新能源汽車?yán)瓌?dòng)SiC第三代半導(dǎo)體上車：襯底與外延環(huán)節(jié)的材料，設(shè)備國(guó)產(chǎn)化機(jī)遇

新能源汽車和光伏發(fā)電領(lǐng)域是SiC器件主要應(yīng)用場(chǎng)景。

（1）新能源汽車：SiC器件主要應(yīng)用在PCU（動(dòng)力控制單元，如車載DC/DC）和OBC（充電單元），相比于Si器件，SiC器件可減輕PCU設(shè)備的重量和體積，降低開關(guān)損耗，提高器件的工作溫度和系統(tǒng)效率；OBC充電時(shí)，SiC器件可以提高單元功率等級(jí)，簡(jiǎn)化電路結(jié)構(gòu)，提高功率密度，提高充電速度。

（2）光伏發(fā)電領(lǐng)域：SiC材料具有更低的導(dǎo)通電阻、柵極電荷和反向恢復(fù)電荷特性，使用SiC-Mosfet或SiC-Mosfet與SiC-SBD結(jié)合的光伏逆變器，可將轉(zhuǎn)換效率從96%提升至99% +，能量損耗降低50% +，設(shè)備循環(huán)壽命提升50倍。

新能源汽車是未來(lái)第一大應(yīng)用市場(chǎng)。2027年全球?qū)щ娦蚐iC功率器件市場(chǎng)規(guī)模有望達(dá)63億美元，2021-2027年CAGR達(dá)34%；2027年新能源汽車導(dǎo)電型SiC功率器件市場(chǎng)規(guī)模有望達(dá)50億美元，占比高達(dá)79%。

SiC的主要器件和廣泛應(yīng)用場(chǎng)景

2027年導(dǎo)電型SiC器件市場(chǎng)規(guī)模

?SiC產(chǎn)業(yè)鏈包括襯底-外延-器件-應(yīng)用，70%價(jià)值集中在襯底&外延

碳化硅器件產(chǎn)業(yè)鏈主要包括襯底、外延、器件制造（設(shè)計(jì)、制造、封測(cè)）三大環(huán)節(jié)。從工藝流程上看，首先由碳化硅粉末通過(guò)長(zhǎng)晶形成晶碇，然后經(jīng)過(guò)切片、打磨、拋光得到碳化硅襯底；襯底經(jīng)過(guò)外延生長(zhǎng)得到外延片；外延片經(jīng)過(guò)光刻、刻蝕、離子注入、沉積等步驟制造成器件。

SiC產(chǎn)業(yè)鏈70%價(jià)值量集中在襯底和外延環(huán)節(jié)。碳化硅襯底、外延成本分別占整個(gè)器件的47%、23%，合計(jì)約70%，后道的器件設(shè)計(jì)、制造、封測(cè)環(huán)節(jié)僅占30%。這與硅基器件成本構(gòu)成截然不同，硅基器件生產(chǎn)成本主要集中在后道的晶圓制造約50%（碳化硅器件制造也包含晶圓制造，但成本占比相對(duì)較?。?，襯底成本占比僅為7%。SiC產(chǎn)業(yè)鏈價(jià)值量倒掛的現(xiàn)象說(shuō)明上游襯底廠商掌握著核心話語(yǔ)權(quán)，是國(guó)產(chǎn)化突破的關(guān)鍵。

SiC產(chǎn)業(yè)鏈：襯底-外延-器件-應(yīng)用

?襯底：導(dǎo)電型Wolfspeed一家獨(dú)大，絕緣型天岳先進(jìn)入圍前三

海外龍頭起步較早，長(zhǎng)期壟斷SiC襯底市場(chǎng)，CR3達(dá)80%。海外龍頭企業(yè)在碳化硅領(lǐng)域起步較早，其中Wolfspeed和Ⅱ-Ⅵ公司在研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化方面領(lǐng)先國(guó)內(nèi)數(shù)十年，例如Wolfspeed/Ⅱ-Ⅵ的6寸半絕緣型碳化硅襯底量產(chǎn)時(shí)間早于國(guó)內(nèi)天岳先進(jìn)15/10年。根據(jù)Yole數(shù)據(jù)，2020年海外廠商的SiC襯底CR3達(dá)78%，其中Wolfspeed市占率45%，羅姆（收購(gòu)SiCrystal）市占率20%，位居第二；國(guó)內(nèi)龍頭天科合達(dá)、天岳先進(jìn)僅為3%、3%。

