天岳先进：创新的回报
经济观察报 记者 种昂 5月4日闭幕的2024（第十八届）北京国际汽车展览会出现了行业的一个新景象。小米、小鹏等新能源车企在有限的产品发布时间中，专门增加了对一个关键参数——碳化硅衬底的详细介绍。在多个车企的展台上，“碳化硅”车型也首次占据了“C位”。
正如一碗面是否好吃很大程度上取决于小麦种子的品质，汽车行业的领军企业看重这个并无直接关联的材料，是因为在他们眼中，一辆新能源汽车的性能还要比拼芯片最上游的碳化硅衬底材料的品质。
目前，整个芯片产业链主要包括衬底材料（晶片）、外延、芯片设计、芯片制造、封装测试、应用等环节。一款智能轿车如同一台超级电脑，上游材料直接决定了芯片质量，进而影响着整车的性能。
济南就拥有碳化硅衬底行业唯一一家上市公司——山东天岳先进科技股份有限公司（688234.SH，下称“天岳先进”）。它生产的碳化硅衬底正是当下芯片的主流原材料，也是整个产业上游的核心部分。天岳先进位于产业链的最上游，向下游的英飞凌和博世等芯片巨头供应材料，末端应用已延伸到许多国内新能源车企。
2017年中美贸易再起波澜，芯片及相关半导体材料进口量骤降。2018年12月，中央经济工作会议提出，加强人工智能、工业互联网、物联网等新型基础设施建设。这些领域有着共同的需求——芯片。这两年，中国新能源汽车市场爆火，更加剧了国内对于碳化硅的需求井喷。
半导体是芯片的主要材料，芯片则是利用半导体制成的复杂电子装置。下游的需求很快传导至产业上游，第三代半导体行业吸引了各路资本的涌入，仅材料的入局者就多达数十家，但能够提供成熟产品的企业凤毛麟角。
芯片产业的高度复杂性意味着单靠巨额资本投入是不够的，研发过程中的试错需要在实践中不断验证，技术突破需要各方面人才的持续汇聚和协作，这一切都需要时间的积累和沉淀。
天岳先进在2010年碳化硅半导体技术刚刚兴起时，就开始涉足该领域。为了突破产能瓶颈、满足市场急剧增长的需求，2022年天岳先进在科创板成功上市，募集资金35.58亿元，用于扩大产能和技术研发。截至目前，天岳先进新建的工厂已达到年产30万片导电型碳化硅衬底的产能规模。
“投资芯片，九死一生”
“投资芯片，九死一生。”雷军这句广为流传的话，不仅是在说芯片烧钱堪比“老虎机”，更是因为芯片的研发和制造难度远高于其他产业。
碳与硅是自然界中最丰富的两种资源，但要制造出半导体所需的碳化硅晶片却是一个世界性难题。2010年11月，宗艳民注册成立了天岳先进，立志要抓住全球第三代半导体（碳化硅）技术升级的重大机遇。
半导体是工业的命脉产业，也是芯片的核心原材料。中国在第一代（硅）、第二代（砷化镓）半导体领域已错失先机。当时，半导体技术正向第三代宽禁带（包括碳化硅、氮化镓等）升级。包括美国科锐公司、贰陆公司、日本罗姆公司等在内的全球能产出的制造商屈指可数。
当时的行业龙头美国科锐已能生产4英寸碳化硅晶片，天岳先进才刚刚开始招兵买马，攻关2英寸产品。
碳化硅衬底材料的研发涉及晶体学、热动力学、半导体物理、化学、计算机仿真模拟、机械、数学等多学科交叉知识的应用，是典型的人才密集型行业。项目启动时，中国在第三代半导体材料技术的基础理论和学科建设方面都很薄弱。组建研发团队时，宗艳民发现很难招募到专业对口的人才，团队成员部分是从半导体领域转型而来，部分是科研院所的兼职人员。
由于技术封锁和可参考信息极其有限，天岳先进在设备设计、工艺开发、过程管理等多维度都是从零开始，许多生产、检测设备都需要自行开发、定制。
按照工艺流程，碳化硅衬底材料（晶片）的主要工序包括原料合成、晶体生长、晶棒切割、研磨、抛光等环节。每个环节都充满未知的困难和风险。
与科研院所在理想条件和极小规模下展开、更侧重理论性分析的实验室技术相比，产业化要求在创新的同时还要兼顾稳定性和经济性。企业需要在聚集人才、设备、厂房、资金等要素的情况下，进行小试、中试，并在量产后兼顾良品率和低成本，还要应对品质、供货能力、交付能力等一系列问题。生产过程中的任何失误都可能导致巨大的经济损失和商誉损害。
