碳化硅襯底切割行業(yè)分析1、碳化硅引領(lǐng)半導(dǎo)體材料迎來新機(jī)遇1.1.復(fù)盤硅晶圓發(fā)展歷程，8英寸襯底將成為主流1.1.1.12英寸是經(jīng)濟(jì)性最佳的硅晶圓尺寸大尺寸半導(dǎo)體晶圓成本優(yōu)勢(shì)明顯，12英寸晶圓產(chǎn)成品的單位成本較8英寸低50%。12英寸晶圓的面積較8英寸晶圓提高118%左右，可利用面積更大。另外隨著制程提高，芯片制造工藝對(duì)硅片缺陷密度與缺陷尺寸的容忍度也在不斷降低，晶圓邊緣部分存在不平整和大量缺陷，使用晶圓制造芯片時(shí)僅可以利用中間部分，由于邊緣芯片減少，使用12英寸晶圓的成品率將上升。考慮到12寸晶圓成本較8英寸晶圓高50%但產(chǎn)出量是8英寸晶圓的3倍，使用12寸晶圓可以實(shí)現(xiàn)近50%的降本。大尺寸半導(dǎo)體晶圓具有性能優(yōu)勢(shì)。相較于在8英寸晶圓，12英寸半導(dǎo)體晶圓可支持的金屬層數(shù)更多，而且可以縮小晶體管體積、提高布線密度。另外12英寸晶圓能夠?qū)崿F(xiàn)更高的電流密度耐受性和更好的抗電遷移效應(yīng)。經(jīng)濟(jì)性和性能得到驗(yàn)證后，12英寸半導(dǎo)體晶圓成為擴(kuò)產(chǎn)能的主要品類。在2002-2003年研發(fā)成功以來，12英寸半導(dǎo)體晶圓逐漸憑借經(jīng)濟(jì)性和性能優(yōu)勢(shì)逐漸取代8英寸半導(dǎo)體晶圓成為半導(dǎo)體晶圓的主要尺寸，12英寸晶圓產(chǎn)能及出貨量迅速提升，2020年12英寸晶圓出貨面積占比為69%，較8英寸晶圓出貨面積占比高45%。12英寸成為半導(dǎo)體晶圓的主流尺寸，上游設(shè)備商已基本停產(chǎn)8英寸晶圓設(shè)備。由于晶圓廠的主要出貨產(chǎn)品類型從8英寸切換到12英寸，上游設(shè)備商逐漸減少了8英寸晶圓設(shè)備出貨量，2016-2017年ASML、AMAT和LRCX等設(shè)備供應(yīng)商已逐漸停產(chǎn)了8英寸晶圓設(shè)備。雖然2018年汽車電子、物聯(lián)網(wǎng)等新應(yīng)用快速發(fā)展帶來了對(duì)8英寸晶圓的需求，8英寸晶圓的供給趨緊，但是由于主要設(shè)備廠商已停產(chǎn)，因此市場(chǎng)上流通的多為二手設(shè)備。由于18英寸晶圓成本過高，行業(yè)已將關(guān)注重點(diǎn)轉(zhuǎn)移至研發(fā)先進(jìn)制程。芯片廠降低生產(chǎn)成本主要有采用先進(jìn)制程和增加晶圓尺寸兩種方法，2012年英特爾等頭部廠商宣布將研發(fā)18英寸半導(dǎo)體晶圓后，經(jīng)過5年左右的開發(fā)，行業(yè)逐漸放棄了開發(fā)18英寸半導(dǎo)體晶圓的嘗試。根據(jù)SEMI的預(yù)測(cè)，18英寸晶圓開發(fā)需要1000億美元研發(fā)成本，是12英寸的9倍；同時(shí)單個(gè)18英寸晶圓廠需要投入100億美元，但是單位面積芯片成本僅下降了8%，良率和效率提升并不明顯，行業(yè)已基本放棄推進(jìn)18英寸晶圓開發(fā)。晶圓廠商不會(huì)持續(xù)追求晶圓拓徑。受到以下因素影響，半導(dǎo)體晶圓廠商在晶圓尺寸擴(kuò)大至12英寸后并未繼續(xù)推進(jìn)晶圓尺寸提高到18英寸：1）擴(kuò)徑帶來的成本邊際降低幅度逐漸降低，直至將增加成本；2）在擴(kuò)徑過程中，頭部晶圓廠的市場(chǎng)份額和話語權(quán)持續(xù)提升，以臺(tái)積電為代表的晶圓代工廠為了保持市場(chǎng)地位和話語權(quán)，反對(duì)繼續(xù)擴(kuò)徑，；3）晶圓擴(kuò)徑需要產(chǎn)業(yè)鏈配合，以光刻機(jī)為例，由于下游需求有限，ASML在2013年就停止了18英寸光刻機(jī)開發(fā)并且在下游需求改善之前不會(huì)再次進(jìn)行開發(fā)工作。1.1.2.襯底擴(kuò)徑至8英寸是國產(chǎn)碳化硅設(shè)備商的機(jī)遇期參考硅晶圓尺寸發(fā)展歷程，我們認(rèn)為8英寸襯底將是邊際成本遞減的拐點(diǎn)尺寸。將硅晶圓尺寸擴(kuò)大至18英寸后所需的研發(fā)支出和固定資產(chǎn)投入將大幅提升，帶來的產(chǎn)品單位成本降幅有限，廠商擴(kuò)徑動(dòng)力有限。參考半導(dǎo)體晶圓的發(fā)展歷程，我們認(rèn)為8英寸將是碳化硅襯底的主流尺寸，未來繼續(xù)擴(kuò)徑動(dòng)力有限。