碳化硅產(chǎn)業(yè)鏈?zhǔn)袌?chǎng)分析1.碳化硅產(chǎn)業(yè)鏈包括上游襯底和外延、中游器件、下游應(yīng)用以碳化硅材料為襯底的產(chǎn)業(yè)鏈主要包括碳化硅襯底材料的制備、外延層的生長(zhǎng)、器件制造以及下游應(yīng)用市場(chǎng)。從工藝流程上看，碳化硅一般是先被制作成晶錠，然后經(jīng)過(guò)切片、打磨、拋光得到碳化硅襯底；襯底上生長(zhǎng)單晶外延材料。外延片經(jīng)過(guò)光刻、刻蝕、離子注入、沉積等步驟制造成碳化硅功率器件和碳化硅射頻器件。將晶圓切割成die，經(jīng)過(guò)封裝得到器件，器件組合在一起放入特殊外殼中組裝成模組。碳化硅產(chǎn)業(yè)鏈附加值向上游集中，襯底和外延的成本占比最高。根據(jù)CASA整理的數(shù)據(jù)，產(chǎn)業(yè)鏈中，碳化硅襯底和外延的成本分別占整個(gè)器件成本的47%和23%，為產(chǎn)業(yè)鏈中價(jià)值量最大的兩個(gè)環(huán)節(jié)，相比硅基器件、價(jià)值量顯著倒掛。2.襯底：產(chǎn)業(yè)鏈價(jià)值量占比高，良率和訂單是勝負(fù)手2.1.技術(shù)及資本密集型產(chǎn)業(yè)，是碳化硅降本的關(guān)鍵環(huán)節(jié)襯底在碳化硅產(chǎn)業(yè)鏈中價(jià)值量最高，高達(dá)47%。碳化硅產(chǎn)業(yè)鏈附加值向上游集中，襯底和外延的成本占比最高。根據(jù)CASA整理的數(shù)據(jù)，產(chǎn)業(yè)鏈中，碳化硅襯底和外延的成本分別占整個(gè)器件成本的47%和23%，為產(chǎn)業(yè)鏈中價(jià)值量最大的兩個(gè)環(huán)節(jié)，相比硅基器件、價(jià)值量顯著倒掛。襯底屬于技術(shù)密集型行業(yè)，生產(chǎn)工藝水平直接影響良率。從生產(chǎn)工藝來(lái)看，以高純碳粉、高純硅粉為原料合成碳化硅微粉，在碳化硅單晶爐中進(jìn)行碳化硅單晶生長(zhǎng)，再經(jīng)過(guò)晶碇切磨拋及清洗等工序，產(chǎn)出碳化硅襯底。襯底的質(zhì)量影響下游外延和器件的質(zhì)量，優(yōu)質(zhì)的襯底可以抑制外延生長(zhǎng)缺陷和器件性能退化，但襯底的控制難度又較大，其生產(chǎn)過(guò)程中的每個(gè)環(huán)節(jié)都具有較高技術(shù)要求，當(dāng)每個(gè)環(huán)節(jié)都具有一定良率損耗時(shí)，合在一起就會(huì)產(chǎn)生指數(shù)級(jí)遞增的損耗，碳化硅襯底龍頭Wolfspeed良率也僅為65%，這其中技術(shù)難度最高的又是長(zhǎng)晶環(huán)節(jié)：原料合成：獲得高純度碳化硅粉難度高。將高純硅粉和高純碳粉按一定配比混合，在2,000℃以上的高溫下反應(yīng)合成碳化硅顆粒。再經(jīng)過(guò)破碎、清洗等工序，制得滿足晶體生長(zhǎng)要求的高純度碳化硅微粉原料。難點(diǎn)在于碳化硅粉料合成過(guò)程中的環(huán)境雜質(zhì)多，難以獲得高純度的粉料；作為反應(yīng)源的硅粉和碳粉反應(yīng)不完全易造成Si/C比失衡；碳化硅粉料合成后的晶型和顆粒粒度難控制。晶體生長(zhǎng)：長(zhǎng)晶是技術(shù)難度最高的環(huán)節(jié)，工藝水平?jīng)Q定良率。長(zhǎng)晶技術(shù)包括PVT法（物理氣相傳輸法）、溶液法和高溫氣相化學(xué)沉積法等，目前商用碳化硅單晶生長(zhǎng)均采用PVT法。具體原理為將高純碳化硅微粉和籽晶分別置于單晶生長(zhǎng)爐內(nèi)圓柱狀密閉的石墨坩堝下部和頂部，通過(guò)電磁感應(yīng)將坩堝加熱至2,000℃以上，控制籽晶處溫度略低于下部微粉處，在坩堝內(nèi)形成軸向溫度梯度。碳化硅微粉在高溫下升華形成氣相的Si2C、SiC2、Si等物質(zhì)，在溫度梯度驅(qū)動(dòng)下到達(dá)溫度較低的籽晶處，并在其上結(jié)晶形成圓柱狀碳化硅晶錠。