導(dǎo)電型襯底Wolfspeed一家獨(dú)大，絕緣型襯底天岳先進(jìn)入圍前三。2020年全球?qū)щ娦蚐iC襯底依舊被Wolfspeed、II-VI、羅姆壟斷，CR3高達(dá)90%，其中Wolfspeed市占率高達(dá)62%，一家獨(dú)大；半絕緣型襯底中天岳先進(jìn)表現(xiàn)亮眼，市占率約30%，僅次于全球龍頭II-VI、Wolfspeed的35%、33%。

國(guó)內(nèi)龍頭在8寸襯底均有突破，但產(chǎn)能方面仍有差距。

（1）天岳先進(jìn)已經(jīng)成功研發(fā)6英寸導(dǎo)電型碳化硅襯底，23年5月已經(jīng)實(shí)現(xiàn)6寸襯底交付，處于產(chǎn)量的快速爬坡階段，30萬(wàn)片6寸襯底產(chǎn)能釋放將早于原計(jì)劃的2026年。此外，天岳也實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量8英寸產(chǎn)品的制備。

（2）天科合達(dá)同樣已經(jīng)實(shí)現(xiàn)6英寸導(dǎo)電型碳化硅襯底的量產(chǎn)，2021年徐州生產(chǎn)基地6英寸系列產(chǎn)品產(chǎn)能達(dá)全國(guó)首位，2023年公司計(jì)劃實(shí)現(xiàn)8英寸導(dǎo)電型碳化硅襯底的小規(guī)模量產(chǎn)。

（3）晶盛機(jī)電（晶越）已經(jīng)掌握了6英寸碳化硅的長(zhǎng)晶技術(shù)和晶片加工工藝，預(yù)期產(chǎn)能為40萬(wàn)片/年，此外晶盛機(jī)電已經(jīng)掌握8英寸碳化硅襯底技術(shù)。

國(guó)內(nèi)企業(yè)碳化硅襯底研究進(jìn)展與產(chǎn)能規(guī)劃

碳化硅襯底的生產(chǎn)流程包括長(zhǎng)晶、切片、研磨和拋光四個(gè)環(huán)節(jié)

長(zhǎng)晶：核心環(huán)節(jié)，通過(guò)物理氣相傳輸法（PVT）在高溫高壓的條件下，將碳化硅原料氣化并沉積在種子晶上，形成碳化硅單晶錠。需要精確控制各種參數(shù)，如溫度、壓力、氣流、硅碳比等，以保證晶體的質(zhì)量和純度。

切片：將碳化硅單晶錠沿著一定的方向切割成薄片。由于碳化硅的高硬度和脆性，切割過(guò)程需要使用特殊的工具，如鉆石線或多線切割機(jī)。切割過(guò)程會(huì)造成晶片表面的刀痕和損傷層，需要后續(xù)的研磨和拋光處理。

研磨：去除切割造成的表面缺陷和控制晶片厚度。根據(jù)研磨的目的和精度，可以分為粗磨和精磨兩個(gè)階段。研磨過(guò)程需要使用高硬度的磨料，如碳化硼或金剛石粉。

拋光：提高晶片表面光潔度和平整度。拋光也可以分為粗拋和精拋兩個(gè)階段。粗拋主要采用機(jī)械拋光方式，使用較小粒徑的硬磨料，如B4C或金剛石等。精拋主要采用化學(xué)機(jī)械拋光（CMP）方式，利用化學(xué)腐蝕和機(jī)械磨損協(xié)同作用，實(shí)現(xiàn)晶片表面的全局平坦化

碳化硅襯底生產(chǎn)流程圖

?SiC外延：國(guó)外設(shè)備商主導(dǎo)，未來(lái)2 - 3年有望快速實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)替代

外延工藝必不可少。與傳統(tǒng)硅器件不同，碳化硅器件不能直接制作在襯底上，需要在襯底上生長(zhǎng)一層晶相同、質(zhì)量更高的單晶薄膜(外延層)，再制作器件。外延可分為①同質(zhì)外延：在導(dǎo)電型SiC襯底生長(zhǎng)SiC，常用于低功率器件/射頻器件/光電器件；②異質(zhì)外延：在半絕緣Sic襯底生長(zhǎng)GaN，常用于高功率器件。

外延晶體更優(yōu)質(zhì)可控，層厚越大，耐壓越高。碳化硅晶體生長(zhǎng)的過(guò)程中會(huì)不可避免地產(chǎn)生缺陷、引入雜質(zhì)，導(dǎo)致質(zhì)量和性能不足，而外延層的生長(zhǎng)可以消除襯底中的某些缺陷，使晶格排列整齊。外延厚度越大（難度越大），能承受的電壓越高，一般100V電壓需要1μm厚度外延，600V需要6μm，1200-1700V需要10-15μm，15000V則需要上百微米（約150μm）。