相較于6英寸襯底，8英寸襯底的經(jīng)濟(jì)性更高，將成為主流襯底尺寸。根據(jù)Wolfspeed數(shù)據(jù)，從6英寸升級(jí)到8英寸，襯底的加工成本有所增加，但合格芯片產(chǎn)量可以增加80%-90%；同時(shí)8英寸襯底厚度增加有助于在加工時(shí)保持幾何形狀、減少邊緣翹曲度，降低缺陷密度，從而提升良率，采用8英寸襯底可以將單位綜合成本降低50%。目前全球碳化硅襯底主流尺寸為6英寸，正在向8英寸襯底過渡中，國內(nèi)碳化硅襯底主流尺寸則為4英寸并向6英寸襯底過渡。8英寸是國內(nèi)廠商實(shí)現(xiàn)彎道超車的機(jī)會(huì)。目前8英寸襯底的經(jīng)濟(jì)性已經(jīng)跑通，Wolfspeed、Rohm和英飛凌等海外頭部廠商的8英寸襯底項(xiàng)目已啟用或在建設(shè)中。主流襯底尺寸將從6英寸切換到8英寸的行業(yè)趨勢(shì)已較為明確，在這種情況下如果國內(nèi)設(shè)備廠商仍大幅提升6英寸襯底設(shè)備產(chǎn)能將面臨“投產(chǎn)即落后”的問題，我們認(rèn)為設(shè)備廠商在本階段應(yīng)該重點(diǎn)突破和布局8英寸襯底設(shè)備產(chǎn)能，以實(shí)現(xiàn)彎道超車。1.2.碳化硅材料優(yōu)勢(shì)明顯傳統(tǒng)半導(dǎo)體材料應(yīng)用領(lǐng)域受限，碳化硅材料空間廣闊。目前半導(dǎo)體材料由以硅、鍺為主的第一代半導(dǎo)體材料，發(fā)展到以砷化鎵為代表的第二代半導(dǎo)體材料，以碳化硅、氮化鎵為主的第三代半導(dǎo)體材料。硅基材料為目前應(yīng)用最普遍的半導(dǎo)體材料，但在高壓平臺(tái)的應(yīng)用上接近發(fā)展極限。砷化鎵材料主要應(yīng)用于通信領(lǐng)域，由于禁帶寬度不夠大等因素，在高溫、高頻、高功率的應(yīng)用領(lǐng)域受限。碳化硅材料因其優(yōu)越的性能可以提高器件使用效率，并更好的應(yīng)用于高壓、高頻、高溫等場(chǎng)景。雖然現(xiàn)階段襯底制備難度大推高了器件成本，隨著技術(shù)迭代、產(chǎn)能擴(kuò)張、尺寸擴(kuò)徑推動(dòng)襯底成本下降，碳化硅材料將快速滲透。碳化硅（SiC）由碳元素和硅元素組成，與氮化鎵（GaN）等同為第三代化合物半導(dǎo)體材料。天然碳化硅十分罕見，多為人工制造。碳化硅有200多種晶型，主流晶型為4H-SiC，是碳化硅器件的首選。碳化硅的硬度很大，莫氏硬度為9.5級(jí)，僅次于世界上最硬的金剛石，具有優(yōu)良的導(dǎo)熱性能。碳化硅作為第三代半導(dǎo)體具有優(yōu)越的材料特性。和以硅為代表的第一代單元素半導(dǎo)體材料和以砷化鎵為代表的第二代化合物半導(dǎo)體材料相比，碳化硅具有寬禁帶、高熱導(dǎo)率、高擊穿電場(chǎng)強(qiáng)度等優(yōu)越的材料特性，使得以碳化硅制成的半導(dǎo)體器件能夠滿足高溫、高壓、高頻等條件下的應(yīng)用需求。碳化硅器件替代硅器件為必然趨勢(shì)。碳化硅器件相對(duì)于硅器件的優(yōu)勢(shì)如下：1）耐高溫：碳化硅的禁帶寬度和熱導(dǎo)率均為硅的3倍左右，理論上碳化硅器件能在超600℃的環(huán)境下工作，硅器件的極限工作環(huán)境局限在175℃。2）耐高壓：碳化硅的擊穿電場(chǎng)強(qiáng)度是硅的10倍左右，極大地提高了器件的耐壓特性。3）低損耗：碳化硅擁有約2倍于硅的飽和電子漂移速率與極低的導(dǎo)通電阻，能夠降低能量損耗，如相同規(guī)格的碳化硅基MOSFET較硅基IGBT的總能量損耗可降低70%，提高轉(zhuǎn)化效率。新能源汽車、光伏等應(yīng)用場(chǎng)景對(duì)高壓平臺(tái)的需求逐漸提高，使用碳化硅替代硅來制備半導(dǎo)體器件能夠在高溫高壓環(huán)境下，以較少的電能消耗，發(fā)揮更高的工作效率。1.3.下游應(yīng)用需求旺盛推動(dòng)碳化硅器件高速發(fā)展碳化硅產(chǎn)業(yè)鏈包括碳化硅襯底制備、外延生長和器件制造，最終應(yīng)用于新能源、光伏等領(lǐng)域。根據(jù)電阻率的不同，碳化硅襯底可劃分為導(dǎo)電型襯底和半絕緣型襯底。導(dǎo)電型襯底的電阻率在15~30mΩ·cm，可以進(jìn)一步生產(chǎn)碳化硅外延片，最終制成功率器件，應(yīng)用于新能源汽車、光伏和軌道交通等領(lǐng)域。