近年來，新能源汽車、充電樁、智能裝備制造、光伏新能源等新興應(yīng)用領(lǐng)域成為功率半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的持續(xù)增長(zhǎng)點(diǎn)，SiC?MOSFET 和 IGBT 等功率半導(dǎo)體獲得了前所未有的關(guān)注。

在全球碳化硅功率市場(chǎng)高景氣的背景下，供應(yīng)不足是目前碳化硅產(chǎn)業(yè)發(fā)展的首要問題，于是擴(kuò)產(chǎn)放量成為了整個(gè)行業(yè)的共識(shí)，國(guó)內(nèi)外大廠都在爭(zhēng)先恐后的投資擴(kuò)產(chǎn)。

英飛凌要在2030年占據(jù)全球30%的碳化硅市場(chǎng)份額；安森美計(jì)劃將碳化硅晶圓產(chǎn)能擴(kuò)大4倍；羅姆則打算到2025年碳化硅產(chǎn)能增至2021年時(shí)的6倍；Wolfspeed更是想到2026年實(shí)現(xiàn)導(dǎo)電型襯底的產(chǎn)能超百萬片；國(guó)內(nèi)企業(yè)同樣激進(jìn)，據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，如今至少有超40個(gè)碳化硅項(xiàng)目在建設(shè)，包括了襯底、外延和器件、模塊等環(huán)節(jié)，國(guó)內(nèi)碳化硅產(chǎn)業(yè)鏈正在加速完善、成長(zhǎng)。

雖然碳化硅產(chǎn)能擴(kuò)建一片紅紅火火，但想要大規(guī)模起量乃至獲得高額收益，至少要等到2025年以后了，如今都不過是在燒錢布局罷了，最先從中受益的反而是設(shè)備廠商，由于碳化硅的擴(kuò)建擴(kuò)產(chǎn)，相關(guān)設(shè)備市場(chǎng)皆呈現(xiàn)供不應(yīng)求的狀態(tài)，Insemi預(yù)計(jì)2025年碳化硅襯底規(guī)劃產(chǎn)能達(dá)636.2萬片，對(duì)應(yīng)約200億的設(shè)備總市場(chǎng)空間。

碳化硅產(chǎn)業(yè)鏈可以分為襯底、外延、芯片、封裝四個(gè)環(huán)節(jié)，其中襯底占總成本達(dá)47%，外延占比23%，上游襯底和外延加起來占了70%的成本，這兩個(gè)環(huán)節(jié)的專業(yè)性都非常強(qiáng)，對(duì)相關(guān)技術(shù)和設(shè)備的要求很高，是影響碳化硅產(chǎn)能上限的決定性因素。

過去很長(zhǎng)一段時(shí)間，這些關(guān)鍵設(shè)備都嚴(yán)重依賴進(jìn)口，近年來在市場(chǎng)需求的拉動(dòng)下，國(guó)產(chǎn)碳化硅設(shè)備發(fā)展迅速，“卡脖子”現(xiàn)象得到明顯緩解，設(shè)備的國(guó)產(chǎn)化有利于推動(dòng)碳化硅成本的下降，提高國(guó)內(nèi)企業(yè)的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力，加速追趕上國(guó)際先進(jìn)水平，下面艾邦半導(dǎo)體就詳細(xì)分析襯底、外延相關(guān)設(shè)備的國(guó)產(chǎn)化進(jìn)展。

長(zhǎng)晶爐實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)替代，切磨拋設(shè)備仍需發(fā)力

碳化硅襯底制備目前主要以高純碳粉、硅粉為原料合成碳化硅粉，采用物理氣相傳輸法（PVT 法），在單晶爐中生長(zhǎng)成為晶體，隨后碳化硅晶體經(jīng)過切片、研磨、拋光、清洗等步驟制成單晶薄片作為襯底。

碳化硅晶體的制備有兩大難點(diǎn)，其一是碳化硅晶棒生長(zhǎng)速度慢，約2cm的晶棒需要7-10天的生長(zhǎng)時(shí)間；其二是碳化硅晶體生長(zhǎng)對(duì)各種參數(shù)要求高，需要精確控制硅碳比、生長(zhǎng)溫度梯度等參數(shù)，并且生長(zhǎng)過程很難監(jiān)控，對(duì)工藝要求非常高。