長(zhǎng)晶有以下難點(diǎn)：1）熱場(chǎng)控制難：密閉高溫腔體監(jiān)控難度高不可控制。區(qū)別于傳統(tǒng)硅基的溶液直拉式長(zhǎng)晶設(shè)備自動(dòng)化程度高、長(zhǎng)晶過(guò)程可觀察可控制調(diào)整，碳化硅晶體在2,000℃以上的高溫環(huán)境中密閉空間生長(zhǎng)，且在生產(chǎn)中需要精確調(diào)控生長(zhǎng)溫度，溫度控制難度高；2）晶型控制難：生長(zhǎng)過(guò)程容易發(fā)生微管、多型夾雜、位錯(cuò)等缺陷，且相互影響和演變。微管（MP）是尺寸為幾微米到數(shù)十微米的貫穿型缺陷，是器件的殺手型缺陷；碳化硅單晶包括200多種不同晶型，但僅少數(shù)幾種晶體結(jié)構(gòu)（4H型）才是生產(chǎn)所需的半導(dǎo)體材料，生長(zhǎng)過(guò)程中易產(chǎn)生晶型轉(zhuǎn)變?cè)斐啥嘈蛫A雜缺陷，因此需要精確控制硅碳比、生長(zhǎng)溫度梯度、晶體生長(zhǎng)速率以及氣流氣壓等參數(shù)；此外，碳化硅單晶生長(zhǎng)熱場(chǎng)存在溫度梯度，導(dǎo)致晶體生長(zhǎng)過(guò)程中存在原生內(nèi)應(yīng)力及由此誘生的位錯(cuò)（基平面位錯(cuò)BPD、螺旋位錯(cuò)TSD、刃型位錯(cuò)TED）等缺陷，從而影響后續(xù)外延和器件的質(zhì)量和性能。3）摻雜控制難：必須嚴(yán)格控制外部雜質(zhì)的引入，從而獲得定向摻雜的導(dǎo)電型晶體；4）生長(zhǎng)速度慢：碳化硅的長(zhǎng)晶速度非常慢，傳統(tǒng)的硅材料只需3天就可以長(zhǎng)成一根晶棒，而碳化硅晶棒需要7天，這就導(dǎo)致碳化硅生產(chǎn)效率天然地更低，產(chǎn)出非常受限。結(jié)合密閉生長(zhǎng)，容易發(fā)生諸多缺陷，因此很難在生長(zhǎng)過(guò)程中及時(shí)發(fā)現(xiàn)并進(jìn)行調(diào)整，需要等到每一次生長(zhǎng)完成后再不斷改進(jìn)工藝，這不僅僅需要原理的認(rèn)識(shí)，更需要時(shí)間的積累，是一個(gè)非常漫長(zhǎng)且艱難的過(guò)程。碳化硅襯底由于加工環(huán)節(jié)復(fù)雜且耗時(shí)，設(shè)備投資額較高屬于資本密集型產(chǎn)業(yè)。從碳化硅襯底的制備流程來(lái)看，需要碳化硅粉料合成設(shè)備、長(zhǎng)晶爐、切片機(jī)、研磨機(jī)和拋光機(jī)、量測(cè)儀器等，其中最為關(guān)鍵的核心設(shè)備就是長(zhǎng)晶爐，由于晶體生長(zhǎng)速度非常慢且良率低，長(zhǎng)晶過(guò)程需要大量的單晶爐，要獲得一定規(guī)模效應(yīng)以降低成本就需要大量設(shè)備投入。單晶爐國(guó)產(chǎn)化率較高，國(guó)內(nèi)有外采和自研兩種形式。那些技術(shù)積累水平較深發(fā)展時(shí)間較長(zhǎng)的襯底廠商大多自研長(zhǎng)晶爐，大多數(shù)后進(jìn)入者采用外采的方式。國(guó)內(nèi)的碳化硅單晶爐設(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(guò)70%，國(guó)產(chǎn)化程度較高。全球范圍看，國(guó)際主流半導(dǎo)體材料廠商經(jīng)過(guò)數(shù)十年積累，其工藝和產(chǎn)品遠(yuǎn)領(lǐng)先于業(yè)界同行，多通過(guò)自研以鎖定設(shè)備從而保持領(lǐng)先水平（如日本信越化學(xué)和日本勝高），部分選擇向S-TECHCo,Ltd.等公司采購(gòu)設(shè)備。由于設(shè)備認(rèn)證周期較長(zhǎng)、廠商更換成本、穩(wěn)定性風(fēng)險(xiǎn)等因素，國(guó)產(chǎn)供應(yīng)商尚未實(shí)現(xiàn)國(guó)際主流碳化硅廠商的設(shè)備供應(yīng)。