半絕緣型碳化硅襯底的電阻率高于105Ω·cm，生成氮化鎵外延片制成射頻器件之后應(yīng)用于5G通訊、國防等領(lǐng)域。海外廠商在碳化硅功率器件領(lǐng)域市占率較高。受下游新能源汽車和光伏等領(lǐng)域的需求拉動(dòng)，碳化硅功率器件的市場(chǎng)將迅速拓展。碳化硅功率器件廠商以IDM模式為主，全球市場(chǎng)多由海外企業(yè)占據(jù)，根據(jù)Yole統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，CR5廠商為意法半導(dǎo)體、英飛凌、Wolfspeed、Rohm和安森美，2021年市占率分別為37%/21%/14%/9%/7%，合計(jì)占比達(dá)到88%。國內(nèi)碳化硅器件制造起步較晚，目前二極管技術(shù)水平已經(jīng)接近歐美廠商，泰科天潤、華潤微的產(chǎn)品已經(jīng)通過車規(guī)級(jí)認(rèn)證；由于結(jié)構(gòu)復(fù)雜，工藝技術(shù)不成熟，國內(nèi)企業(yè)尚未實(shí)現(xiàn)MOSFET器件的量產(chǎn)。2027年全球碳化硅器件規(guī)模高達(dá)63億美元。根據(jù)Yole數(shù)據(jù)，2025年全球功率器件中SiC滲透率將達(dá)到11.6%；全球碳化硅器件市場(chǎng)規(guī)模將從2021年的10.9億美元增長至2027年的63億美元，6年CAGR為34%。作為第一大應(yīng)用領(lǐng)域，汽車SiC市場(chǎng)規(guī)模將從2021年的6.9億美元增至2027年的近50億美元，市場(chǎng)占有率由63%提升至79%，CAGR高達(dá)39%，較碳化硅器件市場(chǎng)整體增速高5pct。汽車是碳化硅最主要的應(yīng)用領(lǐng)域，2027年市場(chǎng)空間將達(dá)到50億美元。碳化硅器件在新能源車領(lǐng)域主要應(yīng)用于電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)逆變器、電源轉(zhuǎn)換系統(tǒng)（車載DC/DC）和電動(dòng)汽車車載充電系統(tǒng)（OBC）等方面。1）逆變器：根據(jù)Wolfspeed預(yù)測(cè)，2026年主驅(qū)逆變器搭載SiC的價(jià)值量占單車碳化硅價(jià)值總量將超80%。800V高壓平臺(tái)將成為主流高壓平臺(tái)，電驅(qū)逆變器使用碳化硅MOSFET將增加成本200美元，但碳化硅MOSFET具有高耐壓、低導(dǎo)通損耗、低開關(guān)損耗等優(yōu)點(diǎn)，取代硅IGBT應(yīng)用于800V高壓平臺(tái)的新能源汽車后可以將續(xù)航能力提升5%-10%，單車可節(jié)省400-800美元電池成本，最終降低單車成本200-600美元，搭載碳化硅元器件的逆變器具有綜合成本優(yōu)勢(shì)。2）直流轉(zhuǎn)換器（DC/DC）：基于碳化硅制造的功率器件，具有開關(guān)頻率高、功率密度大的特性，能將氫能汽車燃料電池DC/DC變換器的系統(tǒng)平均效率提升超97%，最高效率可達(dá)99%。3）車載充電系統(tǒng)(OBC)：對(duì)于功率密度要求較高，且原650V器件難以安全工作，SiCMOSFET替代Si-IGBT能讓OBC滿足高功率密度的要求，勝任800V高壓平臺(tái)的工作，減少能量損耗，提升效率，總尺寸縮小60%，降低系統(tǒng)成本。能源是碳化硅的第二大應(yīng)用領(lǐng)域，2027年市場(chǎng)空間將達(dá)到4.6億美元。逆變器作為光伏發(fā)電系統(tǒng)的“大腦”，其轉(zhuǎn)換效率的提高對(duì)整個(gè)發(fā)電系統(tǒng)起到非常關(guān)鍵的作用，而采用碳化硅MOSFET功率器件能夠?qū)⒐夥孀兤鞯霓D(zhuǎn)換效率從96%提升至99%以上。目前光伏組件的壽命約為20年左右，硅器件逆變器的壽命不超過10年，光伏組件的全生命周期內(nèi)至少需要消耗2個(gè)逆變器，使用碳化硅器件的逆變器能夠降低超50%的能量損耗，提升50倍設(shè)備循環(huán)壽命。2020年碳化硅功率器件在光伏領(lǐng)域滲透率約為10%，隨著光伏電壓等級(jí)提升至1500V，碳化硅功率器件將成為必選器件。充電樁領(lǐng)域，碳化硅器件主要應(yīng)用于充電模塊，價(jià)值量占比超50%。目前碳化硅器件在充電樁的滲透率僅為10%左右。