SiC行業(yè)深度報(bào)告SiC東風(fēng)已來

SiC行業(yè)深度報(bào)告SiC東風(fēng)已來（報(bào)告出品方/作者：東吳證券，周爾雙、劉曉旭、李文意）SiC行業(yè)概況：第三代半導(dǎo)體材料性能優(yōu)越，新能源車等場景助推SiC回調(diào)第三代半導(dǎo)體材料具備寬帶隙，適用于于于高溫、高頻、高功率器件第一代半導(dǎo)體（間接提著隙&窄帶隙）：1950年至，以硅（Si）為代表的半導(dǎo)體材料替代了小巧的電子管，推動(dòng)了以集成電路為核心的微電子產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展。硅材料屬于間接提著隙（電子光子至導(dǎo)帶時(shí)仍須出現(xiàn)發(fā)生改變動(dòng)量，光利用率低）且提著隙狹窄（不耐壓），適用于于于擾動(dòng)、低頻、中功率集成電路，在光電子領(lǐng)域和高頻高功率器件方面受到限制。第二代半導(dǎo)體（輕而易舉提著隙&窄帶隙）：1990年至，以砷化鎵（GaAs）、磷化銦（InP）為代表的半導(dǎo)體材料顯露出頭角，屬于輕而易舉帶隙且具有相對寬的帶隙，載流子速度更慢、噪音更高。其適用于于于制作高速、高頻、大功率以及閃光電子器件，但受限于材料本身，難以滿足用戶更高功率、更高電壓、更高頻率的器件市場需求。第三代半導(dǎo)體（輕而易舉提著隙&寬帶隙）：近年來，以氮化鎵（GaN）、碳化硅（SiC）為代表的半導(dǎo)體材料備受第一關(guān)附注，輕而易舉提著隙&寬帶隙的物理特性并使其具有更高熱導(dǎo)率（2倍+）、高擊穿場強(qiáng)（~10倍）、高飽和狀態(tài)電子漂移速率（~2倍）等優(yōu)點(diǎn)，適用于于于制作高溫、高頻、高功率器件，在國防、新能源汽車、光伏儲(chǔ)能等領(lǐng)域存廣泛應(yīng)用。SiC作為第三代半導(dǎo)體材料具有耐高壓、耐高頻和耐高溫的優(yōu)勢SiC作為第三代半導(dǎo)體材料具備諸多顯著優(yōu)勢：（1）耐高壓：SiC材料較之于Si材料具有10多倍的擊穿場強(qiáng)，因此可以通過更高的電阻率和更薄的漂移層同時(shí)同時(shí)實(shí)現(xiàn)更高的射穿電壓，相同的耐壓值下，SiC功率模塊導(dǎo)通電阻/尺寸僅為Si的1/10，功率損耗大幅減少。（2）耐高頻：SiC材料不存電流漂移現(xiàn)象，能夠提高元件的控制器速度，就是硅（Si）控制器速度的3-10倍，從而適用于于于更高頻率和更慢的控制器速度。（3）耐高溫：SiC材料具有禁帶寬度大(約Si的3倍)、熱導(dǎo)率高(約Si的3.3倍），熔點(diǎn)高(2830℃，約Si-1410℃的兩倍)的特點(diǎn)，因此SiC器件在減少電流外泄的同時(shí)大幅提高工作溫度。新能源汽車+光伏發(fā)電雙輪驅(qū)動(dòng)碳化硅產(chǎn)業(yè)回調(diào)新能源汽車和光伏發(fā)電領(lǐng)域就是SiC器件主要應(yīng)用領(lǐng)域場景。