碳化硅衬底切片设备加速国产化

• 柯壮宾 2023年5月10日 来源：中研网 702 41
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碳化硅具备增效与节能的优势，有望在中高压环节实现对硅基材料器件的替代；受益于下游新能源汽车和光伏需求激增，行业产能扩张催生百亿级设备市场。

在高性能和低能耗半导体器件驱动下，半导体材料经历四次更迭。半导体材料是制造半导体器件和集成电路的电子材料，是电子信息技术发展的基础。伴随下游应用日趋复杂化和精细化，高性能及低损耗的半导体器件需求成为半导体研究的重要方向，驱动半导体材料经历四次更迭：

1）第一代元素半导体材料：硅（Si）、锗（Ge）。20世纪50年代兴起，取代了笨重的电子管，奠定了以集成电路为核心的微电子工业的基础，广泛用于信息处理和自动控制等领域。

2）第二代化合物半导体材料：砷化镓（GaAs）、磷化铟（InP）。20世纪90年代兴起，突破硅在高频高压及光电子领域的局限，开拓了移动通信和以光纤通信为基础的信息高速公路和互联网产业，多用于发光电子器件以及通信基础设备。

3）第三代宽禁带半导体材料：碳化硅（SiC）、氮化镓（GaN）等。近10年逐渐兴起，具备大带隙、大载流子漂移速率、大热导率和大击穿电场四大特性，全面突破材料在高频、高压、高温等复杂条件下的应用极限，适配5G通信、新能源汽车、智能物联网等新兴产业，对节能减排、产业转型升级、催生新的经济增长点将发挥重要作用。

4）第四代超禁带半导体材料：氧化镓（Ga2O3）、氮化铝（AlN）、金刚石以及锑化镓（GaSb）、锑化铟（InSb）等。近5-10年被提出，在第三代半导体基础上实现进一步提效降本，以人工智能与量子计算为驱动力，目前处于科研与产业化起步阶段。

表：不同代际半导体材料应用领域不同

高功率+高频率+高温+高电压，第三代半导体（SiC和GaN）物理性能优异。第三代半导体作为宽禁带材料，具有四大特性：大带隙、大载流子漂移速率、大热导率和大击穿电场，做成的器件对应有四高性能：高功率、高频率、高温和高电压，制造的装备系统对应有四小优点：小能耗、小体积、小体重和小成本（暂未实现）。在半导体照明、新一代移动通信、能源互联网、高速轨道交通、新能源汽车、消费电子等领域有广阔的应用前景。
SiC和GaN应用各有侧重，SiC为宽禁带核心材料。SiC和GaN是应用最广、发展最快的第三代半导体材料，光电子领域主要是GaN的应用，涉及LED、LD及光探测器，热门赛道是Micro-LED和深紫外LED。1)电力电子领域：SiC适合中高压，GaN适合中低压，二者在中压领域竞争（650-1200V，汽车和光伏），热门赛道是SiCSBD、MOSFET和GaNHEMT等。2)微波射频方面：SiC基GaN-HEMT已占据5G基站功率放大器半壁江山。现阶段，SiC质量远高于GaN，占据了近90%的第三代半导体电力电子器件市场。

SiC不同晶体结构性能各异，4H-SiC综合性能最佳。SiC由于C原子和Si原子结合方式多样，有200多种同质异型晶体结构，其中6H-SiC结构稳定，发光性能好，适合光电子器件；3C-SiC饱和电子漂移速度高，适合高频大功率器件；4H-SiC电子迁移率高、导通电阻低、电流密度高，适合电力电子器件。4H-SiC是目前综合性能最好、商品化程度最高、技术最成熟的第三代半导体材料，是制造高压、高温、抗辐照功率半导体器件的理想材料。SiC的热、物理、化学性质很稳定：热导率[84W/(m·K)超过铜，约为硅的3倍；禁带宽度约为Si的3倍，击穿电场强度高于Si一个数量级，饱和电子漂移速度是Si的2.5倍，2000℃时导电性与石墨相当；耐腐蚀性非常强，表面SiO2薄层防止进一步氧化，室温下几乎可以抵抗任何已知的腐蚀剂。

