺超級電腦，上游材料直接決定了芯片質(zhì)量，進(jìn)而影響著(zhù)整車(chē)的性能。

濟南就擁有碳化硅襯底行業(yè)唯一一家上市公司——山東天岳先進(jìn)科技股份有限公司（688234.SH，下稱(chēng)“天岳先進(jìn)”）。它生產(chǎn)的碳化硅襯底正是當下芯片的主流原材料，也是整個(gè)產(chǎn)業(yè)上游的核心部分。天岳先進(jìn)位于產(chǎn)業(yè)鏈的最上游，向下游的英飛凌和博世等芯片巨頭供應材料，末端應用已延伸到許多國內新能源車(chē)企。

2017年中美貿易再起波瀾，芯片及相關(guān)半導體材料進(jìn)口量驟降。2018年12月，中央經(jīng)濟工作會(huì )議提出，加強人工智能、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)等新型基礎設施建設。這些領(lǐng)域有著(zhù)共同的需求——芯片。這兩年，中國新能源汽車(chē)市場(chǎng)爆火，更加劇了國內對于碳化硅的需求井噴。

半導體是芯片的主要材料，芯片則是利用半導體制成的復雜電子裝置。下游的需求很快傳導至產(chǎn)業(yè)上游，第三代半導體行業(yè)吸引了各路資本的涌入，僅材料的入局者就多達數十家，但能夠提供成熟產(chǎn)品的企業(yè)鳳毛麟角。

芯片產(chǎn)業(yè)的高度復雜性意味著(zhù)單靠巨額資本投入是不夠的，研發(fā)過(guò)程中的試錯需要在實(shí)踐中不斷驗證，技術(shù)突破需要各方面人才的持續匯聚和協(xié)作，這一切都需要時(shí)間的積累和沉淀。

天岳先進(jìn)在2010年碳化硅半導體技術(shù)剛剛興起時(shí)，就開(kāi)始涉足該領(lǐng)域。為了突破產(chǎn)能瓶頸、滿(mǎn)足市場(chǎng)急劇增長(cháng)的需求，2022年天岳先進(jìn)在科創(chuàng )板成功上市，募集資金35.58億元，用于擴大產(chǎn)能和技術(shù)研發(fā)。截至目前，天岳先進(jìn)新建的工廠(chǎng)已達到年產(chǎn)30萬(wàn)片導電型碳化硅襯底的產(chǎn)能規模。

“投資芯片，九死一生”

“投資芯片，九死一生。”雷軍這句廣為流傳的話(huà)，不僅是在說(shuō)芯片燒錢(qián)堪比“老虎機”，更是因為芯片的研發(fā)和制造難度遠高于其他產(chǎn)業(yè)。

碳與硅是自然界中最豐富的兩種資源，但要制造出半導體所需的碳化硅晶片卻是一個(gè)世界性難題。2010年11月，宗艷民注冊成立了天岳先進(jìn)，立志要抓住全球第三代半導體（碳化硅）技術(shù)升級的重大機遇。

半導體是工業(yè)的命脈產(chǎn)業(yè)，也是芯片的核心原材料。中國在第一代（硅）、第二代（砷化鎵）半導體領(lǐng)域已錯失先機。當時(shí)，半導體技術(shù)正向第三代寬禁帶（包括碳化硅、氮化鎵等）升級。包括美國科銳公司、貳陸公司、日本羅姆公司等在內的全球能產(chǎn)出的制造商屈指可數。

當時(shí)的行業(yè)龍頭美國科銳已能生產(chǎn)4英寸碳化硅晶片，天岳先進(jìn)才剛剛開(kāi)始招兵買(mǎi)馬，攻關(guān)2英寸產(chǎn)品。

