SiC行业深度报告：SiC东风已来

时间: 2024-09-19 12:03:17 |   作者: 新闻中心

  SiC行业概况：第三代半导体材料性能优越，新能源车等场景带动SiC放量

  第一代半导体（间接带隙&窄带隙）：1950年起，以硅（Si）为代表的半导体材料取代了笨重的电子管，推动了 以集成电路为核心的微电子产业快速地发展。硅材料属于间接带隙（电子跃迁至导带时需要改变动量，光利用率 低）且带隙窄（不耐压），适用于低压、低频、中功率集成电路，在光电子领域和高频高功率器件方面受限。

  第二代半导体（直接带隙&窄带隙）：1990年起，以砷化镓（GaAs）、磷化铟（InP）为代表的半导体材料崭露 头角，属于直接带隙且具有相对宽的带隙，载流子速度更快、噪音更低。其适用于制作高速、高频、大功率以 及发光电子器件，但受限于材料本身，难以满足更高功率、更高电压、更高频率的器件需求。

  第三代半导体（直接带隙&宽带隙）：近年来，以氮化镓（GaN）、碳化硅（SiC）为代表的半导体材料备受关 注，直接带隙&宽带隙的物理特性使其具有更高热导率（2倍+）、高击穿场强（~10倍）、高饱和电子漂移速率 （~2倍）等优点，适用于制作高温、高频、高功率器件，在国防、新能源汽车、光伏储能等领域有广泛应用。

  SiC作为第三代半导体材料具备诸多显著优势：（1）耐高压：SiC材料相比于Si材料具备10多倍的击穿场强， 因此能通过更低的电阻率和更薄的漂移层实现更高的击穿电压，相同的耐压值下，SiC功率模块导通电阻/尺 寸仅为Si的1/10，功率损耗大幅度减少。（2）耐高频： SiC材料不存在电流拖尾现象，可提升元件的开关速度， 是硅（Si）开关速度的3-10倍，从而适用于更高频率和更快的开关速度。（3）耐高温：SiC材料具备禁带宽度 大(约Si的3倍)、热导率高(约Si的3.3倍），熔点高(2830℃，约Si-1410℃的两倍)的特点，因此SiC器件在减少电 流泄露的同时大幅度提高工作温度。

  新能源汽车和光伏发电领域是SiC器件主要使用在场景。（1）新能源汽车： SiC器件主要使用在在PCU（动力控制 单元，如车载DC/DC ）和OBC（充电单元），相比于Si器件， SiC器件可减轻PCU设备的重量和体积，降低开 关损耗，提高器件的工作时候的温度和系统效率；OBC充电时，SiC器件能大大的提升单元功率等级，简化电路结构，提高 功率密度，提高充电速度。（2）光伏发电领域： SiC材料具备更低的导通电阻、栅极电荷和反向恢复电荷特性，使用SiC-Mosfet 或SiC-Mosfet 与SiC-SBD 结合的光伏逆变器，可将转换效率从 96% 提升至 99% +，能量损耗降 低 50% +，设备循环寿命提升 50 倍。 新能源汽车是未来第一大应用市场。2027年全球导电型SiC功率器件市场规模有望达63亿美元，2021-2027年 CAGR达34%；2027年新能源汽车导电型SiC功率器件市场规模有望达50亿美元，占比高达79%。

  全球已有多家车企的多款车型使用SiC。2018年特斯拉率先在Model 3上搭载SiC，从此拉开了碳化硅大规模上车序幕，蔚来、 比亚迪、吉利、现代汽车等车企纷纷跟进，特斯拉凭借先发优势以及Model 3、Model Y等主力车型热销，一直是SiC装车的主 力担当。随着比亚迪汉EV、蔚来ES6、理想L9等热门车型的陆续上市，SiC装车量得到逐步扩大。据Clean Technica，2023年 1-5月SiC车型超100万辆。

  从行业趋势看，SiC上车是大势所趋。特斯拉曾在2023年3月初的投资者大会上表示，将减少75%的SiC用量，一度引发SiC未来 发展前途不明的猜测，但近期全世界汽车市场却用实际行动表达了对SiC的支持，如全球第四大汽车集团Stellantis宣布，已与多 家供应商签订包括SiC在内的半导体合作协议，总价值超80亿元；博格华纳向安森美SiC产品下定金额超72亿元；瑞萨电子也与 Wolfspeed签署了一份为期10年的碳化硅晶圆供应协议等。

  SiC衬底：材料端良率提升是关键，设备端生长、切片、研磨抛光各环节国产化率逐步提升

  从电化学性质差异来看，碳化硅衬底可以被分为导电型和半绝缘型。半绝缘型电阻率较高（电阻率≥105Ω·cm），不易导电，耐高压；导电型电阻率较低（电阻率区间为15~30mΩ·cm），导电能力强，根据导电类型可以进一 步分成N型（空穴导电）或者P型（电子导电）半导体。半绝缘型SiC衬底+ GaN外延，大多数都用在制造射频器件， 应用于5G通讯等领域； 导电型SiC衬底+ SiC外延，主要用来制造功率器件，应用于新能源汽车等领域。

