經(jīng)濟觀察報 記者 種昂 5月4日閉幕的2024（第十八屆）北京國際汽車展覽會出現(xiàn)了行業(yè)的一個新景象。小米、小鵬等新能源車企在有限的產(chǎn)品發(fā)布時間中，專門增加了對一個關(guān)鍵參數(shù)——碳化硅襯底的詳細介紹。在多個車企的展臺上，“碳化硅”車型也首次占據(jù)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)，汽車行業(yè)的領(lǐng)軍企業(yè)看重這個并無直接關(guān)聯(lián)的材料，是因為在他們眼中，一輛新能源汽車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，整個芯片產(chǎn)業(yè)鏈主要包括襯底材料（晶片）、外延、芯片設(shè)計、芯片制造、封裝測試、應(yīng)用等環(huán)節(jié)。一款智能轎車如同一臺超級電腦，上游材料直接決定了芯片質(zhì)量，進而影響著整車的性能。

濟南就擁有碳化硅襯底行業(yè)唯一一家上市公司——山東天岳先進科技股份有限公司（688234.SH，下稱“天岳先進”）。它生產(chǎn)的碳化硅襯底正是當(dāng)下芯片的主流原材料，也是整個產(chǎn)業(yè)上游的核心部分。天岳先進位于產(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(yīng)材料，末端應(yīng)用已延伸到許多國內(nèi)新能源車企。

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

半導(dǎo)體是芯片的主要材料，芯片則是利用半導(dǎo)體制成的復(fù)雜電子裝置。下游的需求很快傳導(dǎo)至產(chǎn)業(yè)上游，第三代半導(dǎo)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(shù)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(fù)雜性意味著單靠巨額資本投入是不夠的，研發(fā)過程中的試錯需要在實踐中不斷驗證，技術(shù)突破需要各方面人才的持續(xù)匯聚和協(xié)作，這一切都需要時間的積累和沉淀。

天岳先進在2010年碳化硅半導(dǎo)體技術(shù)剛剛興起時，就開始涉足該領(lǐng)域。為了突破產(chǎn)能瓶頸、滿足市場急劇增長的需求，2022年天岳先進在科創(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，天岳先進新建的工廠已達到年產(chǎn)30萬片導(dǎo)電型碳化硅襯底的產(chǎn)能規(guī)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，不僅是在說芯片燒錢堪比“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(dǎo)體所需的碳化硅晶片卻是一個世界性難題。2010年11月，宗艷民注冊成立了天岳先進，立志要抓住全球第三代半導(dǎo)體（碳化硅）技術(shù)升級的重大機遇。

半導(dǎo)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(dǎo)體領(lǐng)域已錯失先機。當(dāng)時，半導(dǎo)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(nèi)的全球能產(chǎn)出的制造商屈指可數(shù)。

當(dāng)時的行業(yè)龍頭美國科銳已能生產(chǎn)4英寸碳化硅晶片，天岳先進才剛剛開始招兵買馬，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)、熱動力學(xué)、半導(dǎo)體物理、化學(xué)、計算機仿真模擬、機械、數(shù)學(xué)等多學(xué)科交叉知識的應(yīng)用，是典型的人才密集型行業(yè)。項目啟動時，中國在第三代半導(dǎo)體材料技術(shù)的基礎(chǔ)理論和學(xué)科建設(shè)方面都很薄弱。組建研發(fā)團隊時，宗艷民發(fā)現(xiàn)很難招募到專業(yè)對口的人才，團隊成員部分是從半導(dǎo)體領(lǐng)域轉(zhuǎn)型而來，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，天岳先進在設(shè)備設(shè)計、工藝開發(fā)、過程管理等多維度都是從零開始，許多生產(chǎn)、檢測設(shè)備都需要自行開發(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、晶棒切割、研磨、拋光等環(huán)節(jié)。每個環(huán)節(jié)都充滿未知的困難和風(fēng)險。

與科研院所在理想條件和極小規(guī)模下展開、更側(cè)重理論性分析的實驗室技術(shù)相比，產(chǎn)業(yè)化要求在創(chuàng)新的同時還要兼顧穩(wěn)定性和經(jīng)濟性。企業(yè)需要在聚集人才、設(shè)備、廠房、資金等要素的情況下，進行小試、中試，并在量產(chǎn)后兼顧良品率和低成本，還要應(yīng)對品質(zhì)、供貨能力、交付能力等一系列問題。生產(chǎn)過程中的任何失誤都可能導(dǎo)致巨大的經(jīng)濟損失和商譽損害。

“原料合成是控制原子的過程。”天岳先進董事長宗艷民說，碳的熔點約為3000℃，硅的熔點約為1400℃，一個“遲鈍”，一個“活躍”。二者結(jié)合有200多種晶型，其中僅有一個最適合用作半導(dǎo)體材料。在高溫融化后，億萬級別的原子只有按設(shè)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法滿足客戶的品質(zhì)要求。