碳化硅襯底材料的研發(fā)涉及晶體學(xué)、熱動(dòng)力學(xué)、半導體物理、化學(xué)、計算機仿真模擬、機械、數學(xué)等多學(xué)科交叉知識的應用，是典型的人才密集型行業(yè)。項目啟動(dòng)時(shí)，中國在第三代半導體材料技術(shù)的基礎理論和學(xué)科建設方面都很薄弱。組建研發(fā)團隊時(shí)，宗艷民發(fā)現很難招募到專(zhuān)業(yè)對口的人才，團隊成員部分是從半導體領(lǐng)域轉型而來(lái)，部分是科研院所的兼職人員。

由于技術(shù)封鎖和可參考信息極其有限，天岳先進(jìn)在設備設計、工藝開(kāi)發(fā)、過(guò)程管理等多維度都是從零開(kāi)始，許多生產(chǎn)、檢測設備都需要自行開(kāi)發(fā)、定制。

按照工藝流程，碳化硅襯底材料（晶片）的主要工序包括原料合成、晶體生長(cháng)、晶棒切割、研磨、拋光等環(huán)節。每個(gè)環(huán)節都充滿(mǎn)未知的困難和風(fēng)險。

與科研院所在理想條件和極小規模下展開(kāi)、更側重理論性分析的實(shí)驗室技術(shù)相比，產(chǎn)業(yè)化要求在創(chuàng )新的同時(shí)還要兼顧穩定性和經(jīng)濟性。企業(yè)需要在聚集人才、設備、廠(chǎng)房、資金等要素的情況下，進(jìn)行小試、中試，并在量產(chǎn)后兼顧良品率和低成本，還要應對品質(zhì)、供貨能力、交付能力等一系列問(wèn)題。生產(chǎn)過(guò)程中的任何失誤都可能導致巨大的經(jīng)濟損失和商譽(yù)損害。

“原料合成是控制原子的過(guò)程。”天岳先進(jìn)董事長(cháng)宗艷民說(shuō)，碳的熔點(diǎn)約為3000℃，硅的熔點(diǎn)約為1400℃，一個(gè)“遲鈍”，一個(gè)“活躍”。二者結合有200多種晶型，其中僅有一個(gè)最適合用作半導體材料。在高溫融化后，億萬(wàn)級別的原子只有按設定、“手拉手”等比例排列，才能生成碳化硅。任何排列的偏差或角度的錯位都無(wú)法滿(mǎn)足客戶(hù)的品質(zhì)要求。

整個(gè)過(guò)程在密閉的坩堝內完成，溫度需穩定在2000℃以上，溫控本身就是一個(gè)巨大的挑戰。由于高溫條件下難以直接測量和調控，天岳先進(jìn)只能通過(guò)不斷調節坩堝結構和保溫材料的配置來(lái)優(yōu)化溫差，經(jīng)過(guò)成千上萬(wàn)次的調試才實(shí)現量產(chǎn)。

在一定時(shí)間內，碳化硅可“生長(cháng)”為一個(gè)晶體。由于碳化硅晶片約占半導體器件成本的50%，上游材料直接決定了下游器件和芯片的質(zhì)量。任何生長(cháng)條件的波動(dòng)都可能導致晶型雜亂、錯位以及各種結晶缺陷等質(zhì)量問(wèn)題。

當時(shí)，天岳先進(jìn)的技術(shù)團隊幾乎全年無(wú)休地在企業(yè)內“封閉”研發(fā)，天天吃住在車(chē)間，每隔幾個(gè)小時(shí)就到車(chē)間檢測數據，尋找不同溫度、壓強、氣氛等條件與晶體生長(cháng)質(zhì)量的關(guān)聯(lián)，反復試錯。

每臺長(cháng)晶爐的溫度高達2300℃以上，一旦運行就不能中途熄滅，每天的運行成本就是一筆不小的開(kāi)支。此外，碳化硅晶體的硬度僅次于金剛石，莫氏硬度高達9.2（鋼的硬度在4到5之間），既硬又脆，是所有半導體材料中最難切割的。如果長(cháng)晶過(guò)程中溫度控制不均勻，切割時(shí)極易開(kāi)裂。有時(shí)，長(cháng)時(shí)間生長(cháng)而成的晶體柱可能因一次切割失誤而全部報廢，給企業(yè)帶來(lái)巨大損失。