  大尺寸衬底有效摊薄成本，成为行业趋势。目前碳化硅衬底主流尺寸是4/6寸，其中半绝缘型碳化硅衬底以4寸 为主，导电型碳化硅衬底以6寸为主。大尺寸可以摊薄单位芯片的成本，当衬底从6寸扩大到8寸时，可切割出 的碳化硅芯片(32mm2 )数量有望从448颗增加到845颗，增加了75%。目前国际上有突出贡献的公司的碳化硅衬底正从6寸 往8寸发展，国际龙头Wolfspeed、II-VI以及国内龙头天岳先进等都已成功研发8英寸衬底产品。

  碳化硅单晶炉的长晶方式（晶体制备方法）最重要的包含物理气相传输（Physical Vapor Transport, PVT）、高温 化学气相积淀（HTCVD）及液相外延（LPE）。 （1）物理气相传输（PVT）是最成熟的制备方法。由于设备简单，操作易控制，运行成本低等优点，国外厂商 Wolfspeed、II-VI、SiCrystal，国内厂商天岳先进、天科合达、晶盛机电均选择PVT法制备碳化硅晶体。 （2）HTCVD法的主要技术挑战是沉积温度的控制。HTCVD法生长晶体纯度较高、可实现近匀速晶体生长，但良 率较低、长晶成本比较高。瑞典的Norstel和日本电装公司采用HTCVD方法。 （3）LPE法的主要技术挑战是生长速率和结晶质量的平衡。LPE法生长的晶体质量高、缺陷密度低，但其生长速 度缓慢、生长长度受限。日本的住友金属公司采用LPE方法。

  SiC衬底加工精度直接影响器件性能，要求SiC晶片表面超光滑、无缺陷、无损伤。SiC单晶的工艺流程主要分 为切片、研磨和抛光，其中切割是SiC衬底加工的第一道工序，对后续衬底外延以及晶圆制造至关重要。

  SiC的硬度仅次于金刚石，属于高硬脆材料，切割难度大。切片容易在晶片表面和亚表面产生裂纹损伤，影响 后道工艺的开展，因此对WARP（翘曲）、BOW（弯曲）、TTV（总厚度偏差）等精度控制要求很高。

  线锯切割是主流技术。切割技术最重要的包含传统锯切、线锯切割、激光切割、冷分离和电火花切片等，其中传 统锯切（如内圆锯片、金刚石带锯）切缝大、材料损耗多，不适用于SiC晶体切割；激光切割通过激光在晶体 内部形成改性层，从碳化硅晶体上剥离出晶片，断面质量好&切割效率高，产品处于下游验证阶段；冷分离将 激光聚焦在材料内部形成改质层，通过冷冻胶使材料收缩从而分离晶片，几乎无材料损耗且加工效率高，但 存在光束能量均匀性问题；线锯切割技术成熟，出片率较高，速度较快，成本便宜，是主流切割技术。

  切片会使晶圆表面损伤，而衬底表面的缺陷和划伤会在外延生长过程中延伸到外延层，形成外延缺陷进而 应县器件的良率，磨削或研磨环节的目的是对SiC晶片表明上进行前期加工，提高表面上的质量，获得相对平整的 待抛光表面。研磨是在刚性研具上注入磨料，在一定的压力下，通过工件与研具之间的相对滑动，并通过 磨粒的微切削去除方式使被加工材料的表面脱落，来提升工件的形状精度、尺寸和降低材料的表面粗糙 度的一种精密加工方法。

  SiC 单晶衬底研磨采用金刚石研磨液进行研磨，可分为两道工艺：粗磨和精磨。粗磨是为了更好的提高加工效率并 去除由多线切割引起的刀痕和变质层，使用粒径较大的磨粒；精磨是为了去除由粗磨造成的加工损伤层， 改善表面粗糙度，使用粒径较小的磨粒。

  研磨有单面研磨和双面研磨两种方式，双面研磨能更好的改善SiC衬底的翘曲度与平面度。磨削和单面研磨 一次只能磨削衬底的一个面，而双面研磨具有上、下两个研磨盘，可以同时研磨衬底的两个面。磨削或单 面研磨过程中，衬底用蜡粘在钢盘上，由于施加压力前后衬底发生微变形，造成上下表面发生翘曲变形， 平面度变差。双面研磨时，研磨盘首先施压工件最高点，使该处发生变形并逐渐被磨平，高点被逐渐磨平 后，衬底所受压力逐渐减小，衬底均匀受力，使各处变形一致，去除压力后翘曲变形也很小。

  外延工艺必不可少。与传统硅器件不同，碳化硅器件不能直接制作在衬底上，需要在衬底上生长一 层晶相 同、质量更高的单晶薄膜(外延层) ，再制作器件。外延可分为①同质外延：在导电型SiC衬底生长SiC，常用 于低功率器件/射频器件/光电器件；②异质外延：在半绝缘Sic衬底生长GaN，常用于高功率器件。