（1）新能源汽車：SiC器件主要應(yīng)用領(lǐng)域在PCU（動(dòng)力掌控單元，比如車載DC/DC）和OBC（電池單元），較之于Si器件，SiC器件可減輕PCU設(shè)備的重量和體積，增加上加第一關(guān)損耗，提高器件的工作溫度和系統(tǒng)效率；OBC電池時(shí)，SiC器件可以提高單元功率等級(jí)，精簡電路結(jié)構(gòu)，提高功率密度，提高電池速度。（2）光伏發(fā)電領(lǐng)域：SiC材料具有更高的導(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融合的光伏逆變器，可以將轉(zhuǎn)換效率從96%提升至99%+，能量損耗再再降低50%+，設(shè)備循環(huán)壽命提升50倍。新能源汽車就是未來第一大應(yīng)用領(lǐng)域市場。2027年全球?qū)щ娦蚐iC功率器件市場規(guī)模料少于63億美元，2021-2027年CAGR少于34%；2027年新能源汽車導(dǎo)電型SiC功率器件市場規(guī)模料少于50億美元，占趙靜儀少于79%。全球未有多款SiC車型量產(chǎn)交貨，SiC迎接上車導(dǎo)入期全球已有多家車企的多款車型使用SiC。2018年特斯拉率先在Model3上搭載SiC，從此拉開了碳化硅大規(guī)模上車序幕，蔚來、比亞迪、吉利、現(xiàn)代汽車等車企紛紛跟進(jìn)，特斯拉憑借先發(fā)優(yōu)勢以及Model3、ModelY等主力車型熱銷，一直是SiC裝車的主力擔(dān)當(dāng)。隨著比亞迪漢EV、蔚來ES6、理想L9等熱門車型的陸續(xù)上市，SiC裝車量得到進(jìn)一步擴(kuò)大。據(jù)CleanTechnica，2023年1-5月SiC車型超100萬輛。從行業(yè)趨勢看一看，SiC上車就是大勢所趨。特斯拉曾在2023年3月初的投資者大會(huì)上則則表示，將減少75%的SiC用量，一度引發(fā)SiC未來發(fā)展前景未明的猜測，但近期全球汽車市場卻用實(shí)際行動(dòng)抒寫了對SiC的大力支持，比如全球第四小汽車集團(tuán)Stellantis正式宣布正式宣布，已與多家供應(yīng)商簽訂涵蓋SiC在內(nèi)的半導(dǎo)體合作協(xié)議，總價(jià)值強(qiáng)于80億元；博格華納向安森美SiC產(chǎn)品下定決心金額強(qiáng)于72億元；瑞薩電子也與Wolfspeed簽定了一份為期10年的碳化硅晶圓供應(yīng)協(xié)議等。SiC襯底：材料端的良率提升就是關(guān)鍵，設(shè)備端的生長、切片、研磨研磨各環(huán)節(jié)國產(chǎn)化率逐步提高襯底：大尺寸有效率降本，國內(nèi)外龍頭均已成功研發(fā)8寸SiC襯底從電化學(xué)性質(zhì)差異來看，碳化硅襯底可以被分為導(dǎo)電型和半絕緣型。半絕緣型電阻率較低（電阻率≥105·cm），難于導(dǎo)電，耐高壓；導(dǎo)電型電阻率較低（電阻率區(qū)間為15~30m·cm），導(dǎo)電能力強(qiáng)，根據(jù)導(dǎo)電類型可以進(jìn)一步分成N型（空穴導(dǎo)電）或者P型（電子導(dǎo)電）半導(dǎo)體。半絕緣型SiC襯底+GaN外延，主要用做生產(chǎn)射頻器件，應(yīng)用于5G通訊等領(lǐng)域；導(dǎo)電型SiC襯底+SiC外延，主要用做生產(chǎn)功率器件，應(yīng)用于新能源汽車等領(lǐng)域。