在直流樁充電模塊朝著大功率發(fā)展的趨勢(shì)下，碳化硅的器件體積小，并能充電樁提高約30%的輸出功率，降低近50%的損耗，從而提高單個(gè)充電模塊的功率，降低系統(tǒng)成本，應(yīng)用前景廣闊。1.4.襯底是碳化硅器件的降本核心碳化硅器件成本是硅器件的4倍左右。天然碳化硅材料稀缺，需要人工進(jìn)行合成，而碳化硅制備環(huán)節(jié)難度大，襯底產(chǎn)出良率較低，導(dǎo)致碳化硅器件的價(jià)格是硅器件的4倍左右。雖然性能優(yōu)勢(shì)明顯，但是受到成本較高影響，材料滲透率不超過3%，而硅器件滲透率超過95%。但碳化硅器件具有高頻、低損耗、體積小等卓越性能，可以降低下游應(yīng)用的綜合成本。隨著碳化硅制備技術(shù)的成熟、產(chǎn)能擴(kuò)張等因素，成本將逐步下降，Yole預(yù)測(cè)碳化硅滲透率在2023年有望達(dá)到3.75%。碳化硅襯底在器件成本中占比為47%。硅襯底只占器件成本約10%，而碳化硅襯底在器件成本中占比為47%，為價(jià)值量最高的原材料，碳化硅襯底成本占比高的原因?yàn)榫C合良率僅為40%左右，而硅襯底制備綜合良率超過85.5%，分環(huán)節(jié)來看：1）長晶環(huán)節(jié)，襯底制備的長晶環(huán)節(jié)對(duì)工藝要求高，良率偏低，國內(nèi)領(lǐng)先企業(yè)良率僅為50%左右，而硅料長晶環(huán)節(jié)良率高達(dá)90%；2）加工環(huán)節(jié)，碳化硅的硬度大且脆性高，使得加工環(huán)節(jié)的切割破損率高，相較于硅料加工環(huán)節(jié)高于95%的良率，碳化硅加工環(huán)節(jié)的良率約為70%。襯底制備技術(shù)迭代有助于提高產(chǎn)能和良率。晶體生長方面，長晶爐的產(chǎn)出率在逐步上升，根據(jù)天岳先進(jìn)數(shù)據(jù)，長晶爐單臺(tái)年產(chǎn)能從2019年的84片提升至2021年的115片，并預(yù)計(jì)于2026年增長至375片。切片方面，多線切割為切片環(huán)節(jié)的主流技術(shù)，并處于金剛線切割替代砂漿切割的進(jìn)程中；金剛線切割技術(shù)能將切割速度提高14倍，產(chǎn)能提升4倍；激光切割作為多線切割的替代方案，具有更高的切割精度和效率。尺寸擴(kuò)徑、廠商擴(kuò)產(chǎn)以及制備技術(shù)更新有助于碳化硅襯底產(chǎn)量進(jìn)一步提升，降低襯底成本并加速碳化硅器件的滲透。根據(jù)CASA數(shù)據(jù)，2026年之前SiC襯底價(jià)格以每年5%-10%的幅度下降。1.5.碳化硅廠商積極擴(kuò)產(chǎn)，但仍存在巨大供需缺口預(yù)計(jì)2025年全球6英寸碳化硅襯底需求將達(dá)到677萬片。根據(jù)Wolfspeed數(shù)據(jù),碳化硅在新能源車和光伏領(lǐng)域應(yīng)用占比將由2021年的77.1%提升至2027年的86.5%，新能源車和光伏領(lǐng)域?qū)⑹翘蓟璧膬纱笾饕獞?yīng)用場(chǎng)景。我們將重點(diǎn)對(duì)這兩個(gè)領(lǐng)域進(jìn)行測(cè)算，并以新能源車和光伏領(lǐng)域的應(yīng)用占比測(cè)算全球6英寸碳化硅襯底總需求量。1）新能源車領(lǐng)域：根據(jù)中國汽車工業(yè)協(xié)會(huì)數(shù)據(jù)，我們測(cè)算2022年1-9月全球搭載碳化硅主驅(qū)的車型銷量合計(jì)超130萬臺(tái)，在全球總銷量681萬臺(tái)中滲透率接近20%，隨著碳化硅器件在800V高壓平臺(tái)的滲透率逐漸提升，我們預(yù)計(jì)碳化硅在新能源車的滲透率2025年將達(dá)到40%。目前單車6寸碳化硅襯底需求量為0.16片，隨著碳化硅應(yīng)用范圍拓展至OBC、DC/DC等領(lǐng)域，未來6寸碳化硅襯底需求量將升為0.5片，預(yù)計(jì)2025年新能源車領(lǐng)域?qū)μ蓟枰r底的需求將達(dá)到802萬片。2）光伏領(lǐng)域：根據(jù)CASA數(shù)據(jù)，2021年碳化硅在光伏逆變器領(lǐng)域的滲透率為10%，預(yù)期2022-2025年分別為15%/20%/30%/50%。