晶片拋光需要使表面達到納米級平整度，并在超凈環(huán)境中進(jìn)行，以防止空氣中的微粒劃傷晶片表面。天岳先進(jìn)建立了超凈室，并制定了一整套嚴格的作業(yè)制度，以確保降低缺陷。

碳化硅工藝條件極度苛刻，高溫下多因素相互作用導致材料缺陷眾多。實(shí)現規模化、低缺陷、高品質(zhì)、低成本生產(chǎn)是一個(gè)世界性難題。宗艷民說(shuō)：“我們對缺陷的表征方法和控制手段進(jìn)行了反復研究，攻克了一個(gè)個(gè)技術(shù)難關(guān)，已經(jīng)可以規模化提供低缺陷高品質(zhì)襯底，大幅提高了生長(cháng)效率和良品率，對下游品質(zhì)的提升和成本控制都有很好的幫助。”

最終，天岳先進(jìn)在2012年突破了2英寸碳化硅技術(shù)，2015年開(kāi)始量產(chǎn)4英寸碳化硅技術(shù)，2017年實(shí)現了6英寸碳化硅技術(shù)的突破，至今已經(jīng)開(kāi)始8英寸導電型襯底的產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)。

市場(chǎng)的爆發(fā)

芯片半導體產(chǎn)業(yè)遵循摩爾定律——半導體上的晶體管數量每18個(gè)月增加一倍，性能也提升一倍。這注定該產(chǎn)業(yè)中的企業(yè)需要持續投入、不停奔跑。

從2英寸、4英寸、6英寸到8英寸，不同尺寸的晶體制備難度相差甚遠。以2英寸和6英寸為例，6英寸面積控制的原子數量是2英寸的9倍。這就像一個(gè)40×40方陣人數只比20×20的多了4倍，但要將其訓練得同樣整齊劃一，難度卻遠不止增加了4倍。

十多年間，天岳先進(jìn)一直保持高強度的研發(fā)投入。2020年以來(lái)，研發(fā)費用率始終維持在10%以上，2022年達到30.6%。截至2023年6月末，天岳先進(jìn)累計獲得境內發(fā)明專(zhuān)利授權152項，境外發(fā)明專(zhuān)利授權12項。2019年，天岳先進(jìn)獲國家科技進(jìn)步一等獎，入選了工信部專(zhuān)精特新“小巨人”名單，并被評為國家單項冠軍企業(yè)。

半導體市場(chǎng)歷來(lái)是贏(yíng)者通吃，頭部企業(yè)占據了行業(yè)的絕大多數份額。當國內企業(yè)的技術(shù)不成熟、產(chǎn)品質(zhì)量不穩定時(shí)，國內為數不多的客戶(hù)也傾向于采購國外企業(yè)的產(chǎn)品。產(chǎn)量小、應用場(chǎng)景少，反過(guò)來(lái)又會(huì )限制技術(shù)成熟度。

真正讓天岳先進(jìn)獲得市場(chǎng)推崇和創(chuàng )新回報的是在公司成立7年后。2018年國際貿易再起波瀾，半導體產(chǎn)業(yè)各環(huán)節產(chǎn)品均被列入禁運目錄。彼時(shí)國內企業(yè)和科研機構突然遭遇外部斷供。

2018年12月，中央經(jīng)濟工作會(huì )議提出，加強人工智能、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)等新型基礎設施建設。它們有著(zhù)共同的需求——芯片。半導體產(chǎn)業(yè)也隨之從少人問(wèn)津變得炙手可熱。

碳化硅曾被美國《財富》雜志列為“改變未來(lái)世界的材料”，制成的半導體器件具有效率更高、輸出功率更大、系統尺寸更小等諸多優(yōu)勢。碳化硅半導體制作的照明燈具，耗能是白熾燈的十分之一，壽命卻超出十倍；可以讓通信基站覆蓋范圍增加數倍；可使電力電子器件體積縮小四分之三，能耗降低一半，實(shí)現電動(dòng)汽車(chē)輕量化等等。