晶錠加工：將碳化硅晶錠使用X射線單晶定向儀進(jìn)行定向，之后通過(guò)精密機(jī)械加工的方式磨平、滾圓，加工成標(biāo)準(zhǔn)直徑尺寸和角度的碳化硅晶棒。對(duì)所有成型晶棒進(jìn)行尺寸、角度等指標(biāo)檢測(cè)。晶棒切割、研磨拋光及清洗：容易發(fā)生翹曲、表面劃傷、表面粗糙度高等問(wèn)題。碳化硅硬度與金剛石接近，切割、研磨、拋光技術(shù)難度大，加工過(guò)程中存在易開(kāi)裂問(wèn)題，加工完成后的襯底易存在翹曲等質(zhì)量問(wèn)題；為了達(dá)到下游外延開(kāi)盒即用的質(zhì)量水平，需要對(duì)碳化硅襯底表面進(jìn)行超精密加工，以降低表面粗糙度、表面平整度并達(dá)到嚴(yán)苛的金屬、顆?？刂埔?。根據(jù)英飛凌的數(shù)據(jù)，在傳統(tǒng)的往復(fù)式金剛石固結(jié)磨料多線切割方法下，在切割環(huán)節(jié)對(duì)整體材料利用率僅有50%，經(jīng)過(guò)拋光研磨環(huán)節(jié)后，切損耗比例則高達(dá)75%，可用部分比例較低。2.2.國(guó)產(chǎn)廠商進(jìn)展不斷加速，良率和訂單是勝負(fù)手2.2.1.國(guó)產(chǎn)廠商順應(yīng)產(chǎn)業(yè)趨勢(shì)，加速釋放產(chǎn)能供給端，海外廠商在SiC襯底賽道具備先發(fā)優(yōu)勢(shì)，國(guó)產(chǎn)廠商加速釋放產(chǎn)能。根據(jù)Yole的數(shù)據(jù)，2022年全球碳化硅襯底市場(chǎng)中，美國(guó)Wolfspeed、美國(guó)Ⅱ-Ⅵ和日本Rohm（收購(gòu)德國(guó)SICrystal）三家企業(yè)合計(jì)占據(jù)全球約72%的市場(chǎng)份額。中國(guó)公司天科合達(dá)、天岳先進(jìn)努力追趕，2022年導(dǎo)電型襯底合計(jì)實(shí)現(xiàn)營(yíng)收1.04億美元，合計(jì)占比15%，同比+5pct。目前海外廠商加速碳化硅擴(kuò)產(chǎn)進(jìn)程，并大力布局8英寸。在碳化硅市場(chǎng)的全球格局中，海外企業(yè)由于早期投入和技術(shù)研發(fā)等優(yōu)勢(shì)，占據(jù)了主導(dǎo)地位。國(guó)際大廠產(chǎn)能加速擴(kuò)張，積極布局碳化硅市場(chǎng)，爭(zhēng)先恐后加碼擴(kuò)產(chǎn)。當(dāng)前國(guó)際大廠仍以6英寸晶圓為主，為進(jìn)一步提升產(chǎn)能，降低單個(gè)器件的成本，如英飛凌、Wolfspeed、ST、羅姆半導(dǎo)體等幾年前就開(kāi)始布局8寸碳化硅晶圓，并計(jì)劃逐漸實(shí)現(xiàn)向8英寸晶圓的過(guò)渡。2015年Wolfspeed便對(duì)外展示了8英寸碳化硅襯底，2019年投入10億美元進(jìn)行8英寸晶圓廠建設(shè)，并于2022年宣布投資13億美元建設(shè)8英寸碳化硅襯底工廠，羅姆、意法半導(dǎo)體等諸多大廠均宣布投資建設(shè)8英寸碳化硅襯底。雖然海外市場(chǎng)擴(kuò)產(chǎn)腳步已紛紛轉(zhuǎn)向8英寸，但實(shí)際大規(guī)模量產(chǎn)仍需到2025年之后。國(guó)內(nèi)廠商加快擴(kuò)產(chǎn)打造規(guī)模優(yōu)勢(shì)，8英寸正在突破技術(shù)。下游應(yīng)用市場(chǎng)龐大，無(wú)論是在新能源汽車還是光伏太陽(yáng)能行業(yè)，國(guó)內(nèi)都具備領(lǐng)先優(yōu)勢(shì)，在市場(chǎng)需求快速爆發(fā)的背景下，國(guó)內(nèi)企業(yè)一方面加快對(duì)技術(shù)差距的追趕，另一方面也在積極投入大量資源進(jìn)行產(chǎn)線的建設(shè)來(lái)滿足市場(chǎng)需求和提供技術(shù)迭代的產(chǎn)業(yè)土壤，如天科合達(dá)、山東天岳等頭部廠商持續(xù)加大投入進(jìn)行擴(kuò)產(chǎn)。