基于上述情況，如今碳化硅晶體制備難點(diǎn)更在于工藝而非設(shè)備本身，碳化硅長(zhǎng)晶爐與傳統(tǒng)硅晶有相同性，結(jié)構(gòu)不算復(fù)雜，單價(jià)不到100萬/臺(tái)，已經(jīng)基本實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)化，而工藝上每家襯底廠商都有細(xì)微差別，也是核心技術(shù)所在，因此許多襯底廠商都選擇自研長(zhǎng)晶設(shè)備，讓工藝與設(shè)備更加契合，當(dāng)然也有部分廠商選擇外購模式。

目前國(guó)內(nèi)的碳化硅長(zhǎng)晶爐設(shè)備供應(yīng)商主要有北方華創(chuàng)和晶升股份，兩者在國(guó)內(nèi)占有的份額超過70%，考慮到與工藝的契合性，襯底廠商一般不輕易改變長(zhǎng)晶爐的購買渠道，其他企業(yè)想要插入進(jìn)來并不容易，不過如今碳化硅產(chǎn)業(yè)瘋狂擴(kuò)產(chǎn)或有新的機(jī)遇。

圖源：北方華創(chuàng)

切割是碳化硅襯底制備的首要關(guān)鍵工序，決定了后續(xù)研磨、拋光的加工水平，成本能占到50%以上，這是因?yàn)樘蓟鑼儆谟操|(zhì)材料，硬度僅比金剛石低，切割難度非常大，目前主流的工藝是線鋸切割，也有一些廠商在試驗(yàn)激光切割。

目前碳化硅切割設(shè)備主要被日本高鳥壟斷，占據(jù)了70%以上的份額，在連續(xù)收到訂單的情況下，交付時(shí)間已延長(zhǎng)到13-14個(gè)月，為了應(yīng)對(duì)更多的訂單需求，高鳥已與中國(guó)公司和日本本土公司簽訂了聯(lián)盟協(xié)議，將在中國(guó)建立生產(chǎn)工廠。

國(guó)內(nèi)企業(yè)上機(jī)數(shù)控此前表示，公司在碳化硅切割領(lǐng)域取得了較大突破，自行研發(fā)的碳化硅切片設(shè)備獲得成功，開辟了“碳化硅設(shè)備國(guó)產(chǎn)替代進(jìn)口”的先河，在國(guó)產(chǎn)碳化硅切片機(jī)市場(chǎng)占有率超90%。

宇晶股份近日在調(diào)研中表示，公司加大對(duì)碳化硅切、磨、拋關(guān)鍵技術(shù)的攻克，設(shè)備的精度已經(jīng)達(dá)到行業(yè)一流水平，公司生產(chǎn)的碳化硅切割、研磨、拋光設(shè)備主要用于加工單晶碳化硅拋光片，目前公司生產(chǎn)的碳化硅切、磨、拋設(shè)備已實(shí)現(xiàn)批量銷售。

高測(cè)股份主要從事高硬脆材料切割設(shè)備和切割耗材的研發(fā)、生產(chǎn)和銷售，今年5月稱，公司已有30 余臺(tái)來自碳化硅襯底企業(yè)的訂單，推出的8寸碳化硅金剛線切片機(jī)也在上半年已形成批量訂單。

今年6月，力凱數(shù)控表示最新研發(fā)的DA300碳化硅多線切割機(jī)已達(dá)成10臺(tái)意向訂單，預(yù)計(jì)銷售額達(dá)3000萬元，據(jù)悉，該切割機(jī)收放線輪運(yùn)轉(zhuǎn)速度可實(shí)現(xiàn)2400米/分鐘，采用硅料向下進(jìn)給方式，伺服同步控制線網(wǎng)進(jìn)行高速切割，可實(shí)現(xiàn)8小時(shí)切割一刀，一次性產(chǎn)出100片晶片。

實(shí)際上，國(guó)內(nèi)外碳化硅切磨拋環(huán)節(jié)技術(shù)路線差距并不大，主要還在設(shè)備的精度和穩(wěn)定性上，這對(duì)襯底加工的效率和產(chǎn)品良率有關(guān)鍵影響，目前國(guó)內(nèi)企業(yè)相比國(guó)外還有差距，因此碳化硅切磨拋裝備仍以進(jìn)口為主，導(dǎo)致國(guó)內(nèi)廠商生產(chǎn)成本居高不下，碳化硅切磨拋設(shè)備的國(guó)產(chǎn)替代需求迫切，還需相關(guān)廠商共同努力。