SiC外延分為異質(zhì)/同質(zhì)兩種類型

Sic晶體-襯底-外延-器件-模塊-系統(tǒng)全產(chǎn)業(yè)鏈

外延片：Wolfspeed &昭和電工雙寡頭壟斷，設(shè)備成為最大掣肘

國(guó)外雙寡頭壟斷全球市場(chǎng)，CR2超90%。2020年Wolfspeed與昭和電工分別占據(jù)全球碳化硅導(dǎo)電型外延片市場(chǎng)52%和43%的市場(chǎng)份額，合計(jì)高達(dá)95%，形成雙寡頭壟斷。由于進(jìn)口外延爐供貨短缺+國(guó)內(nèi)外延爐仍需驗(yàn)證+

外延工藝難度大，國(guó)內(nèi)SiC外延廠商較少，市占率較低。

瀚天天成和東莞天域國(guó)內(nèi)CR2超80%。①技術(shù)方面：6寸外延均較為成熟和穩(wěn)定，8寸均有儲(chǔ)備，其中瀚天天成已實(shí)現(xiàn)8寸外延技術(shù)的突破，且具有量產(chǎn)能力；東莞天域正攻克關(guān)鍵技術(shù)，預(yù)計(jì)2025年首條8寸外延產(chǎn)線投產(chǎn)。②產(chǎn)能方面：瀚天天成2022年6寸產(chǎn)能達(dá)12萬(wàn)片，2023年計(jì)劃產(chǎn)能40萬(wàn)片（包括6/8寸），至2025年產(chǎn)能目標(biāo)約140萬(wàn)片；東莞天域2022年6寸產(chǎn)能達(dá)8萬(wàn)片，并且啟動(dòng)年產(chǎn)100萬(wàn)片的6/8寸外延項(xiàng)目，預(yù)計(jì)2025年竣工并投產(chǎn)

國(guó)內(nèi)外碳化硅外延廠商產(chǎn)品/產(chǎn)能布局

外延爐：CVD成本適中&質(zhì)量好&生長(zhǎng)速度快，是主流外延技術(shù)

SiC外延主要設(shè)備是CVD。SiC外延需要嚴(yán)格控制厚度均勻性、摻雜均勻性、缺陷率和生長(zhǎng)速率，方法包括化學(xué)氣相沉積CVD、液相外延LPE、分子束外延MBE等，其中CVD兼?zhèn)涑杀具m中+外延質(zhì)量好+生長(zhǎng)速度快的優(yōu)勢(shì)，應(yīng)用最廣。CVD工藝流程：①利用載氣（H2）將反應(yīng)源氣體（如SiH4/C3H8）輸送到生長(zhǎng)室內(nèi)的熱區(qū)；②氣體達(dá)到被加熱的SiC襯底，反應(yīng)沉積單晶薄膜（外延片）。

MOCVD是新型CVD，沉積溫度更低&沉積層多樣。MOCVD反應(yīng)源是金屬有機(jī)化合物，傳統(tǒng)CVD是無(wú)機(jī)化合物，一般有機(jī)物熔點(diǎn)比無(wú)機(jī)物低，且種類遠(yuǎn)大于無(wú)機(jī)物。因此MOCVD沉積溫度（500-1200℃）顯著低于傳統(tǒng)CVD（900-2000℃），且能在不同襯底上沉積超薄層甚至原子層的特殊結(jié)構(gòu)表面。

CVD制作SiC外延片過(guò)程

外延爐：國(guó)外廠商主導(dǎo)，未來(lái)2-3年有望快速實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)替代

國(guó)內(nèi)外延設(shè)備由國(guó)外廠商主導(dǎo)，國(guó)內(nèi)主打外延設(shè)備以意大利的LPE、德國(guó)的愛(ài)思強(qiáng)、日本的Nuflare產(chǎn)品為主，其MOCVD設(shè)備的核心差異是對(duì)氣體流量的控制：（1）Nuflare：垂直氣流，噴淋頭和托盤距離長(zhǎng)，優(yōu)勢(shì)在于流場(chǎng)均勻、particle少、產(chǎn)能大，缺陷在于設(shè)備成本高（3500萬(wàn)元單腔）、厚度和摻雜的均勻性略差、耗材成本高。（2）LPE：水平氣流，優(yōu)勢(shì)在于價(jià)格適中（1100萬(wàn)元單腔）、生長(zhǎng)速率高、厚度和摻雜的均勻性較好，缺陷在于上壁粒子掉落導(dǎo)致良率偏低、工藝可調(diào)性差、PM周期短、單設(shè)備產(chǎn)能提升難度大。（3）愛(ài)思強(qiáng)：垂直氣流（公轉(zhuǎn)+自轉(zhuǎn)），優(yōu)勢(shì)在于厚度和摻雜的均勻性好，缺陷在于重復(fù)性差（不適用量產(chǎn)）、Particle較多。