國(guó)產(chǎn)SiC襯底廠商積極擴(kuò)產(chǎn)，積極把握碳化硅市場(chǎng)窗口期。根據(jù)CASA統(tǒng)計(jì)，2022年我國(guó)襯底產(chǎn)能達(dá)到94萬(wàn)片/年。根據(jù)我們的不完全統(tǒng)計(jì)，預(yù)計(jì)2023年底我國(guó)襯底產(chǎn)能已超過(guò)130萬(wàn)片/年，增速迅猛。雖然擴(kuò)產(chǎn)規(guī)模及速度較快，但能夠規(guī)?；慨a(chǎn)出貨的只有天岳先進(jìn)、天科合達(dá)、山西爍科、同光晶體、南砂晶圓五家，其他公司均處于研發(fā)或小批量階段，而8英寸襯底量產(chǎn)出貨的也僅山西爍科一家。2.2.2.良率和訂單是企業(yè)盈利的關(guān)鍵關(guān)注有效產(chǎn)能，企業(yè)需要平衡規(guī)模提高盈利能力。盡管各國(guó)產(chǎn)廠商規(guī)劃產(chǎn)能增速極高，但由于碳化硅襯底存在降低缺陷密度等技術(shù)門檻，因此并非所有規(guī)劃產(chǎn)能均能如期實(shí)際交付。核心設(shè)備目前大多都已實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)化，單臺(tái)設(shè)備投資額也不超過(guò)200萬(wàn)，因此設(shè)備和資本并非關(guān)鍵卡點(diǎn)，更為重要的是工藝——掌握能夠大批量生產(chǎn)的工藝，獲得規(guī)模效應(yīng)且提高良率，能夠低成本、高質(zhì)量、大批量供應(yīng)才是真正的產(chǎn)業(yè)化。規(guī)劃布局的投資規(guī)模并不等于實(shí)際能夠達(dá)到的生產(chǎn)能力，并不等于能夠?qū)崿F(xiàn)的供貨能力，更不對(duì)于能夠獲得的市場(chǎng)收入。由于目前技術(shù)工藝的不完善，襯底良率水平較低，需要通過(guò)打造規(guī)模效應(yīng)打磨工藝、降低成本、獲得客戶從而形成正循環(huán)，但若布局的規(guī)模過(guò)大，投資量過(guò)大，包袱過(guò)重，運(yùn)高成本極高，若盈利能力差更會(huì)造成失血過(guò)快，現(xiàn)金流斷裂的風(fēng)險(xiǎn)；若布局的規(guī)模不夠，則又會(huì)缺乏規(guī)模效應(yīng)，市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力不夠。因此最核心的關(guān)鍵還是打磨工藝、投入研發(fā)、提升技術(shù)從而提高良率和盈利能力。落到最后，更為直觀且核心的就是能否拿到客戶訂單。襯底廠商關(guān)鍵在于盈利性，而盈利性又是由良率和訂單決定的，能賣的出去產(chǎn)品且能盈利才是硬道理。目前國(guó)內(nèi)廠商天岳先進(jìn)、天科合達(dá)已成功供應(yīng)英飛凌、博世等國(guó)際大廠。以天岳先進(jìn)為例，2021年及之前，天岳先進(jìn)主要向無(wú)線電探測(cè)、信息通信行業(yè)廠商供應(yīng)半絕緣型SiC襯底，2022年公司實(shí)現(xiàn)將部分產(chǎn)能轉(zhuǎn)移至導(dǎo)電型襯底后，陸續(xù)與國(guó)家電網(wǎng)等多個(gè)國(guó)內(nèi)客戶建立合作關(guān)系，并與英飛凌、博世集團(tuán)等海外大廠簽訂長(zhǎng)期合作協(xié)議，國(guó)內(nèi)廠商進(jìn)展飛速。3.外延：技術(shù)工藝設(shè)備相對(duì)成熟，國(guó)產(chǎn)化進(jìn)展較快3.1.外延技術(shù)相對(duì)較為成熟，外延爐是核心設(shè)備外延生長(zhǎng)技術(shù)是碳化硅器件必不可少的環(huán)節(jié)。碳化硅外延晶片是指在碳化硅襯底的基礎(chǔ)上，經(jīng)過(guò)外延工藝生長(zhǎng)出晶格一致、高純度、低缺陷的特定單晶薄膜。