SiC功率器件主要包括二极管和晶体管，有望实现对硅基器件的替代。功率器件主要用于电力电子设备电能管理，由于Si硅材料物理性质限制，依靠Si器件完善来提高装置和系统性能的潜力有限，而SiC功率器件由于出色的高压、高频、高温和低损耗性能，非常具有应用前景。SiC功率器件按类型主要可以划分为功率二极管和功率晶体管，功率二极管有三种类型：肖特基二极管（SBD）、PiN二极管和结势垒控制肖特基二极管（JBS）；功率晶体管主要包括金属氧化物半导体场效应管（MOSFET）、结型场效应管（JFET）、双极性晶体管（BJT）、绝缘栅双极晶体管（IGBT）和晶闸管（Thyristor）。二极管、MOSFET和IGBT是应用最广泛且性能指标先进的功率半导体，SiC-SBD于2001年开始商用；SiC-MOSFET于2010年开始商用，已经是SiC功率器件最大市场；SIC-IGBT由于研发起步晚，目前尚未实现产业化。

SiC-SBD替代目标为高压（≥600V）的硅基快速恢复二极管（Si-FRD）。SiC-SBD与Si-SBD结构基本相同，本质是金属和半导体材料接触时，在界面半导体处的能带弯曲形成肖特基势垒，因此SiC-SBD继承了Si-SBD的优点：TRR高速性、低恢复损耗、反向电流小、可实现小型化和高频工作等。由于SiC材料耐压、耐高温，SiC-SBD基本不存在温度依赖性，还将SBD应用范围从250V提升到1200V，部分产品电压达到1700/3300V。SiC-SBD仅电子移动产生电流，Si-FRD利用PN结二极管通过电子和空穴（孔）产生电流，关断速度慢、TRR特性较差且损耗较大。现阶段，SiC-SBD在部分高压硬开关拓扑的应用中（通信/服务器/工业/汽车AC-DC电源换流二极管，变频器/逆变器续流二极管等）对Si-FRD形成替代，SiC-PiN和SiC-JBS相比硅基器件耐压性、耐高温性和高频性等更好。英飞凌、罗姆、科瑞和意法半导体产品种类占比达53%，国内已实现600V~1700VSiC二极管产品批量销售，代表企业为中电科55所、泰科天润、世纪金光、国联万众等。

SiC-MOSFET替代目标为高压（≥650V）的Si-MOSFET和IGBT。MOSFET是通过给金属层(M-金属铝)栅极和隔着氧化层(O-绝缘层SiO2)源极施加电压，产生电场来控制半导体(S)导电沟道开关的场效应晶体管（FET）。MOSFET优点在于开关速度快（几十至几百纳秒）、开关损耗很小、稳定性高，缺点在于高压环境下电阻增大，传导损耗增大。在650V以上高压下，Si材料导通电阻很大，因此常采用IGBT结构调制电导率以降低导通电阻，缺点是在关断时产生拖尾电流，开关损耗较大。SiC-MOSFET继承了硅基器件的优异特性，关断损耗和导通损耗很小，同时由于漂移层更薄、导通电阻极低、耐压性更好，不会产生拖尾电流，而且可以实现高频驱动，有利于电路节能和散热设备及被动设备的小型化。目前市场上共有180余款SiC-MOSFET系列产品，科瑞和罗姆产品占比达43%，击穿电压650V~1700V，导通电流超过100A；国内目前处于起步阶段，中电科55所、泰科天润、世纪金光、基本半导体、国联万众等企业已推出产品，击穿电压集中在1200V。

IGBT应用非常广泛，SiC-IGBT限于研发进度尚未实现产业化。IGBT是BJT(双极型三极管）和MOS（绝缘栅型场效应管）组成的复合式半导体，通过电压驱动控制通断（与MOSFET原理类似），IGBT拥有高输入阻抗和低导通压降特点，缺点在于高频开关时损耗增大。IGBT应用范围一般在耐压600V以上，电流10A以上频率1KHz以上，是电机驱动核心，广泛应用于逆变器、变频器等，在UPS、开关电源、电车、交流电机等领域对GTO、GTR等形成替代。SiC-IGBT作为双极器件，在阻断电压增大时，导通电阻增加很小，非常适合高压大功率领域，现阶段由于研发起步晚，SiC-IGBT尚未实现产业化。