外延設(shè)備壁壘較高，國(guó)產(chǎn)替代空間巨大

在碳化硅晶體的生長(zhǎng)過程中，會(huì)不可避免地產(chǎn)生缺陷、引入雜質(zhì)，因此碳化硅襯底無法直接使用，需要在其上生長(zhǎng)一層薄膜來加工，這就是外延層，所有的器件基本上都是在外延上實(shí)現(xiàn)的，處于承上啟下的關(guān)鍵位置，而外延的品質(zhì)和設(shè)備息息相關(guān)，決定著后續(xù)芯片器件產(chǎn)品的質(zhì)量和良率問題。

外延環(huán)節(jié)技術(shù)壁壘相對(duì)較高，對(duì)第三方廠商成熟設(shè)備具有較強(qiáng)依賴性，目前碳化硅外延設(shè)備由德國(guó)的Aixtron、意大利的LPE、日本的TEL和?Nuflare所壟斷，占據(jù)了超80%的市場(chǎng)份額，四家企業(yè)也有各自的特點(diǎn)，Aixtron的設(shè)備產(chǎn)能較大，LPE的單片機(jī)生長(zhǎng)速率快，TEL和Nuflare的設(shè)備采用雙腔體工藝，對(duì)提高產(chǎn)量有一定的作用。

在碳化硅的擴(kuò)產(chǎn)潮下，如今外延設(shè)備產(chǎn)能非常緊缺，國(guó)內(nèi)企業(yè)想要購買更為不易，日本TEL一般不供應(yīng)國(guó)內(nèi)，Nuflare也多數(shù)交付給Wolfspeed和II-VI，Aixtron和LPE的產(chǎn)品也有英飛凌、羅姆等一眾巨頭在搶購，一系列因素讓碳化硅外延設(shè)備交付周期甚至能拉長(zhǎng)到2年，實(shí)現(xiàn)外延設(shè)備國(guó)產(chǎn)化刻不容緩。

現(xiàn)階段，國(guó)內(nèi)已有多家企業(yè)實(shí)現(xiàn)了對(duì)碳化硅外延設(shè)備的規(guī)模出貨，包括晶盛機(jī)電、北方華創(chuàng)、納設(shè)智能、中電科48所等。

今年2月，晶盛機(jī)電發(fā)布了6英寸雙片式SiC外延設(shè)備，該設(shè)備采用上下層疊加的方式，單爐可以生長(zhǎng)兩片外延片，且上下層工藝氣體可以單獨(dú)調(diào)控，溫差≤5℃，有效彌補(bǔ)了單片水平式外延爐產(chǎn)能不足的劣勢(shì)。晶盛機(jī)電三季度財(cái)報(bào)顯示，前三季度歸母凈利潤(rùn)達(dá)35.1億元，同比增長(zhǎng)75%，主要系設(shè)備驗(yàn)收順利+材料持續(xù)放量增厚業(yè)績(jī)，截至三季度末，公司存貨為156億元，同比增長(zhǎng)37%，合同負(fù)債為111億元，同比增長(zhǎng)42%，表明公司在手訂單充沛。

北方華創(chuàng)此前在調(diào)研中表示，目前公司包括外延爐等碳化硅設(shè)備在手訂單充足，已實(shí)現(xiàn)近200臺(tái)的銷售，占據(jù)市場(chǎng)半壁江山。北方華創(chuàng)三季度財(cái)報(bào)顯示，報(bào)告期內(nèi)實(shí)現(xiàn)營(yíng)業(yè)收入145.9億元，同比增長(zhǎng)45.7%，其中電子工藝裝備收入129億元，同比增長(zhǎng)63.43%；截至三季度末，公司存貨和合同負(fù)債分別為173和94億元，環(huán)比上季度增長(zhǎng)4%和9%，反映公司新簽訂單較好。