由于采用升華法制備的單晶襯底無(wú)法實(shí)現(xiàn)對(duì)載流子濃度的精密控制，且無(wú)法有效降低晶體缺陷，因此需要在襯底上生長(zhǎng)高質(zhì)量的外延層，可以消除襯底中的某些缺陷，使晶格排列整齊，即外延生長(zhǎng)技術(shù)是碳化硅器件必不可少的環(huán)節(jié)，外延質(zhì)量對(duì)器件性能影響極大?，F(xiàn)階段碳化硅外延制備主要通過(guò)化學(xué)氣相沉積（CVD）方法，核心設(shè)備為CVD外延生長(zhǎng)爐以進(jìn)口為主。現(xiàn)階段SiC薄膜外延的方法主要包括：化學(xué)氣相淀積（CVD）、分子束外延（MBE）、液相外延法（LPE）、脈沖激光淀積和升華法（PLD）等。目前化學(xué)氣相沉積（CVD）是最為普及的4H-SiC外延方法。其優(yōu)勢(shì)在于可以有效控制生長(zhǎng)過(guò)程中氣體源流量、反應(yīng)室溫度以及壓力，改變成膜環(huán)境，可以精準(zhǔn)控制外延生長(zhǎng)參數(shù)，具有重復(fù)性良好，設(shè)備體積適中的優(yōu)良特點(diǎn)。高品質(zhì)的碳化硅外延晶片生長(zhǎng)受到外延生長(zhǎng)過(guò)程中使用的CVD外延爐、襯底等上游設(shè)備及材料的影響。國(guó)際上已經(jīng)商業(yè)化量產(chǎn)的SiC-CVD設(shè)備有意大利LPE、德國(guó)Axitron和日本NuFlare產(chǎn)品，這三家公司也占據(jù)了國(guó)內(nèi)市場(chǎng)。由于起步晚和產(chǎn)業(yè)化水平低，國(guó)產(chǎn)設(shè)備在使用方便性、可調(diào)性、穩(wěn)定性以及運(yùn)行維護(hù)性方面與國(guó)外先進(jìn)設(shè)備相比存在較大的差距，重點(diǎn)需要提升溫場(chǎng)和流場(chǎng)的均勻性方面的技術(shù)。以芯三代、晶盛機(jī)電為代表的國(guó)內(nèi)SiC-CVD設(shè)備廠家，產(chǎn)品各項(xiàng)指標(biāo)已經(jīng)達(dá)到甚至領(lǐng)先國(guó)際先進(jìn)水平，國(guó)產(chǎn)SiC-CVD設(shè)備目前的重點(diǎn)是進(jìn)入生產(chǎn)線接受大批量生產(chǎn)考驗(yàn)。碳化硅襯底缺陷較多，需嚴(yán)格控制缺陷工藝難度較大。碳化硅襯底缺陷較多，主要包括微管缺陷（Micropipe）、多型缺陷、劃痕缺陷包裹物缺陷、層錯(cuò)缺陷、貫穿螺型位錯(cuò)（TSD）、貫穿刃型位錯(cuò)（TED）和基平面位錯(cuò)（BPD）等。許多襯底缺陷會(huì)隨著外延生長(zhǎng)延伸到外延層中，部分缺陷會(huì)轉(zhuǎn)換成外延缺陷，導(dǎo)致器件性能退化或直接失效。通過(guò)外延工藝優(yōu)化可以有效降低或消除這些外延缺陷，從而改善器件良率。優(yōu)質(zhì)的碳化硅外延生長(zhǎng)工藝不僅可以改進(jìn)碳化硅襯底缺陷，還可以減少外延自身生長(zhǎng)缺陷，大幅提升下游器件良率。3.2.外延環(huán)節(jié)國(guó)產(chǎn)化水平較高，有上下游向外延延申的趨勢(shì)全球來(lái)看外延環(huán)節(jié)呈現(xiàn)雙寡頭壟斷，國(guó)內(nèi)來(lái)看我國(guó)碳化硅外延國(guó)產(chǎn)化率水平不斷提高。頭部企業(yè)主要有Wolfspeed(Cree)、DowCorning、II-VI、Norstel、ROHM、三菱電機(jī)、Infineon等，其多數(shù)是IDM公司，CR7占據(jù)市場(chǎng)90%份額。國(guó)內(nèi)純外延產(chǎn)業(yè)化比較成熟的企業(yè)有天域半導(dǎo)體和瀚天天成，其已研制成功6英寸碳化硅外延片，且基本實(shí)現(xiàn)商業(yè)化。國(guó)內(nèi)外在碳化硅外延水平上的技術(shù)差距相對(duì)較小，均滿足3-6英寸各種外延片的生產(chǎn)。目前各大廠商均在擴(kuò)產(chǎn)8英寸襯底產(chǎn)能。