大尺寸襯底有效攤薄成本，成為行業(yè)趨勢。目前碳化硅襯底主流尺寸是4/6寸，其中半絕緣型碳化硅襯底以4寸為主，導(dǎo)電型碳化硅襯底以6寸為主。大尺寸可以攤薄單位芯片的成本，當(dāng)襯底從6寸擴(kuò)大到8寸時(shí)，可切割出的碳化硅芯片(32mm2)數(shù)量有望從448顆增加到845顆，增加了75%。目前國際上龍頭企業(yè)的碳化硅襯底正從6寸往8寸發(fā)展，國際龍頭Wolfspeed、II-VI以及國內(nèi)龍頭天岳先進(jìn)等都已成功研發(fā)8英寸襯底產(chǎn)品。長晶：碳化硅晶體生長的主流方法就是物理氣相傳輸（PVT）碳化硅單晶爐的長晶方式（晶體制備方法）主要包括物理氣相傳輸（PhysicalVaporTransport,PVT）、高溫化學(xué)氣相積淀（HTCVD）及液相外延（LPE）。（1）物理氣相傳輸（PVT）是最成熟的制備方法。由于設(shè)備簡單，操作易控制，運(yùn)行成本低等優(yōu)點(diǎn)，國外廠商Wolfspeed、II-VI、SiCrystal，國內(nèi)廠商天岳先進(jìn)、天科合達(dá)、晶盛機(jī)電均選擇PVT法制備碳化硅晶體。（2）HTCVD法的主要技術(shù)挑戰(zhàn)是沉積溫度的控制。HTCVD法生長晶體純度較高、可實(shí)現(xiàn)近勻速晶體生長，但良率較低、長晶成本較高。瑞典的Norstel和日本電裝公司采用HTCVD方法。（3）LPE法的主要技術(shù)挑戰(zhàn)是生長速率和結(jié)晶質(zhì)量的平衡。LPE法生長的晶體質(zhì)量高、缺陷密度低，但其生長速度緩慢、生長長度受限。日本的住友金屬公司采用LPE方法。切片：研磨就是SiC襯底加工的首道工序，線尖頭研磨就是主流技術(shù)SiC襯底加工精度直接影響器件性能，建議SiC晶片表面強(qiáng)于扁平、并并無瑕疵、無損傷。SiC單晶的加工過程主要分后為切片、研磨和研磨，其中研磨就是SiC襯底加工的第一道工序，對時(shí)程襯底外延以及晶圓生產(chǎn)至關(guān)重要。SiC的硬度僅次于金剛石，屬低硬脆材料，研磨難度大。切片容易在晶片表面和亞表面產(chǎn)生裂紋損壞，影響后道工藝的積極開展，因此對WARP（Vertaizon）、BOW（彎曲）、TTV（總厚度偏差）等精度掌控建議很高。線尖頭研磨就是主流技術(shù)。研磨技術(shù)主要涵蓋傳統(tǒng)尖頭烏、線尖頭研磨、激光研磨、熱分拆和電火花切片等，其中傳統(tǒng)鋸烏（如內(nèi)圓鋸片、金剛石梅利尼）切縫大、材料損耗多，呼吸困難用做SiC晶體研磨；激光研磨通過激光在晶體內(nèi)部形成改性層，從碳化硅晶體上分拆出晶片，斷面質(zhì)量不好&研磨效率高，產(chǎn)品處于下游檢驗(yàn)階段；熱分拆將激光著眼在材料內(nèi)部形成改成質(zhì)層，通過冷藏膠并使材料收縮從而分拆晶片，幾乎并并無材料損耗且加工效率高，但存光束能量光滑性問題；線尖頭研磨技術(shù)明朗，出片率較低，速度較快，成本高昂，就是主流研磨技術(shù)。揉打翻：研磨初步除去SiC晶片研磨中形成的表面刀痕和損壞層切片可以并使晶圓表面損壞，而襯底表面的瑕疵和劃傷可以在外延生長過程中延伸至外延層，形成外延瑕疵進(jìn)而應(yīng)縣器件的良率，焊接或研磨環(huán)節(jié)的目的就是對SiC晶片表面進(jìn)行前期加工，提高表面質(zhì)量，獲得相對平緩的等候研磨表面。