碳化硅产业链上下游清晰，衬底和外延是核心环节，价值量占比达70%。SiC产业链主要包括上游衬底和外延制备、中游器件和模块制作以及下游终端应用。从成本结构上看，根据亿渡数据，传统硅基器件衬底价值量仅7%左右，核心为晶圆制造设备，占比50%；与之相比，SiC器件中衬底约占成本47%，外延约占23%，器件制造仅占到19%。

衬底市场规模增长较快，导电型衬底占多数。碳化硅衬底主要分为导电型衬底和半绝缘性衬底，主要区别在于电阻率不同，导电型衬底电阻率区间为15~30Ω·cm，半绝缘型衬底电阻率高于105Ω·cm。根据Yole数据，半绝缘型碳化硅衬底全球市场规模由2019年的1.52亿美元增长至2021年的2.10亿美元，导电型碳化硅衬底市场规模从2018年的1.70亿美元增长至2021年的3.80亿美元，增长较快。得益于下游市场的大量需求，至2023年，半绝缘型碳化硅衬底市场将增长至2.81亿美元，导电型碳化硅衬底市场将增长至6.84亿美元。

衬底大型化可增加单批次芯片产量和降低边缘损耗，有望降低制造成本。目前，单片6英寸碳化硅约900-1000美元，而单片6英寸硅衬底单价在50美元以下，相差数十倍，阻碍了碳化硅产业化。碳化硅降本核心在于扩大衬底尺寸、提升长晶速度和生产良率。根据Wolfspeed数据，衬底单片尺寸从6英寸扩大到8英寸时，单批次芯片产量从448增长到845，同时边缘损失率从14%降低到7%，大大提高了晶圆利用率。

成本降低循序渐进，8英寸衬底预计2024年开始具备优势。衬底扩径对生产工艺和设备要求更严格，8英寸衬底还存在诸多技术问题：首先是8英寸籽晶的研制，其次要解决大尺寸带来的温场不均匀、气相原料分布和输运效率问题，还要解决应力加大导致晶体开裂问题。衬底尺寸从6英寸发展到8英寸，单位面积成本首先会因为良率问题有所上升，随着技术成熟度上升和竞争加剧而逐渐下降。根据Wolfspeed预测，8英寸衬底于2024年全面达产，单位面积制造成本相比2022年6英寸衬底降幅超过60%。根据PGCConsultancy的成本预测模型，2023-2024年碳化硅8英寸衬底开始具备经济型；到2030年，使用8英寸衬底制作的1200V/100AMOSFET器件的成本相比2022年使用6英寸制作的同规格器件，有望降低54%（最好情况降低57%，最差情况降低50%）。

国际厂商转向8英寸，国内主流4英寸，8英寸已展开布局。现阶段，国际主流尺寸为6英寸，逐渐向8英寸发展，尺寸大型化可使边缘损失率降低为7%，提高衬底利用率。2022年4月Wolfspeed在美国纽约州莫霍克谷的全球首条8英寸碳化硅制造设施开业。国内由于起步晚、产业化程度低，目前主要尺寸为4英寸，天岳先进和天科合达发展迅速，三安光电、露笑科技等也正加大布局力度。

表：8英寸碳化硅衬底目前仅wolfspeed投产，厂商量产时间集中在2023-2024年

衬底制备是最核心环节，难度集中在晶体生长和衬底切割。从原材料到碳化硅器件需要经历原料合成、晶体生长、晶体加工、晶片加工、外延生长、晶圆制造和封测等工艺流程。衬底制备是最核心环节，技术壁垒高，难点主要在于晶体生长和切割；外延生长关键环节，影响最终器件性能。SiC晶圆制造与硅晶圆类似，通过涂胶、显影、光刻、减薄、退火等前道工艺加工成晶圆，经后段工艺制成芯片，用于制造各类器件及模组，通过验证后即可用于汽车、光伏等应用领域。

2016年以前，光伏切割设备领域占主导地位是以瑞士MeyerBurger公司、HCT公司，日本高鸟、小松NTC等为代表的国际厂商；激光切割方面则由日本半导体设备巨头DISCO主导。近年来国产品牌发展迅速，国产光伏切割设备已经占据市场主导地位。目前国内碳化硅切割设备主流为金刚线切割设备，主要集中于高测股份、上机数控、连城数控、宇晶股份等国内企业；激光切割设备目前试产份额较小，主要集中于德龙激光、大族激光等国内企业。

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