整個過程在密閉的坩堝內(nèi)完成，溫度需穩(wěn)定在2000℃以上，溫控本身就是一個巨大的挑戰(zhàn)。由于高溫條件下難以直接測量和調(diào)控，天岳先進只能通過不斷調(diào)節(jié)坩堝結(jié)構(gòu)和保溫材料的配置來優(yōu)化溫差，經(jīng)過成千上萬次的調(diào)試才實現(xiàn)量產(chǎn)。

在一定時間內(nèi)，碳化硅可“生長”為一個晶體。由于碳化硅晶片約占半導(dǎo)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。任何生長條件的波動都可能導(dǎo)致晶型雜亂、錯位以及各種結(jié)晶缺陷等質(zhì)量問題。

當(dāng)時，天岳先進的技術(shù)團隊幾乎全年無休地在企業(yè)內(nèi)“封閉”研發(fā)，天天吃住在車間，每隔幾個小時就到車間檢測數(shù)據(jù)，尋找不同溫度、壓強、氣氛等條件與晶體生長質(zhì)量的關(guān)聯(lián)，反復(fù)試錯。

每臺長晶爐的溫度高達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(dǎo)體材料中最難切割的。如果長晶過程中溫度控制不均勻，切割時極易開裂。有時，長時間生長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)境中進行，以防止空氣中的微粒劃傷晶片表面。天岳先進建立了超凈室，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(dǎo)致材料缺陷眾多。實現(xiàn)規(guī)?；?、低缺陷、高品質(zhì)、低成本生產(chǎn)是一個世界性難題。宗艷民說：“我們對缺陷的表征方法和控制手段進行了反復(fù)研究，攻克了一個個技術(shù)難關(guān)，已經(jīng)可以規(guī)?；峁┑腿毕莞咂焚|(zhì)襯底，大幅提高了生長效率和良品率，對下游品質(zhì)的提升和成本控制都有很好的幫助。”

最終，天岳先進在2012年突破了2英寸碳化硅技術(shù)，2015年開始量產(chǎn)4英寸碳化硅技術(shù)，2017年實現(xiàn)了6英寸碳化硅技術(shù)的突破，至今已經(jīng)開始8英寸導(dǎo)電型襯底的產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)。

市場的爆發(fā)

芯片半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)遵循摩爾定律——半導(dǎo)體上的晶體管數(shù)量每18個月增加一倍，性能也提升一倍。這注定該產(chǎn)業(yè)中的企業(yè)需要持續(xù)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(shù)量是2英寸的9倍。這就像一個40×40方陣人數(shù)只比20×20的多了4倍，但要將其訓(xùn)練得同樣整齊劃一，難度卻遠不止增加了4倍。

十多年間，天岳先進一直保持高強度的研發(fā)投入。2020年以來，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，天岳先進累計獲得境內(nèi)發(fā)明專利授權(quán)152項，境外發(fā)明專利授權(quán)12項。2019年，天岳先進獲國家科技進步一等獎，入選了工信部專精特新“小巨人”名單，并被評為國家單項冠軍企業(yè)。

半導(dǎo)體市場歷來是贏者通吃，頭部企業(yè)占據(jù)了行業(yè)的絕大多數(shù)份額。當(dāng)國內(nèi)企業(yè)的技術(shù)不成熟、產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)定時，國內(nèi)為數(shù)不多的客戶也傾向于采購國外企業(yè)的產(chǎn)品。產(chǎn)量小、應(yīng)用場景少，反過來又會限制技術(shù)成熟度。

真正讓天岳先進獲得市場推崇和創(chuàng)新回報的是在公司成立7年后。2018年國際貿(mào)易再起波瀾，半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)各環(huán)節(jié)產(chǎn)品均被列入禁運目錄。彼時國內(nèi)企業(yè)和科研機構(gòu)突然遭遇外部斷供。

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

碳化硅曾被美國《財富》雜志列為“改變未來世界的材料”，制成的半導(dǎo)體器件具有效率更高、輸出功率更大、系統(tǒng)尺寸更小等諸多優(yōu)勢。碳化硅半導(dǎo)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(shù)倍；可使電力電子器件體積縮小四分之三，能耗降低一半，實現(xiàn)電動汽車輕量化等等。

半導(dǎo)體芯片的極度短缺也導(dǎo)致市場價格飆升，一顆汽車半導(dǎo)體芯片的價格一度暴漲近百倍仍不可得。一時間，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(shù)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，持股10%，成為其第二大股東。后來，天岳先進IPO前的數(shù)輪融資，哈勃投資仍以7.0493%的持股，躋身第四大股東。