  外延晶体更优质可控，层厚越大，耐压越高。碳化硅晶体生长的过程中会不可避免地产生缺陷、引入杂质， 导致质量和性能不足，而外延层的生长可以消除衬底中的某些缺陷，使晶格排列整齐。外延厚度越大（难度 越大），能承受的电压越高，一般100V电压需要1μm厚度外延，600V需要6μm，1200-1700V需要10-15μm， 15000V则需要上百微米（约150μm）。

  SiC外延主要设备是CVD。 SiC外延需要严控厚度均匀性、掺杂均匀性、缺陷率和生长速率，方法有 化学气相沉积CVD、液相外延LPE、分子束外延MBE等，其中CVD兼备成本适中+外延质量好+生长速度快的 优势，应用最广。CVD工艺流程：①利用载气（H2）将反应源气体（如SiH4/C3H8 ）输送到生长室内的热区； ②气体达到被加热的 SiC 衬底，反应沉积单晶薄膜（外延片）。

  MOCVD是新型CVD，沉积温度更低&沉积层多样。MOCVD反应源是金属有机物，传统CVD是无机化 合物，一般有机物熔点比无机物低，且种类远大于无机物。因此MOCVD沉积温度（ 500-1200℃ ）明显低于 传统CVD（ 900-2000℃ ），且能在不同衬底上沉积超薄层甚至原子层的特殊结构表面。

  SiC晶圆硬度高、脆性大、韧性低，传统晶圆机械切割易引起较多缺 陷。传统机械切割（砂轮）方法是最常见的晶圆划片方法，刀片可根 据产品选择。而SiC晶圆莫氏硬度分布在9.2-9.6，高硬度、高脆性、低 断裂韧性使得其磨削工艺流程中易引起材料的脆性断裂，切割槽的背 面有可能会出现崩刃，裂纹，崩边大，层状剥离等缺陷。极度影响良品率， 降低了产能效益，增加生产成本。

  通过激光开槽工艺，先行在切划道内开2条细槽，再采用机械刀片划片，有效减小崩边等因素来带的缺陷。 日本DISCO针对SiC晶圆难以使用普通金刚石刀片进行划切加工的问题，开发了一种激光开槽加工工艺。先 在切割道内切开2条细槽(开槽)，然后再使用磨轮刀片在2条细槽的中间区域实施全切割加工。通过采用该项 加工工艺，可提升生产效率，减少甚至解决因崩裂、分层(薄膜剥离)等不良因素造成的加工质量问题。

  晶盛机电：碳化硅外延设备+衬底双轮驱动，打开公司新成长曲线寸外延设备市占率国内第一，2023年国内首发8寸单片式SiC外延设备。晶盛机电于2017年涉足 碳化硅领域，2022年晶盛机电行业首发6寸单片式碳化硅外延设备（型号为150A，产能350-400片）并实现 国产替代，市占率为国内第一。 2023年2月公司成功发布6寸双片式碳化硅外延设备（型号为150D，产能 600-650片），同年6月再次成功推出8寸单片式碳化硅外延生长设备。

  8寸单片式SiC外延设备兼容6&8寸衬底：8寸设备基于6寸的温度高精度闭环控制、工艺气体精确分流控制等 技术，解决了腔体的温场均匀性、流场均匀性等难题，相比于6寸，8寸碳化硅晶圆成本有望降低60%以上。

  技术指标处于行业领先：截至2023年7月，晶盛机电在子公司晶瑞的8英寸衬底基础上，已实现8英寸单片式 碳化硅外延生长设备的自主研发与调试，外延的厚度均匀性1.5%以内、掺杂均匀性4%以内，未来外延设备 迭代方向将从单片到多片（单腔多片式或单片多腔式），增加单位产能、降低生产成本。

  迈为在2019年立项研磨机，2023年SEMICON展示了针对碳化硅的、经过主轴功率改造的碳化硅研磨设 备，应用于4/6/8英寸碳化硅、蓝宝石等硬质材晶圆的减薄。同时展示半导体晶圆激光改质切割设备，应 用于8/12英寸硅晶圆及碳化硅、氮化镓等第三代半导体内部改质切割。

  2022年底，高测股份升级推出GC-SCDW8300型碳化硅切片机。该产品是一款使用金刚线切割半导体碳化硅 晶锭的专用加工设施，可加工晶锭直径兼容6寸、8寸，最大加工长度300mm，对比砂浆切割提升1倍以上产 能，出片率较竞品提升5%以上，截至2023年7月，已在行业形成销售。 GC-SCDW8300型碳化硅切片机能提高切割效率及出片率。加工时间≤20h，对比砂浆切割提升1倍以上产 能；最大线m/min，处于行业领先水平；采用φ0.14mm及以下金刚线切割，出片率较竞品提升5% 以上；进口全同步电气控制管理系统，响应时间可达0.4ms；全同步伺服系统配备更稳定可靠的断电保护方案， 供电异常时设备停机不断线%以上。 GC-SCDW8300型碳化硅切片机能够更好的降低生产所带来的成本。采用碳化硅切片专用金刚线m；使用水 基切割液，绿色环保，综合切割成本降低30%以上。

  （本文仅供参考，不代表我们的任何投资建议。如需使用相关信息，请参阅报告原文。）