目前1GW光伏逆變器的IGBT模塊采購額約2000-2500萬元，碳化硅器件的價(jià)格約為硅基IGBT的3-4倍，并呈下降趨勢(shì)，我們預(yù)計(jì)2022-2025年碳化硅器件的價(jià)格分別為硅基器件的3.5/3//2/1.5倍，對(duì)應(yīng)價(jià)格分別為7875/6750/4500/3375萬元，碳化硅器件市場(chǎng)規(guī)模將分別為29/38/42/60億元。襯底成本的下降將降低襯底價(jià)值量占比，我們預(yù)計(jì)該占比在2025年降至40%。根據(jù)以上假設(shè)，我們測(cè)算2025年光伏領(lǐng)域?qū)μ蓟枰r底的需求將達(dá)到42萬片。海外頭部廠商在提高現(xiàn)有6英寸產(chǎn)能的同時(shí)積極提升8英寸產(chǎn)產(chǎn)能。Wolfspeed目前碳化硅6英寸襯底產(chǎn)能約為50萬片，Coherent現(xiàn)有6英寸碳化硅襯底年產(chǎn)能約為20萬片，同時(shí)Wolfspeed和Coherent均計(jì)劃5年內(nèi)將產(chǎn)能擴(kuò)張5-10倍。Rohm現(xiàn)有6英寸產(chǎn)能約為20萬片，預(yù)計(jì)2025年將產(chǎn)能擴(kuò)展至30-40萬片。海外廠商在提出大幅提高6英寸襯底產(chǎn)能的同時(shí)積極拓展8英寸襯底產(chǎn)能，Wolfspeed于2023年4月啟用了全球首家8英寸碳化硅晶圓廠。國內(nèi)廠商仍著力于提升6英寸襯底產(chǎn)能，8英寸產(chǎn)能落地仍需一定時(shí)間。國內(nèi)廠商現(xiàn)有6英寸襯底產(chǎn)能約為15萬片，天岳先進(jìn)、東尼電子、露笑科技等廠商積極開展拓產(chǎn)項(xiàng)目，根據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，現(xiàn)有國內(nèi)廠商規(guī)劃產(chǎn)能投產(chǎn)后總產(chǎn)能將超過200萬片/年。但目前國內(nèi)廠商在8英寸碳化硅襯底方面較海外廠商仍存在較大差距，現(xiàn)有產(chǎn)能尚處于實(shí)驗(yàn)室階段。2025年全球碳化硅襯底仍有218萬片的缺口。Wolfspeed、Coherent和Rohm的襯底綜合良率分別為70%/60%/60%左右，并預(yù)計(jì)在2023-2025年內(nèi)維持該良率水平。目前國內(nèi)碳化硅廠商的平均綜合良率約為40%，隨著襯底制備技術(shù)的逐漸成熟，市場(chǎng)預(yù)計(jì)2025年綜合良率可以提升至50%。根據(jù)上述現(xiàn)有產(chǎn)能數(shù)據(jù)以及未來產(chǎn)能規(guī)劃，我們預(yù)計(jì)全球碳化硅襯底有效產(chǎn)能將從2022年的65萬片提升至2025年405萬片，因此2025年將存在272萬片的產(chǎn)能缺口。2.碳化硅襯底制備環(huán)節(jié)較多，國產(chǎn)化進(jìn)展有限2.1.襯底制備重在晶體生長和晶錠切割碳化硅襯底的制備首先由高純硅、碳粉在高溫下合成SiC微粉后，通過物理氣相沉積法（PVT）生長成為晶錠，之后加工得到標(biāo)準(zhǔn)直徑尺寸的碳化硅晶體，再經(jīng)過切磨拋工藝獲得表面無損傷的碳化硅拋光片。2.1.1.原料合成首先將高純硅粉和高純碳粉按工藝配方均勻混合，在2,000℃以上的高溫條件下，于反應(yīng)腔室內(nèi)通過特定反應(yīng)及去除雜質(zhì)合成碳化硅顆粒后，經(jīng)過破碎、篩分、清洗等工序制得高純度碳化硅粉原料。粉料是晶體生長的原料，其粒度和純度都會(huì)直接影響晶體質(zhì)量。目前襯底廠商均可自行生產(chǎn)高純度碳化硅粉料。2.1.2.晶體生長PVT法是產(chǎn)業(yè)化合成碳化硅晶體的主流方法。碳化硅晶體生長方法主要有物理氣相傳輸法（PVT）、液相外延法（LPE）和高溫化學(xué)氣相沉積法（HT-CVD）。LPE法具有質(zhì)量高、缺陷少等特點(diǎn)，但目前主要用于實(shí)驗(yàn)室生長的小尺寸晶體，技術(shù)還不成熟且多為日本住友獨(dú)家掌握。PVT法和HT-CVD法均可用于商業(yè)化生產(chǎn)，PVT法相較于HT-CVD法具有設(shè)備簡(jiǎn)單、設(shè)備價(jià)格低、操作容易控制等特點(diǎn)，是用于商業(yè)化生產(chǎn)晶體的主流方法，90%的襯底廠商均選擇PVT法制備晶體。PVT法長晶條件苛刻，工藝還需時(shí)間優(yōu)化。PVT法長晶需要在2,300°C以上高溫、接近真空的低壓下的密閉生長腔室加熱碳化硅粉料，通過氣相升華和溫場(chǎng)控制使升華的組分在籽晶表面再結(jié)晶得到碳化硅單晶。