國內(nèi)市場的爆發(fā)，使天岳先進開始收獲持續(xù)研發(fā)創(chuàng)新的回報。根據(jù)招股說明書，2018年度、2019年度及2020年度，天岳先進的銷量分別為11397片、19492片、38866片；營業(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，濟南市展開了新舊動能轉(zhuǎn)換的變革，政府給予天岳先進在技術(shù)創(chuàng)新、招引人才等方面諸多補貼和獎勵政策。

隨著銷量的增加、收入的提高、應(yīng)用場景的擴展，企業(yè)可投入更多資金進行研發(fā)，更快地催熟技術(shù)、催生市場規(guī)模。

宗艷民稱，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，天岳先進將繼續(xù)在缺陷管理方面加大基礎(chǔ)性技術(shù)研發(fā)。同時，隨著終端應(yīng)用的不斷擴大，襯底規(guī)?；a(chǎn)之后有望進一步降低成本。

創(chuàng)新的回報

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

據(jù)市場研究機構(gòu)Yole發(fā)布的報告，2020年天岳先進在半絕緣型碳化硅市場銷量已躍居全球第三，占據(jù)全球市場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。

用于電動汽車、充電樁等領(lǐng)域的導(dǎo)電型產(chǎn)品市場前景更大。根據(jù)三菱集團測算，第三代半導(dǎo)體技術(shù)的應(yīng)用有助于電動汽車輕量化，可使體積減小44%、功率增加78%、續(xù)航里程增加14.7%。豐田、特斯拉等汽車廠商已開始使用碳化硅功率器件。

從數(shù)據(jù)上看，一輛傳統(tǒng)燃油車大致需要100個—200個芯片，電動車的芯片數(shù)量要翻一倍，而一輛智能化水平較高的純電動汽車需要800個—1000個芯片。比亞迪集團董事長王傳福曾在2021廣州車展開幕式上說，由于芯片短缺，全球約有700萬輛電動車未能生產(chǎn)。未來智能車對芯片的需求更大。

根據(jù)商業(yè)咨詢服務(wù)商IHS Markit數(shù)據(jù)，受新能源汽車龐大需求的驅(qū)動，預(yù)計到2027年碳化硅材料制成的半導(dǎo)體器件的市場規(guī)模將超過100億美元，2020年—2027年復(fù)合增速近50%。

此前，天岳先進已經(jīng)開始向包括電動汽車在內(nèi)的導(dǎo)電型市場轉(zhuǎn)型。面對激增的市場需求，2022年1月天岳先進在科創(chuàng)板首發(fā)上市，募集資金35.58億元，投建了一個30萬片導(dǎo)電型襯底產(chǎn)能的新工廠，這將成為該公司導(dǎo)電型產(chǎn)品的主要生產(chǎn)基地。新工廠于2023年5月投產(chǎn)，產(chǎn)能和產(chǎn)量持續(xù)爬坡，目前已達30萬片導(dǎo)電型襯底的產(chǎn)能規(guī)劃。

十多年間，天岳先進從零開始，一路追趕。盡管與行業(yè)龍頭仍有差距，但天岳先進在全球市場已占有一席之地，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(dǎo)體企業(yè)超過一半都是其客戶。其導(dǎo)電型襯底產(chǎn)品在國際市場占有率位居全球第二，半絕緣襯底產(chǎn)品占有率連續(xù)4年位居全球前三。

盡管當(dāng)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)寥寥無幾。天岳先進多年的布局此時正進入收獲期。在2023年年報中，天岳先進營業(yè)收入達 12.51億元，較去年同比增長199.9%，連續(xù)七個季度保持了營業(yè)收入的增長。

目前全球第三代半導(dǎo)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，未來整個產(chǎn)業(yè)都將進入高速成長期。我們還是要加大技術(shù)研發(fā)，迎接藍海市場到來。”宗艷民說。

這是一場“越野馬拉松”，競爭者需要一步不停地奔跑。它并非只有一個賽道，企業(yè)既要追趕前方的外資龍頭，也要隨時警惕越來越多新加入者從捷徑超越。“民營企業(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)，每個細分領(lǐng)域都需要一批善于創(chuàng)新的專精特新企業(yè)去推動產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。”回顧十余年的創(chuàng)新歷程，宗艷民認為，過去的民營企業(yè)的創(chuàng)新普遍缺乏自信心，多數(shù)是在效仿別人、掙快錢。但天岳先進選擇從零開始，堅持自主研發(fā)，時刻保持開放的視野和心態(tài)，與國際接軌，最終突破了第三代半導(dǎo)體材料的核心技術(shù)。

2024年，中國正展開一場聲勢浩大的發(fā)展新質(zhì)生產(chǎn)力的變革，科技創(chuàng)新是其中的主導(dǎo)力量。

說起創(chuàng)新，宗艷民一再強調(diào)：“中國的民營企業(yè)要樹立創(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(yīng)的成果，獲得創(chuàng)新的回報。”