研磨就是在剛性研具上轉(zhuǎn)化成磨料，在一定的壓力下，通過工件與研具之間的相對滑動(dòng)，并通過磨粒的微沖壓除去方式并使被加工材料的表面脫落，從而提高工件的形狀精度、尺寸和增加材料的表面柔軟度的一種高精度加工方法。SiC單晶襯底研磨采用金剛石研磨液進(jìn)行研磨，可以分為兩道工藝：粗磨和酥皮。粗揉就是為了提高加工效率并除去由多線切割引起的刀痕和變質(zhì)層，使用粒徑非常大的磨粒；酥皮就是為了除去由粗磨引致的加工損壞層，提高表面粗糙度，使用粒徑較小的磨粒。研磨存單面研磨和雙面研磨兩種方式，雙面研磨能更好的提高SiC襯底的Vertaizon度與平面度。焊接和單面研磨一次就可以焊接襯底的一個(gè)面，而雙面研磨具有上、下兩個(gè)研磨盤，可以同時(shí)研磨襯底的兩個(gè)面。焊接或單面研磨過程中，襯底用蠟粘到鋼盤上，由于施加壓力前后襯底發(fā)生微變形，引致上下表面發(fā)生Vertaizon變形，平面度變差。雙面研磨時(shí)，研磨盤首先施加壓力工件最高點(diǎn)，并使該處發(fā)生變形并逐漸被磨平，高點(diǎn)被逐漸磨平后，襯底所受壓力逐漸減小，襯底扁平受力，并使各處變形一致，除去壓力后Vertaizon變形也并不大。SiC外延：國外設(shè)備商主導(dǎo)，未來2-3年料快速同時(shí)同時(shí)實(shí)現(xiàn)外延片：晶體結(jié)構(gòu)優(yōu)質(zhì)THF1，可以分為同質(zhì)外延&異質(zhì)外延外延工藝必不可少。與傳統(tǒng)硅器件相同，碳化硅器件無法輕而易舉制作在襯底上，仍須在襯底上生長一層晶二者同、質(zhì)量更高的單晶薄膜(外延層)，再制作器件。外延可以分為同質(zhì)外延：在導(dǎo)電型SiC襯底生長SiC，常用于高功率器件/射頻器件/光電器件；異質(zhì)外延：在半絕緣Sic襯底生長GaN，常用于高功率器件。外延晶體更優(yōu)質(zhì)THF1，層厚越大，耐壓越高。碳化硅晶體生長的過程中可以不可避免地產(chǎn)生瑕疵、引入雜質(zhì)，導(dǎo)致質(zhì)量和性能嚴(yán)重不足，而外延層的生長可以消除襯底中的某些瑕疵，并使晶格排序整齊。外延厚度越大（難度越大），能承受的電壓越高，通常100V電壓仍須1m厚度外延，600V仍須6m，1200-1700V仍須10-15m，15000V則仍須上百微米（約150m）。外延爐：CVD成本相對較低&質(zhì)量不好&生長速度快，就是主流外延技術(shù)SiC外延主要設(shè)備就是CVD。SiC外延仍須嚴(yán)格控制厚度光滑性、摻雜光滑性、缺陷率和生長速率，方法涵蓋化學(xué)氣相沉積CVD、液相外延LPE、分子束外延MBE等，其中CVD兼有成本相對較低+外延質(zhì)量不好+生長速度快的優(yōu)勢，應(yīng)用領(lǐng)域最極廣。CVD工藝流程：利用載氣（H2）將反應(yīng)源氣體（如SiH4/C3H8）輸送到生長室內(nèi)的熱區(qū)；氣體達(dá)致被加熱的SiC襯底，反應(yīng)沉積單晶薄膜（外延片）。MOCVD就是新型CVD，沉積溫度更高&沉積層多樣。