半導體芯片的極度短缺也導致市場(chǎng)價(jià)格飆升，一顆汽車(chē)半導體芯片的價(jià)格一度暴漲近百倍仍不可得。一時(shí)間，各路資本蜂擁而至，各地項目紛紛上馬，僅芯片材料的入局者就多達數十家。但真正能拿出成熟產(chǎn)品的企業(yè)鳳毛麟角。

2019年8月，華為旗下哈勃科技投資股份有限公司入股天岳先進(jìn)，持股10%，成為其第二大股東。后來(lái)，天岳先進(jìn)IPO前的數輪融資，哈勃投資仍以7.0493%的持股，躋身第四大股東。

國內市場(chǎng)的爆發(fā)，使天岳先進(jìn)開(kāi)始收獲持續研發(fā)創(chuàng )新的回報。根據招股說(shuō)明書(shū)，2018年度、2019年度及2020年度，天岳先進(jìn)的銷(xiāo)量分別為11397片、19492片、38866片；營(yíng)業(yè)收入連年翻番，分別為1.36億元、2.69億元、4.25億元。與此同時(shí)，濟南市展開(kāi)了新舊動(dòng)能轉換的變革，政府給予天岳先進(jìn)在技術(shù)創(chuàng )新、招引人才等方面諸多補貼和獎勵政策。

隨著(zhù)銷(xiāo)量的增加、收入的提高、應用場(chǎng)景的擴展，企業(yè)可投入更多資金進(jìn)行研發(fā)，更快地催熟技術(shù)、催生市場(chǎng)規模。

宗艷民稱(chēng)，碳化硅材料是否存在缺陷是影響良率和成本的關(guān)鍵因素，天岳先進(jìn)將繼續在缺陷管理方面加大基礎性技術(shù)研發(fā)。同時(shí)，隨著(zhù)終端應用的不斷擴大，襯底規模化生產(chǎn)之后有望進(jìn)一步降低成本。

創(chuàng )新的回報

碳化硅晶片分為半絕緣與導電型兩個(gè)細分應用領(lǐng)域。半絕緣型可制成微波器件，應用于5G通訊、物聯(lián)網(wǎng)、人工智能等領(lǐng)域；導電型則可制成電子電力器件，應用于電動(dòng)汽車(chē)、充電樁、軌道交通及特高壓、大功率照明等領(lǐng)域。

據市場(chǎng)研究機構Yole發(fā)布的報告，2020年天岳先進(jìn)在半絕緣型碳化硅市場(chǎng)銷(xiāo)量已躍居全球第三，占據全球市場(chǎng)30%的份額。與美國貳陸公司（35%）、CREE公司（32%）形成了三分天下的格局。

用于電動(dòng)汽車(chē)、充電樁等領(lǐng)域的導電型產(chǎn)品市場(chǎng)前景更大。根據三菱集團測算，第三代半導體技術(shù)的應用有助于電動(dòng)汽車(chē)輕量化，可使體積減小44%、功率增加78%、續航里程增加14.7%。豐田、特斯拉等汽車(chē)廠(chǎng)商已開(kāi)始使用碳化硅功率器件。

從數據上看，一輛傳統燃油車(chē)大致需要100個(gè)—200個(gè)芯片，電動(dòng)車(chē)的芯片數量要翻一倍，而一輛智能化水平較高的純電動(dòng)汽車(chē)需要800個(gè)—1000個(gè)芯片。比亞迪集團董事長(cháng)王傳福曾在2021廣州車(chē)展開(kāi)幕式上說(shuō)，由于芯片短缺，全球約有700萬(wàn)輛電動(dòng)車(chē)未能生產(chǎn)。未來(lái)智能車(chē)對芯片的需求更大。