該環(huán)節(jié)對(duì)工藝要求極高，目前面臨的主要技術(shù)挑戰(zhàn)包括：1）在高溫且密閉腔室內(nèi)進(jìn)行反應(yīng)，極易發(fā)生不同晶型之間的轉(zhuǎn)化，難以得到所需的特定晶型；2）生長速度僅為0.2-0.3mm/h，7天才能生長2cm左右，而硅棒拉晶速度可達(dá)30-150mm/h，只需2-3天便可拉出約2m的8英寸硅棒；3）難以控制碳化硅晶體內(nèi)部雜質(zhì)濃度；4）由于坩堝內(nèi)部溫度分布不均引發(fā)的缺陷。在此領(lǐng)域深耕35年的Wolfspeed技術(shù)領(lǐng)先，所生長出的晶錠厚度為5-6cm。國內(nèi)對(duì)長晶環(huán)節(jié)所涉及到材料學(xué)、物理、化學(xué)等領(lǐng)域的配比以及對(duì)熱場(chǎng)設(shè)計(jì)等參數(shù)控制的經(jīng)驗(yàn)不足，所生長出的晶錠厚度僅為2cm，且良率僅為50%，因此仍需較長時(shí)間來累積經(jīng)驗(yàn)。2.1.3.晶錠加工首先將碳化硅晶錠使用X射線單晶定向儀進(jìn)行定向，之后通過精密機(jī)械加工的方式加工成標(biāo)準(zhǔn)直徑尺寸和角度的碳化硅晶錠。2.1.4.晶錠切割切割是加工碳化硅最關(guān)鍵的工藝，占整個(gè)加工成本的50%以上。該過程需要使用切割技術(shù)及設(shè)備將碳化硅晶錠切割成厚度不超過1mm的晶片，要求翹曲度小、厚度均勻、良率高。由于碳化硅硬度大、易脆裂的特性，晶錠切割難度大、磨損率高。碳化硅的切割技術(shù)包括砂漿線切割、金剛線切割和激光切割三種，其中金剛線切割技術(shù)是主流。2.1.5.晶片研磨、拋光、清洗晶片研磨通過不同顆粒粒徑的金剛石研磨液將晶片研磨到所需的平整度和粗糙度，去除切割過程中造成的碳化硅切片表面的刀痕以及表面損傷層。晶片拋光的目的是進(jìn)一步提高晶片的表面質(zhì)量，得到表面無損傷的碳化硅拋光片。碳化硅晶片拋光主要有機(jī)械拋光和化學(xué)機(jī)械拋光方法，其中化學(xué)機(jī)械拋光方法是目前實(shí)現(xiàn)碳化硅晶片全局平坦化最有效的方法。晶片清洗碳化硅晶片表面的污染物。以清洗藥劑和純水對(duì)碳化硅拋光片進(jìn)行清洗處理，去除拋光片上殘留的拋光液等表面沾污物，再通過超高純氮?dú)夂退Ω蓹C(jī)將晶片吹干、甩干。2.2.設(shè)備國產(chǎn)化率仍有較大提升空間碳化硅襯底產(chǎn)業(yè)鏈主要包括碳化硅粉料合成爐、單晶生長爐、切片機(jī)、研磨機(jī)、拋光機(jī)設(shè)備。由于碳化硅材料對(duì)儀器的精度和穩(wěn)定性要求高，切片機(jī)、研磨機(jī)和拋光機(jī)設(shè)備依然以進(jìn)口為主，正在逐步國產(chǎn)化。2.2.1.碳化硅粉料合成爐碳化硅粉料合成爐用于原料合成環(huán)節(jié)，以制備高純度粉料。此環(huán)節(jié)工藝和設(shè)備相對(duì)簡(jiǎn)單，價(jià)值量較低。國外主要廠商包括Wolfspeed、Aymont等，合成粉體純度可達(dá)99.9995%。國內(nèi)主要為中國電科二所、山東天岳、天科合達(dá)和中科院硅酸鹽所等，平均粉體純度為99.999%。2.2.2.單晶生長爐單晶生長爐用于晶體生長環(huán)節(jié)，基本實(shí)現(xiàn)國產(chǎn)化。單晶生長爐是使用PVT法長晶的主要設(shè)備，由于長晶環(huán)節(jié)對(duì)工藝的要求高，目前長晶爐單臺(tái)產(chǎn)能效率較低且提升速度緩慢。以天岳先進(jìn)為例，2021年其長晶爐的單臺(tái)年產(chǎn)能約為115片，同比增速僅為3.6%。長晶環(huán)節(jié)的壁壘主要體現(xiàn)在工藝而非設(shè)備，并且長晶爐成本可控，價(jià)值量不超過100萬元，因此該設(shè)備多為襯底制造廠商自主研發(fā)。2.2.3.切片機(jī)切片機(jī)用于碳化硅晶錠切割，由于碳化硅硬度大、易脆裂的特性，晶錠切割難度大、易磨損，對(duì)設(shè)備穩(wěn)定性的要求非常高。國際主流切割技術(shù)多為金剛線多線切割，其中日本高鳥的金剛石多線切割機(jī)占據(jù)80%以上市場(chǎng)份額。國內(nèi)襯底廠商中超90%使用砂漿切割，金剛線多線切割機(jī)目前國產(chǎn)化率低，處于逐漸替代砂漿切割的過程中，高測(cè)股份于2022年率先出貨12臺(tái)首款高速碳化硅金剛線切片專機(jī)。