未來(lái)2-3年SiC MOCVD設(shè)備國(guó)產(chǎn)替代加速。國(guó)內(nèi)設(shè)備相對(duì)國(guó)外在技術(shù)、成本和性價(jià)比方面具備優(yōu)勢(shì)，在SiC產(chǎn)業(yè)即將迎來(lái)井噴之際，時(shí)間上不允許國(guó)外幾家廠商進(jìn)行大的技術(shù)方案革新或者推倒重來(lái)。我們預(yù)計(jì)接下來(lái)2-3年SiC MOCVD會(huì)出現(xiàn)和LED MOCVD格局類似的演變，即市場(chǎng)上國(guó)產(chǎn)短時(shí)間內(nèi)大量替代國(guó)外設(shè)備。

SiC-CVD設(shè)備進(jìn)展/產(chǎn)能規(guī)劃

?切片：國(guó)內(nèi)激光切割工藝主要設(shè)備供應(yīng)商：大族激光、德龍激光

大族激光作為國(guó)內(nèi)激光廠商龍頭，SiC晶錠激光切片機(jī)已交付驗(yàn)證。大族激光作為國(guó)內(nèi)激光廠商龍頭，具有明顯的體量?jī)?yōu)勢(shì)，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期激烈市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)，激光加工設(shè)備市占率約13%。根據(jù)大族激光2023年7月公司公告，應(yīng)用于第三代半導(dǎo)體的SiC晶錠激光切片機(jī)已經(jīng)交付客戶進(jìn)行驗(yàn)證。

德龍激光專注于高端激光設(shè)備和精細(xì)微加工，是國(guó)內(nèi)唯二SiC切片設(shè)備供應(yīng)廠商。德龍激光走定制化高端路線，憑借多年技術(shù)創(chuàng)新和工藝積累，德龍激光在半導(dǎo)體及光學(xué)領(lǐng)域，與下游知名客戶建立了穩(wěn)定的合作關(guān)系。現(xiàn)有SiC激光切片設(shè)備市場(chǎng)，大族激光為德龍激光唯一競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手，市占份額各占約50%。由于半導(dǎo)體行業(yè)高進(jìn)入壁壘，短期內(nèi)暫無(wú)其他明顯競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手。

?磨拋：高精度要求下設(shè)備呈現(xiàn)寡頭壟斷特點(diǎn)，國(guó)產(chǎn)替代有望加速

SiC行業(yè)中所使用的磨拋設(shè)備均由藍(lán)寶石、硅晶等行業(yè)中的單一設(shè)備所改造延伸而來(lái)，因此廠商眾多。國(guó)外廠商包括日本的秀和工業(yè)、Disco和東京精密，法國(guó)的Soitec，瑞士的梅耶博格，美國(guó)的Applied Materials和Speedfam等；國(guó)內(nèi)廠商包括邁為、特思迪、揚(yáng)帆半導(dǎo)體等。為滿足產(chǎn)業(yè)化需求，切磨拋的全自動(dòng)量產(chǎn)化正在逐步開展。

DISCO是全球半導(dǎo)體制造設(shè)備龍頭，多年專注于晶圓減薄、拋光等領(lǐng)域。產(chǎn)品包括研磨機(jī)（Grinders）、拋光機(jī)（Polishers）、研磨拋光一體機(jī)（Grinder/Polisher）、表面平坦機(jī)（Surface Planer）等；在SiC減薄方面，公司采用4軸磨削和干法拋光以提高產(chǎn)品質(zhì)量。

國(guó)內(nèi)，邁為股份對(duì)標(biāo)Disco所有型號(hào)，國(guó)產(chǎn)化進(jìn)展符合預(yù)期。邁為在2019年立項(xiàng)研磨機(jī)，是國(guó)內(nèi)最早將全自動(dòng)減薄機(jī)推向量產(chǎn)的廠商（23年1月），截至2023年7月，8英寸減薄機(jī)已量產(chǎn)。

DISCO磨拋產(chǎn)品

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