根據商業(yè)咨詢(xún)服務(wù)商IHS Markit數據，受新能源汽車(chē)龐大需求的驅動(dòng)，預計到2027年碳化硅材料制成的半導體器件的市場(chǎng)規模將超過(guò)100億美元，2020年—2027年復合增速近50%。

此前，天岳先進(jìn)已經(jīng)開(kāi)始向包括電動(dòng)汽車(chē)在內的導電型市場(chǎng)轉型。面對激增的市場(chǎng)需求，2022年1月天岳先進(jìn)在科創(chuàng )板首發(fā)上市，募集資金35.58億元，投建了一個(gè)30萬(wàn)片導電型襯底產(chǎn)能的新工廠(chǎng)，這將成為該公司導電型產(chǎn)品的主要生產(chǎn)基地。新工廠(chǎng)于2023年5月投產(chǎn)，產(chǎn)能和產(chǎn)量持續爬坡，目前已達30萬(wàn)片導電型襯底的產(chǎn)能規劃。

十多年間，天岳先進(jìn)從零開(kāi)始，一路追趕。盡管與行業(yè)龍頭仍有差距，但天岳先進(jìn)在全球市場(chǎng)已占有一席之地，成為包括英飛凌、博世等海外頭部企業(yè)的主要供貨商，全球前十大功率半導體企業(yè)超過(guò)一半都是其客戶(hù)。其導電型襯底產(chǎn)品在國際市場(chǎng)占有率位居全球第二，半絕緣襯底產(chǎn)品占有率連續4年位居全球前三。

盡管當下這一領(lǐng)域入局者眾多，但能夠提供成熟產(chǎn)品的企業(yè)寥寥無(wú)幾。天岳先進(jìn)多年的布局此時(shí)正進(jìn)入收獲期。在2023年年報中，天岳先進(jìn)營(yíng)業(yè)收入達 12.51億元，較去年同比增長(cháng)199.9%，連續七個(gè)季度保持了營(yíng)業(yè)收入的增長(cháng)。

目前全球第三代半導體業(yè)整體處于起步階段，并且在加速發(fā)展。“從我們掌握的信息來(lái)看，包括博世、英飛凌等企業(yè)的擴產(chǎn)速度和布局力度都非常大，未來(lái)整個(gè)產(chǎn)業(yè)都將進(jìn)入高速成長(cháng)期。我們還是要加大技術(shù)研發(fā)，迎接藍海市場(chǎng)到來(lái)。”宗艷民說(shuō)。

這是一場(chǎng)“越野馬拉松”，競爭者需要一步不停地奔跑。它并非只有一個(gè)賽道，企業(yè)既要追趕前方的外資龍頭，也要隨時(shí)警惕越來(lái)越多新加入者從捷徑超越。“民營(yíng)企業(yè)只有創(chuàng )新才有出路。中國不僅需要華為這樣的大企業(yè)，每個(gè)細分領(lǐng)域都需要一批善于創(chuàng )新的專(zhuān)精特新企業(yè)去推動(dòng)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。”回顧十余年的創(chuàng )新歷程，宗艷民認為，過(guò)去的民營(yíng)企業(yè)的創(chuàng )新普遍缺乏自信心，多數是在效仿別人、掙快錢(qián)。但天岳先進(jìn)選擇從零開(kāi)始，堅持自主研發(fā)，時(shí)刻保持開(kāi)放的視野和心態(tài)，與國際接軌，最終突破了第三代半導體材料的核心技術(shù)。

2024年，中國正展開(kāi)一場(chǎng)聲勢浩大的發(fā)展新質(zhì)生產(chǎn)力的變革，科技創(chuàng )新是其中的主導力量。

說(shuō)起創(chuàng )新，宗艷民一再強調：“中國的民營(yíng)企業(yè)要樹(shù)立創(chuàng )新的自信，只要敢于創(chuàng )新、善于創(chuàng )新，重視人才與技術(shù)，就一定能取得相應的成果，獲得創(chuàng )新的回報。”