國(guó)內(nèi)外廠商紛紛擴(kuò)產(chǎn)，且有上下游向外延環(huán)節(jié)延申的趨勢(shì)。一方面，外延環(huán)節(jié)技術(shù)及工藝相對(duì)襯底較為成熟；另一方面，相較純外延廠商，襯底廠商向下游外延延申可以直接為客戶提供外延產(chǎn)品，具有更強(qiáng)的客戶優(yōu)勢(shì)，晶圓廠商向上游外延延申可以縮短驗(yàn)證周期，具有更強(qiáng)的驗(yàn)證優(yōu)勢(shì)。目前碳化硅產(chǎn)業(yè)鏈已經(jīng)呈現(xiàn)出了上下游紛紛向外延環(huán)節(jié)延申的趨勢(shì)。但我們認(rèn)為長(zhǎng)期來(lái)看，當(dāng)碳化硅產(chǎn)業(yè)鏈具有一定產(chǎn)業(yè)規(guī)模時(shí)，純外延廠商作為代工廠為客戶提供代工服務(wù)，那些具有規(guī)模優(yōu)勢(shì)的廠商仍然具備顯著的成本優(yōu)勢(shì)。外延作為技術(shù)密集型和資本密集型行業(yè)，行業(yè)對(duì)技術(shù)和工藝要求較高，所需固定資產(chǎn)投入較大，固定成本分?jǐn)傒^大，因此規(guī)模優(yōu)勢(shì)有望帶來(lái)成本優(yōu)勢(shì)。4.器件及模塊：“上車方顯英雄本色”4.1.晶圓制造環(huán)節(jié)技術(shù)難度僅次于襯底，需要使用特定設(shè)備碳化硅材料特性導(dǎo)致的器件制造難度高，仍需要不斷改進(jìn)生產(chǎn)工藝。與硅基器件類似，碳化硅僅需要部分特定設(shè)備的升級(jí)或新開(kāi)發(fā)，但這些新增設(shè)備又具有一定技術(shù)難度，可以這樣理解，硅基器件發(fā)展超過(guò)70余年技術(shù)水平十分成熟，而碳化硅產(chǎn)業(yè)化也不過(guò)20余年，沒(méi)有指路人可以參考，而其自身材料特性又造成了工藝改進(jìn)慢的問(wèn)題，我們此處所指的工藝是指能夠達(dá)到批量生產(chǎn)的水平。碳化硅器件制造環(huán)節(jié)與硅基器件的制造工藝流程大體類似，主要包括光刻、清洗、摻雜、蝕刻、成膜、減薄等工藝。不少功率器件制造廠商在硅基制造流程基礎(chǔ)上進(jìn)行產(chǎn)線升級(jí)便可滿足碳化硅器件的制造需求。在此，我們僅對(duì)其需要改進(jìn)或新開(kāi)發(fā)的設(shè)備進(jìn)行探討：由于碳化硅硬和化學(xué)穩(wěn)定性高的材料特性，需要對(duì)干法刻蝕機(jī)進(jìn)行升級(jí)。由于碳化硅具有很高的硬度和化學(xué)穩(wěn)定性，碳化硅器件圖形的加工較為困難。一般采用具有較高的刻蝕分辨率、選擇性比較高的干法刻蝕方法加工，同時(shí)采用較大的刻蝕功率。碳化硅干法刻蝕機(jī)主要技術(shù)難點(diǎn)包括高潔凈抗腐蝕工藝腔體設(shè)計(jì)與制造、高性能等離子體源技術(shù)等。目前國(guó)產(chǎn)化率水平較低，以海外廠商為主，海外廠商主要包括Sentech、TEL、AMAT、Oxford等；國(guó)內(nèi)主要單位包括北方華創(chuàng)、中微半導(dǎo)體、中科院微電子所等。由于碳化硅晶格難擴(kuò)散的材料特性，需要新增高溫離子注入機(jī)，產(chǎn)業(yè)化難度較大。區(qū)別于硅可以采用擴(kuò)散或離子注入實(shí)現(xiàn)摻雜，碳化硅晶格難擴(kuò)散，摻雜需要采用更高的注入能量，一般注入能量在300KEV，基至需要到700KEV以上，高能量的離子注入的工藝制造成本高、流片效率低。高能量的離子注入會(huì)造成注入?yún)^(qū)域的損傷，為了解決注入離子激活問(wèn)題，減少注入損傷，碳化硅注入一般需要在500℃以上高溫條件下進(jìn)行。目前主要廠商以海外為主，包括ULVAC、NISSIN、AMAT等，國(guó)內(nèi)設(shè)備注入能量、束流大小、注入晶片溫度等技術(shù)指標(biāo)與國(guó)外相差不大，在產(chǎn)能等方面有待提高。