激光切割技術(shù)設(shè)備多為進(jìn)口，價(jià)格昂貴，國內(nèi)大族激光、德龍激光和英諾激光正在積極研發(fā)，國產(chǎn)化后有望大幅降價(jià)。2.2.4.研磨機(jī)、拋光機(jī)研磨機(jī)與拋光機(jī)分別用于晶片研磨和拋光環(huán)節(jié)，設(shè)備多為進(jìn)口。研磨機(jī)和拋光機(jī)與硅材料設(shè)備類似，但需根據(jù)碳化硅材料硬脆的特征做相應(yīng)的調(diào)整，如研磨機(jī)需要采用專用的研磨液，拋光機(jī)需采用專用的拋光墊和拋光液。研磨機(jī)和拋光機(jī)的主要廠商基本重疊，國際以日本不二越、韓國NTS、美國斯德堡等領(lǐng)先，國內(nèi)廠商主要有中電科四十五所、湖南宇晶、蘇州赫瑞特等。由于國內(nèi)設(shè)備難以達(dá)到做到高精度精磨拋光要求，目前設(shè)備以進(jìn)口為主。3.經(jīng)濟(jì)性呼吁碳化硅襯底切割技術(shù)迭代迭代晶錠切割技術(shù)是目前襯底環(huán)節(jié)提高產(chǎn)能的主要途徑。通過長晶環(huán)節(jié)提高良率仍需要較長時(shí)間的經(jīng)驗(yàn)累積，攻克晶錠切割環(huán)節(jié)切割速度慢和切片良率低這兩大關(guān)鍵問題后可以實(shí)現(xiàn)快速降本。目前傳統(tǒng)多線切割技術(shù)包括砂漿線和金剛線切割技術(shù)，并以金剛線切割技術(shù)為主流迭代方案；而激光切割因加工效率高、材料基本無損，有望成為金剛線切割技術(shù)的理想替代方案。多線切割技術(shù)：多線切割技術(shù)是脆硬材料切割的一種工藝，在工業(yè)中廣泛利用。該傳統(tǒng)技術(shù)發(fā)展歷史悠久，1960年代開始利用線的往復(fù)運(yùn)動(dòng)來切割水晶片，1970年代開始切割1-2英寸的硅片，1980年代采用涂有金剛石粉的內(nèi)圓切割機(jī)切割超硬材料。隨著半導(dǎo)體行業(yè)快速發(fā)展，客戶對(duì)于降低切割成本、提高生產(chǎn)效率的要求越來越高，多線切割技術(shù)的應(yīng)用也逐漸成熟，砂漿線切割技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用于絕大部分碳化硅襯底廠商，金剛線切割技術(shù)也成為了主流迭代方案。激光切割技術(shù)：雖然對(duì)激光的研究早在1916年就已經(jīng)開始，并于1960年代開始應(yīng)用到外科手術(shù)、遙感勘測(cè)等領(lǐng)域中，但是1990年才應(yīng)用到集成電路和汽車制造等制造業(yè)中。目前激光切割碳化硅上仍是較新的技術(shù)，能夠解決碳化硅廠商采用傳統(tǒng)切割方法無法解決的高質(zhì)量生產(chǎn)問題。部分企業(yè)正在推動(dòng)金剛線切割迭代，激光切割有望逐步滲透。在傳統(tǒng)多線切割技術(shù)中，由于金剛線切割和砂漿線切割各有優(yōu)缺點(diǎn)，并考慮到各企業(yè)后續(xù)環(huán)節(jié)工藝的不同，在砂漿線和金剛線的選擇上有一定差異。最先投入生產(chǎn)的砂漿線切割工藝成熟度高，約90%的碳化硅襯底廠商仍以砂漿切割為主，相關(guān)廠商包括宇晶股份等。但是砂漿線切割速度低、切割良率低，并且存在污染的可能性，不利于碳化硅襯底廠商實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步降本。部分廠商正在逐步過渡到第二代的金剛線切割技術(shù)，金剛線切割技術(shù)的切割速度和切片良率均優(yōu)于砂漿切割，有效降低了生產(chǎn)成本，目前高測(cè)股份和東尼電子等企業(yè)正在推動(dòng)金剛線切割技術(shù)發(fā)展。然而金剛線切割技術(shù)存在材料損耗較高和切割線使用壽命較短等問題。加工效率高、材料基本無損的激光技術(shù)有望逐步替代金剛線切割技術(shù)，成為第三代主流切割技術(shù)。3.1.金剛線正逐步替代砂漿線切割技術(shù)傳統(tǒng)砂漿線切割技術(shù)應(yīng)用成熟。砂漿切割為游離磨料切割，以砂漿為磨料附著在鋼絲線的表面，利用鋼線的高速運(yùn)動(dòng)將砂漿帶入鋸縫，讓該磨料顆粒與切割材料進(jìn)行摩擦從而達(dá)到切割效果，其中砂漿主要由10-15μｍ的碳化硅或金剛石和礦物油或水按一定比例混合而成。