納設(shè)智能在2022年2月成功出廠了高溫化學(xué)氣相沉積設(shè)備，同年11月，其SiC外延爐就獲得了國(guó)內(nèi)廠商數(shù)十臺(tái)復(fù)購訂單，今年8月，納設(shè)智能表示，公司已累計(jì)獲得10+個(gè)客戶超過 150臺(tái) 6吋SiC外延設(shè)備訂單，訂單金額累計(jì)數(shù)億元。

中電科48所是國(guó)內(nèi)最早實(shí)現(xiàn)SiC外延設(shè)備批量出貨的廠商之一，據(jù)早先消息，在6英寸SiC外延機(jī)型方面，中電科48所收獲了國(guó)內(nèi)第三代半導(dǎo)體裝備行業(yè)的第一大訂單；今年10月，中電科48所表示，在連續(xù)數(shù)月實(shí)現(xiàn)月產(chǎn)20臺(tái)套產(chǎn)能驗(yàn)證后，制造部汲取批產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，及時(shí)調(diào)整裝調(diào)節(jié)奏、優(yōu)化生產(chǎn)管理，順利完成20臺(tái)套SiC外延設(shè)備的產(chǎn)出及發(fā)貨。

碳化硅降本勢(shì)在必行，相比于6英寸，8英寸碳化硅晶圓的邊緣損耗更小、可利用面積更大，未來通過產(chǎn)量和規(guī)模效益的提升，成本有望降低50%以上，如今8英寸的碳化硅襯底和外延材料量產(chǎn)已呼之欲出，事實(shí)上今年我國(guó)已進(jìn)入“8英寸時(shí)代”，各大設(shè)備公司接連發(fā)布8英寸設(shè)備研發(fā)成功的消息。

今年6月，中電科48所發(fā)布了自主研發(fā)的8英寸SiC外延設(shè)備，該設(shè)備實(shí)現(xiàn)了大尺寸外延材料生長(zhǎng)所需的均勻、穩(wěn)定溫流場(chǎng)分布，目前已在國(guó)內(nèi)頭部企業(yè)上線驗(yàn)證。同樣6月，晶盛機(jī)電發(fā)布8英寸單片式碳化硅外延生長(zhǎng)設(shè)備，該設(shè)備可兼容6、8英寸碳化硅外延生產(chǎn)，外延的厚度均勻性1.5%以內(nèi)、摻雜均勻性4%以內(nèi)，達(dá)到行業(yè)領(lǐng)先水平；8月，納設(shè)智能成功研制8英寸碳化硅外延設(shè)備，目前已交付客戶進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證。

伴隨著對(duì)碳化硅外延片國(guó)產(chǎn)化的強(qiáng)烈市場(chǎng)需求，經(jīng)過多年發(fā)展，國(guó)內(nèi)企業(yè)在6英寸碳化硅外延生長(zhǎng)爐上已經(jīng)實(shí)現(xiàn)逐步放量，并開始延展至對(duì)8英寸外延設(shè)備的驗(yàn)證，發(fā)展速度較快，有望趕上即將到來的8英寸碳化硅時(shí)代機(jī)遇。

綜合來看，國(guó)內(nèi)碳化硅關(guān)鍵設(shè)備產(chǎn)業(yè)已經(jīng)逐步發(fā)力，大部分設(shè)備類型都已有國(guó)產(chǎn)替代方案，在碳化硅產(chǎn)業(yè)爆發(fā)的情況下，未來碳化硅設(shè)備市場(chǎng)也將不斷增大，預(yù)計(jì)此輪利好將持續(xù)2-3年，在此期間碳化硅設(shè)備需求將持續(xù)增長(zhǎng)，將為國(guó)內(nèi)設(shè)備廠商帶來巨大的發(fā)展機(jī)遇，同時(shí)大尺寸設(shè)備的研發(fā)推進(jìn)以及國(guó)產(chǎn)替代步伐的加快，也讓碳化硅增產(chǎn)降本指日可待，推動(dòng)碳化硅器件的規(guī)?；瘧?yīng)用。

參考資料：

1、【申萬宏源】碳化硅：國(guó)內(nèi)襯底廠商加速布局

2、楊?金等.第三代半導(dǎo)體SiC芯片關(guān)鍵裝備現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)

原文始發(fā)于微信公眾號(hào)（艾邦半導(dǎo)體網(wǎng)）：2025市場(chǎng)達(dá)200億，碳化硅關(guān)鍵設(shè)備企業(yè)迎歷史機(jī)遇