根據(jù)泰科天潤(rùn)，高溫離子注入機(jī)的保有量是衡量碳化硅晶圓產(chǎn)能的關(guān)鍵，目前國(guó)內(nèi)20臺(tái)左右，價(jià)格在千萬(wàn)級(jí)別，設(shè)備交期十分漫長(zhǎng)，需要10個(gè)月到1年的時(shí)間，因此國(guó)內(nèi)部分廠商也是由于缺少高溫離子注入機(jī)而選擇代工模式。此外高溫離子注入會(huì)造成損傷，因此需要高溫退火爐。離子注入后仍需進(jìn)行高溫退火，才可以激活注入離子。N型摻雜的退火溫度一般需要大于1200℃，P型摻雜的退火溫度一般需要大于1600℃。實(shí)現(xiàn)碳化硅高溫退火爐主要技術(shù)難點(diǎn)包括高溫爐膛熱場(chǎng)設(shè)計(jì)制造工藝，快速升溫、降溫與控溫技術(shù)等。國(guó)外主要廠商主要包括Centrotherm、日本真空等。由于碳化硅具有雙元素，需要使用高溫氧化爐來(lái)制備柵極氧化層。柵氧工藝不得不面對(duì)碳原子的反應(yīng)，會(huì)形成碳相關(guān)雜質(zhì)，需要高溫氧化工藝，被業(yè)內(nèi)成為皇冠級(jí)難度。與硅柵氧化工藝不同，碳化硅高溫氧化時(shí)需要通入特定工藝氣體促進(jìn)碳原子的析出，增加了工藝的復(fù)雜性。主要技術(shù)難點(diǎn)包括無(wú)金屬加熱技術(shù)、抗氧化無(wú)污染高溫爐膛設(shè)計(jì)與制造、高溫氧化工藝等。因此面臨硅產(chǎn)業(yè)無(wú)法借鑒，工藝需要摸案、設(shè)備配套較局限，高濕爐易受污染、長(zhǎng)期穩(wěn)定性差的難點(diǎn)。國(guó)外主要廠商包括Centrotherm、東橫化學(xué)等。國(guó)內(nèi)主要廠商為北方華創(chuàng)等。由于碳化硅材料較硬且脆，需要使用更為堅(jiān)硬的背面減薄機(jī)。背面減薄機(jī)主要技術(shù)難點(diǎn)包括高硬度材料減薄厚度的精確測(cè)量及控制，磨削后晶圓表面出現(xiàn)損傷層、微裂紋和殘余應(yīng)力，SiC晶圓減薄后產(chǎn)生比Si晶圓更大的翹曲現(xiàn)象等。國(guó)外主要廠商包括日本不二越、Disco等，國(guó)內(nèi)設(shè)備主要差距在于產(chǎn)業(yè)化程度有待進(jìn)一步提高。4.2.器件仍以海外廠商為主，國(guó)內(nèi)廠商不斷跟進(jìn)目前，碳化硅器件的市場(chǎng)份額以海外廠商為主。2022年意法半導(dǎo)體仍然居首，碳化硅功率器件營(yíng)收增加到7億美元；英飛凌次之，Wolfspeed居于第三（僅包括器件），安森美以2.6億美元的營(yíng)收，超過(guò)了日本廠家羅姆晉級(jí)第四。部分原因在于安森美從碳化硅襯底、外延、裸片，再到單管和模塊封裝測(cè)試完全垂直整合，而羅姆在單價(jià)更高的碳化硅模塊，特別是車規(guī)產(chǎn)品較少。按照CR5中部分企業(yè)公布的數(shù)據(jù)，以及01芯聞公眾號(hào)的統(tǒng)計(jì)，2022年意法碳化硅功率器件的市占率低點(diǎn)為37%，高點(diǎn)為40%。英飛凌和Wolfspeed則占據(jù)了20%左右的市場(chǎng)。安森美緊隨隨后，份額為14%。最后，根據(jù)數(shù)據(jù)來(lái)源的不同，羅姆市占率在7%-11%之間。海外頭部大廠一體化趨勢(shì)明顯，通過(guò)自建或收購(gòu)或合作等方式加快上下游整合。頭部五家大廠除英飛凌外，均采用垂直整合的方式自建襯底產(chǎn)能。2023年英飛凌與ResonacCorporation簽署了全新的多年期供應(yīng)和合作協(xié)議，并于天科合達(dá)、天岳先進(jìn)簽訂了供應(yīng)協(xié)議，充分保障襯底供應(yīng)。其他大廠通過(guò)自建或收購(gòu)或合作等方式加快上下游整合，根據(jù)Evertiq的數(shù)據(jù)，近年來(lái)SiC行業(yè)內(nèi)并購(gòu)數(shù)量明顯增加，以美國(guó)為例，2006-2022年間共發(fā)生9起SiC企業(yè)并購(gòu)案件，其中7起發(fā)生于2018年及以后。