“原料合成是控制原子的过程。”天岳先进董事长宗艳民说，碳的熔点约为3000℃，硅的熔点约为1400℃，一个“迟钝”，一个“活跃”。二者结合有200多种晶型，其中仅有一个最适合用作半导体材料。在高温融化后，亿万级别的原子只有按设定、“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错位都无法满足客户的品质要求。
整个过程在密闭的坩埚内完成，温度需稳定在2000℃以上，温控本身就是一个巨大的挑战。由于高温条件下难以直接测量和调控，天岳先进只能通过不断调节坩埚结构和保温材料的配置来优化温差，经过成千上万次的调试才实现量产。
在一定时间内，碳化硅可“生长”为一个晶体。由于碳化硅晶片约占半导体器件成本的50%，上游材料直接决定了下游器件和芯片的质量。任何生长条件的波动都可能导致晶型杂乱、错位以及各种结晶缺陷等质量问题。
当时，天岳先进的技术团队几乎全年无休地在企业内“封闭”研发，天天吃住在车间，每隔几个小时就到车间检测数据，寻找不同温度、压强、气氛等条件与晶体生长质量的关联，反复试错。
每台长晶炉的温度高达2300℃以上，一旦运行就不能中途熄灭，每天的运行成本就是一笔不小的开支。此外，碳化硅晶体的硬度仅次于金刚石，莫氏硬度高达9.2（钢的硬度在4到5之间），既硬又脆，是所有半导体材料中最难切割的。如果长晶过程中温度控制不均匀，切割时极易开裂。有时，长时间生长而成的晶体柱可能因一次切割失误而全部报废，给企业带来巨大损失。
晶片抛光需要使表面达到纳米级平整度，并在超净环境中进行，以防止空气中的微粒划伤晶片表面。天岳先进建立了超净室，并制定了一整套严格的作业制度，以确保降低缺陷。
碳化硅工艺条件极度苛刻，高温下多因素相互作用导致材料缺陷众多。实现规模化、低缺陷、高品质、低成本生产是一个世界性难题。宗艳民说：“我们对缺陷的表征方法和控制手段进行了反复研究，攻克了一个个技术难关，已经可以规模化提供低缺陷高品质衬底，大幅提高了生长效率和良品率，对下游品质的提升和成本控制都有很好的帮助。”
最终，天岳先进在2012年突破了2英寸碳化硅技术，2015年开始量产4英寸碳化硅技术，2017年实现了6英寸碳化硅技术的突破，至今已经开始8英寸导电型衬底的产业化生产。
市场的爆发
芯片半导体产业遵循摩尔定律——半导体上的晶体管数量每18个月增加一倍，性能也提升一倍。这注定该产业中的企业需要持续投入、不停奔跑。
从2英寸、4英寸、6英寸到8英寸，不同尺寸的晶体制备难度相差甚远。以2英寸和6英寸为例，6英寸面积控制的原子数量是2英寸的9倍。这就像一个40×40方阵人数只比20×20的多了4倍，但要将其训练得同样整齐划一，难度却远不止增加了4倍。
十多年间，天岳先进一直保持高强度的研发投入。2020年以来，研发费用率始终维持在10%以上，2022年达到30.6%。截至2023年6月末，天岳先进累计获得境内发明专利授权152项，境外发明专利授权12项。2019年，天岳先进获国家科技进步一等奖，入选了工信部专精特新“小巨人”名单，并被评为国家单项冠军企业。
半导体市场历来是赢者通吃，头部企业占据了行业的绝大多数份额。当国内企业的技术不成熟、产品质量不稳定时，国内为数不多的客户也倾向于采购国外企业的产品。产量小、应用场景少，反过来又会限制技术成熟度。
真正让天岳先进获得市场推崇和创新回报的是在公司成立7年后。2018年国际贸易再起波澜，半导体产业各环节产品均被列入禁运目录。彼时国内企业和科研机构突然遭遇外部断供。
2018年12月，中央经济工作会议提出，加强人工智能、工业互联网、物联网等新型基础设施建设。它们有着共同的需求——芯片。半导体产业也随之从少人问津变得炙手可热。
碳化硅曾被美国《财富》杂志列为“改变未来世界的材料”，制成的半导体器件具有效率更高、输出功率更大、系统尺寸更小等诸多优势。碳化硅半导体制作的照明灯具，耗能是白炽灯的十分之一，寿命却超出十倍；可以让通信基站覆盖范围增加数倍；可使电力电子器件体积缩小四分之三，能耗降低一半，实现电动汽车轻量化等等。
半导体芯片的极度短缺也导致市场价格飙升，一颗汽车半导体芯片的价格一度暴涨近百倍仍不可得。一时间，各路资本蜂拥而至，各地项目纷纷上马，仅芯片材料的入局者就多达数十家。但真正能拿出成熟产品的企业凤毛麟角。