該切割方法工藝成熟度較高，因此約90%的碳化硅襯底廠商仍以砂漿切割為主要切割技術(shù)，包括宇晶股份等。但砂漿切割存在很多缺點(diǎn)，包括：1）切割速度低：平均切割一刀需要約150小時(shí)；2）切割良率低：游離磨粒對(duì)鋼線具有磨削作用，導(dǎo)致所切割出來的碳化硅襯底片厚度不均勻，其切口、損傷層和翹曲度分別達(dá)到150/15μｍ/24μｍ；3）砂漿液循環(huán)利用較難，且可能存在污染環(huán)境問題，導(dǎo)致碳化硅襯底的加工成本較高。金剛線相較于砂漿線切割優(yōu)勢(shì)明顯。利用附有磨料顆粒的鋼絲線對(duì)碳化硅晶錠進(jìn)行高速往復(fù)式削切的多線切割技術(shù)，相較于砂漿線切割技術(shù)的游離磨料，金剛線切割技術(shù)采用將電鍍、樹脂粘接等方法對(duì)耐磨性強(qiáng)的金剛石顆粒進(jìn)行固定形成金剛石切割線，優(yōu)勢(shì)在于：1）金剛線的線徑和破斷力高，不易損傷硅片，同時(shí)能降低硅片損失率，其切口和損傷層均小于砂漿切割；2）采用金剛線切割的硅片表面更光滑、厚度更均勻，其翹曲度遠(yuǎn)小于砂漿切割，切割良率更高；3）金剛石比砂漿磨料參與磨削切割的機(jī)會(huì)大，能減少磨料之間的相互作用，并且金剛石的運(yùn)行速度更快、硬度更高，金剛線的切割速度更快。金剛線切割技術(shù)仍存在一些問題。雖然金剛線切割技術(shù)在切割速度和切割良率方面遠(yuǎn)優(yōu)于砂漿切割，但是仍存在一些問題：1）加工效率較低，碳化硅晶錠長度較短，使用多線切割技術(shù)需要先將多個(gè)晶錠進(jìn)行拼接，降低了加工效率；2）材料損耗率高，加工過程中切割線會(huì)將部分碳化硅材料削磨成碎屑從而產(chǎn)生鋸口損失，并且高速運(yùn)動(dòng)會(huì)在表面形成粗糙切痕，材料損耗率高達(dá)50%；3）設(shè)備及耗材壽命短，切割時(shí)金剛線磨損嚴(yán)重，影響切割線的使用壽命以及晶片的翹曲度；4）耗材成本高，單位成本高于油砂線，頻繁更換易磨損的金剛線會(huì)增加加工成本。3.2.激光切割技術(shù)更適合碳化硅襯底切割激光切割技術(shù)早期已經(jīng)應(yīng)用于硅晶錠的切割，在碳化硅領(lǐng)域的應(yīng)用剛起步，目前主要有水導(dǎo)激光加工、DISCO技術(shù)和冷切割三大技術(shù)。由于激光切割技術(shù)目前尚不成熟，但具有加工時(shí)間短、材料損耗小、產(chǎn)出和良率更高，綜合成本優(yōu)勢(shì)明顯，待技術(shù)成熟后有望成為主流碳化硅襯底切割技術(shù)。水導(dǎo)激光切割技術(shù)在切割質(zhì)量方面更具優(yōu)勢(shì)。技術(shù)首先讓激光經(jīng)過凸透鏡聚焦后通過石英玻璃窗體進(jìn)入到耦合水腔，調(diào)整聚焦透鏡與小孔噴嘴之間的距離使激光焦點(diǎn)剛好處于噴嘴上表面中心，然后讓激光束在進(jìn)入穩(wěn)定的水射流后發(fā)生全反射，使得激光沿水流方向傳播，從而通過高壓水射流引導(dǎo)加工材料表面進(jìn)行切割。該技術(shù)具有以下優(yōu)勢(shì)：1）水流能冷卻切割區(qū)，降低材料熱變形和熱損傷程度；2）切割速度明顯加快；3）噴射的水流帶走加工碎屑及污染物；4）水束光纖的工作距離大，且無需激光聚焦；5）較小的水流直徑縮短切縫寬度，提高了加工的精度，切割截面更為光滑。因此，水導(dǎo)激光切割技術(shù)將成為切割提高產(chǎn)能及良率的有效途經(jīng)。水導(dǎo)激光技術(shù)應(yīng)用范圍有限，只適用于小尺寸碳化硅晶錠切割。國際以專門從事水導(dǎo)激光研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化的瑞士Synova公司的技術(shù)領(lǐng)先，國內(nèi)技術(shù)相對(duì)落后，英諾激光、晟光硅研等企業(yè)正在積極研發(fā)。但水導(dǎo)激光技術(shù)的應(yīng)用仍具一定挑戰(zhàn)性：1）對(duì)噴嘴的要求高，需要得到均勻的水柱，國內(nèi)與領(lǐng)先的瑞士Synova公司的技術(shù)差距還較大，且目前難以滿足2英寸以上的碳化硅襯底切割要求；2）耦合難度較大，需要保證激光束最大限度地進(jìn)入噴嘴口，并盡可能實(shí)現(xiàn)全反射，對(duì)工藝的精度要求較高；3）由于水對(duì)不同波長的激光吸收程度不同，激光波長受限，波