國(guó)內(nèi)廠商不斷跟進(jìn)，相比海外大廠還有一定差距。目前，國(guó)產(chǎn)碳化硅二極管已經(jīng)能夠穩(wěn)定交付，整體產(chǎn)業(yè)鏈也較為完善，國(guó)內(nèi)廠商在二極管、MOS單管已具備一定性價(jià)比優(yōu)勢(shì)。通過(guò)國(guó)產(chǎn)廠商的勤奮努力，碳化硅二極管成本不斷下降，在工業(yè)、光伏儲(chǔ)能等行業(yè)形成了廣泛地國(guó)產(chǎn)替代。根據(jù)碳化硅芯觀察調(diào)研，國(guó)內(nèi)SiCSBD產(chǎn)品2017年的價(jià)格在4.1元/A左右，2020年下降到了1.58元/A，2023年上半年國(guó)內(nèi)廠家普遍報(bào)價(jià)在0.5-0.6元/A。但在器件方面，仍與海外廠商有較大差距，器件技術(shù)水平要求最高的就是新能源汽車主驅(qū)逆變器，目前僅斯達(dá)半導(dǎo)、比亞迪半導(dǎo)體、芯聚能有碳化硅主驅(qū)功率模塊成功上車，其他器件廠商上車的多為在OBC、DC/DC上的應(yīng)用及技術(shù)儲(chǔ)備。4.3.國(guó)產(chǎn)化上主驅(qū)還要經(jīng)歷一段嚴(yán)苛漫長(zhǎng)的歷程國(guó)產(chǎn)碳化硅模塊上車需要經(jīng)過(guò)多輪嚴(yán)苛的可靠性測(cè)試，最短需要26個(gè)月時(shí)間。一般碳化硅模塊上車要經(jīng)過(guò)兩個(gè)階段，第一個(gè)階段是產(chǎn)品在大量工業(yè)場(chǎng)景的驗(yàn)證打磨，工業(yè)場(chǎng)景的要求相對(duì)沒(méi)有新能源車要求嚴(yán)苛，通過(guò)在大量工業(yè)場(chǎng)景，如充電樁、光伏逆變器等的大面積應(yīng)用，通過(guò)小電流碳化硅MOSFET在工業(yè)化領(lǐng)域的規(guī)?；瘧?yīng)用獲得反饋不斷打磨改進(jìn)，而后進(jìn)入新能源車的OBC、DC/DC等場(chǎng)景，積累大電流的碳化硅MOSFET的技術(shù)經(jīng)驗(yàn)，有技術(shù)成熟的大功率碳化硅MOSFET模塊產(chǎn)品后才進(jìn)入第二個(gè)階段的主驅(qū)逆變器的驗(yàn)證上車，這又需要經(jīng)歷拿到可靠性測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)及多輪性能測(cè)試。目前備客戶所認(rèn)可的功率半導(dǎo)體器件可靠性測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)有兩種，即AQG-324（針對(duì)模塊）與AEC-Q101（針對(duì)晶圓），分別代表著模塊與單管兩種器件的測(cè)試要求；根據(jù)泰科天潤(rùn)，性能測(cè)試要經(jīng)歷3輪性能測(cè)試，保守估計(jì)最短也需要26個(gè)月時(shí)間，且毫無(wú)“僥幸”通過(guò)的可能。盡管國(guó)內(nèi)企業(yè)在SiC器件領(lǐng)域起步較晚，但面對(duì)全球市場(chǎng)快速增長(zhǎng)，疊加國(guó)內(nèi)企業(yè)在新能源車、光伏逆變器等終端品牌市場(chǎng)份額的逐步提升，我國(guó)企業(yè)已經(jīng)切入了SiC二極管或較高導(dǎo)通電阻的MOS產(chǎn)品，滿足消費(fèi)類產(chǎn)品、工業(yè)電源、車載充電機(jī)及小功率光伏組串式逆變器領(lǐng)域應(yīng)用，之后逐步將產(chǎn)品迭代至低導(dǎo)通電阻MOS，并補(bǔ)足模塊封裝實(shí)力，未來(lái)有望逐漸通過(guò)低端車到高端車定點(diǎn)或深度綁定車企或幫助車企代工等方式，逐漸成為新能源汽車主逆變器碳化硅功率器件的供應(yīng)商。5.全產(chǎn)業(yè)鏈齊心協(xié)力推進(jìn)低成本、高質(zhì)量、大批量的產(chǎn)業(yè)化碳化硅材料、工藝、應(yīng)用突