2019年8月，华为旗下哈勃科技投资股份有限公司入股天岳先进，持股10%，成为其第二大股东。后来，天岳先进IPO前的数轮融资，哈勃投资仍以7.0493%的持股，跻身第四大股东。
国内市场的爆发，使天岳先进开始收获持续研发创新的回报。根据招股说明书，2018年度、2019年度及2020年度，天岳先进的销量分别为11397片、19492片、38866片；营业收入连年翻番，分别为1.36亿元、2.69亿元、4.25亿元。与此同时，济南市展开了新旧动能转换的变革，政府给予天岳先进在技术创新、招引人才等方面诸多补贴和奖励政策。
随着销量的增加、收入的提高、应用场景的扩展，企业可投入更多资金进行研发，更快地催熟技术、催生市场规模。
宗艳民称，碳化硅材料是否存在缺陷是影响良率和成本的关键因素，天岳先进将继续在缺陷管理方面加大基础性技术研发。同时，随着终端应用的不断扩大，衬底规模化生产之后有望进一步降低成本。
创新的回报
碳化硅晶片分为半绝缘与导电型两个细分应用领域。半绝缘型可制成微波器件，应用于5G通讯、物联网、人工智能等领域；导电型则可制成电子电力器件，应用于电动汽车、充电桩、轨道交通及特高压、大功率照明等领域。
据市场研究机构Yole发布的报告，2020年天岳先进在半绝缘型碳化硅市场销量已跃居全球第三，占据全球市场30%的份额。与美国贰陆公司（35%）、CREE公司（32%）形成了三分天下的格局。
用于电动汽车、充电桩等领域的导电型产品市场前景更大。根据三菱集团测算，第三代半导体技术的应用有助于电动汽车轻量化，可使体积减小44%、功率增加78%、续航里程增加14.7%。丰田、特斯拉等汽车厂商已开始使用碳化硅功率器件。
从数据上看，一辆传统燃油车大致需要100个—200个芯片，电动车的芯片数量要翻一倍，而一辆智能化水平较高的纯电动汽车需要800个—1000个芯片。比亚迪集团董事长王传福曾在2021广州车展开幕式上说，由于芯片短缺，全球约有700万辆电动车未能生产。未来智能车对芯片的需求更大。
根据商业咨询服务商IHSMarkit数据，受新能源汽车庞大需求的驱动，预计到2027年碳化硅材料制成的半导体器件的市场规模将超过100亿美元，2020年—2027年复合增速近50%。
此前，天岳先进已经开始向包括电动汽车在内的导电型市场转型。面对激增的市场需求，2022年1月天岳先进在科创板首发上市，募集资金35.58亿元，投建了一个30万片导电型衬底产能的新工厂，这将成为该公司导电型产品的主要生产基地。新工厂于2023年5月投产，产能和产量持续爬坡，目前已达30万片导电型衬底的产能规划。
十多年间，天岳先进从零开始，一路追赶。尽管与行业龙头仍有差距，但天岳先进在全球市场已占有一席之地，成为包括英飞凌、博世等海外头部企业的主要供货商，全球前十大功率半导体企业超过一半都是其客户。其导电型衬底产品在国际市场占有率位居全球第二，半绝缘衬底产品占有率连续4年位居全球前三。
尽管当下这一领域入局者众多，但能够提供成熟产品的企业寥寥无几。天岳先进多年的布局此时正进入收获期。在2023年年报中，天岳先进营业收入达 12.51亿元，较去年同比增长199.9%，连续七个季度保持了营业收入的增长。
目前全球第三代半导体业整体处于起步阶段，并且在加速发展。“从我们掌握的信息来看，包括博世、英飞凌等企业的扩产速度和布局力度都非常大，未来整个产业都将进入高速成长期。我们还是要加大技术研发，迎接蓝海市场到来。”宗艳民说。
这是一场“越野马拉松”，竞争者需要一步不停地奔跑。它并非只有一个赛道，企业既要追赶前方的外资龙头，也要随时警惕越来越多新加入者从捷径超越。“民营企业只有创新才有出路。中国不仅需要华为这样的大企业，每个细分领域都需要一批善于创新的专精特新企业去推动产业的发展。”回顾十余年的创新历程，宗艳民认为，过去的民营企业的创新普遍缺乏自信心，多数是在效仿别人、挣快钱。但天岳先进选择从零开始，坚持自主研发，时刻保持开放的视野和心态，与国际接轨，最终突破了第三代半导体材料的核心技术。
2024年，中国正展开一场声势浩大的发展新质生产力的变革，科技创新是其中的主导力量。
说起创新，宗艳民一再强调：“中国的民营企业要树立创新的自信，只要敢于创新、善于创新，重视人才与技术，就一定能取得相应的成果，获得创新的回报。”