MOCVD反應(yīng)源就是金屬有機(jī)化合物，傳統(tǒng)CVD就是無機(jī)化合物，通常有機(jī)物熔點(diǎn)比無機(jī)物低，且種類遠(yuǎn)大于無機(jī)物。因此MOCVD沉積溫度（500-1200℃）顯著低于傳統(tǒng)CVD（900-2000℃），且能在相同襯底上沉積強(qiáng)于薄層甚至原子層的特定結(jié)構(gòu)表面。統(tǒng)籌安排：激光凹槽有效率增加SiC晶圓機(jī)械劃切哀帝邊平添的不良影響SiC晶圓硬度高、脆性大、韌性低，傳統(tǒng)晶圓機(jī)械研磨容易引致較多失身陷。傳統(tǒng)機(jī)械研磨（砂輪）方法就是最常用的晶圓統(tǒng)籌安排方法，刀片可以根據(jù)產(chǎn)品挑選出。而SiC晶圓莫氏硬度原產(chǎn)在9.2-9.6，高硬度、高脆性、低斷裂韌性并使其焊接加工過程中易引起材料的脆性斷裂，研磨槽的背面難出現(xiàn)哀帝刃，裂紋，哀帝邊小，層狀分拆等瑕疵。嚴(yán)重影響良品率，增加了追加新增產(chǎn)能效益，增加生產(chǎn)成本。通過激光凹槽工藝，先行在切劃道內(nèi)上上開2條細(xì)槽，再采用機(jī)械刀片統(tǒng)籌安排，有效率減小崩邊等因素來帶的瑕疵。日本DISCO針對SiC晶圓難以使用普通金剛石刀片進(jìn)行劃切加工的問題，研發(fā)了一種激光凹槽加工工藝。先在研磨道內(nèi)切開2條細(xì)槽(凹槽)，然后再使用磨輪刀片在2條細(xì)槽的中間區(qū)域推行全系列研磨加工。通過采用該項(xiàng)加工工藝，能夠提高生產(chǎn)效率，減少甚至解決因脫落、分層(薄膜分拆)等不當(dāng)因素引致的加工質(zhì)量問題。重點(diǎn)公司分析晶盛機(jī)電：碳化硅外延設(shè)備+襯底雙輪驅(qū)動(dòng)，打開公司新成長曲線2022年公司6寸外延設(shè)備市占率國內(nèi)第一，2023年國內(nèi)首發(fā)8寸單片式SiC外延設(shè)備。晶盛機(jī)電于2017年涉足碳化硅領(lǐng)域，2022年晶盛機(jī)電行業(yè)首發(fā)6寸單片式碳化硅外延設(shè)備（型號(hào)為150A，產(chǎn)能350-400片）并實(shí)現(xiàn)國產(chǎn)替代，市占率為國內(nèi)第一。2023年2月公司成功發(fā)布6寸雙片式碳化硅外延設(shè)備（型號(hào)為150D，產(chǎn)能600-650片），同年6月再次成功推出8寸單片式碳化硅外延生長設(shè)備。8寸單片式SiC外延設(shè)備兼容6&8寸襯底：8寸設(shè)備基于6寸的溫度高精度閉環(huán)控制、工藝氣體精確分流掌控等技術(shù)，解決了腔體的溫場光滑性、流場光滑性等難題，較之于6寸，8寸碳化硅晶圓成本料增加60%以上。技術(shù)指標(biāo)處于行業(yè)領(lǐng)先：截至2023年7月，晶盛機(jī)電在子公司晶瑞的8英寸襯底基礎(chǔ)上，已同時(shí)同時(shí)實(shí)現(xiàn)8英寸單片式碳化硅外延生長設(shè)備的獨(dú)立自主研發(fā)與調(diào)試，外延的厚度光滑性1.5%以內(nèi)、摻雜光滑性4%以內(nèi)，未來外延設(shè)備運(yùn)算方向?qū)膯纹炼嗥▎吻欢嗥交騿纹嗲皇剑?，增加單位?/p>