新能源汽車和光伏發(fā)電領(lǐng)域是SiC器件主要應(yīng)用場景。
(1)新能源汽車:SiC器件主要應(yīng)用在PCU(動力控制單元,如車載DC/DC)和OBC(充電單元),相比于Si器件,SiC器件可減輕PCU設(shè)備的重量和體積,降低開關(guān)損耗,提高器件的工作溫度和系統(tǒng)效率;OBC充電時,SiC器件可以提高單元功率等級,簡化電路結(jié)構(gòu),提高功率密度,提高充電速度。
(2)光伏發(fā)電領(lǐng)域:SiC材料具有更低的導(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結(jié)合的光伏逆變器,可將轉(zhuǎn)換效率從96%提升至99% +,能量損耗降低50% +,設(shè)備循環(huán)壽命提升50倍。
新能源汽車是未來第一大應(yīng)用市場。2027年全球?qū)щ娦蚐iC功率器件市場規(guī)模有望達(dá)63億美元,2021-2027年CAGR達(dá)34%;2027年新能源汽車導(dǎo)電型SiC功率器件市場規(guī)模有望達(dá)50億美元,占比高達(dá)79%。
SiC的主要器件和廣泛應(yīng)用場景
2027年導(dǎo)電型SiC器件市場規(guī)模
?SiC產(chǎn)業(yè)鏈包括襯底-外延-器件-應(yīng)用,70%價值集中在襯底&外延
碳化硅器件產(chǎn)業(yè)鏈主要包括襯底、外延、器件制造(設(shè)計、制造、封測)三大環(huán)節(jié)。從工藝流程上看,首先由碳化硅粉末通過長晶形成晶碇,然后經(jīng)過切片、打磨、拋光得到碳化硅襯底;襯底經(jīng)過外延生長得到外延片;外延片經(jīng)過光刻、刻蝕、離子注入、沉積等步驟制造成器件。
SiC產(chǎn)業(yè)鏈70%價值量集中在襯底和外延環(huán)節(jié)。碳化硅襯底、外延成本分別占整個器件的47%、23%,合計約70%,后道的器件設(shè)計、制造、封測環(huán)節(jié)僅占30%。這與硅基器件成本構(gòu)成截然不同,硅基器件生產(chǎn)成本主要集中在后道的晶圓制造約50%(碳化硅器件制造也包含晶圓制造,但成本占比相對較?。r底成本占比僅為7%。SiC產(chǎn)業(yè)鏈價值量倒掛的現(xiàn)象說明上游襯底廠商掌握著核心話語權(quán),是國產(chǎn)化突破的關(guān)鍵。
SiC產(chǎn)業(yè)鏈:襯底-外延-器件-應(yīng)用
?襯底:導(dǎo)電型Wolfspeed一家獨(dú)大,絕緣型天岳先進(jìn)入圍前三
海外龍頭起步較早,長期壟斷SiC襯底市場,CR3達(dá)80%。海外龍頭企業(yè)在碳化硅領(lǐng)域起步較早,其中Wolfspeed和Ⅱ-Ⅵ公司在研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化方面領(lǐng)先國內(nèi)數(shù)十年,例如Wolfspeed/Ⅱ-Ⅵ的6寸半絕緣型碳化硅襯底量產(chǎn)時間早于國內(nèi)天岳先進(jìn)15/10年。根據(jù)Yole數(shù)據(jù),2020年海外廠商的SiC襯底CR3達(dá)78%,其中Wolfspeed市占率45%,羅姆(收購SiCrystal)市占率20%,位居第二;國內(nèi)龍頭天科合達(dá)、天岳先進(jìn)僅為3%、3%。
導(dǎo)電型襯底Wolfspeed一家獨(dú)大,絕緣型襯底天岳先進(jìn)入圍前三。2020年全球?qū)щ娦蚐iC襯底依舊被Wolfspeed、II-VI、羅姆壟斷,CR3高達(dá)90%,其中Wolfspeed市占率高達(dá)62%,一家獨(dú)大;半絕緣型襯底中天岳先進(jìn)表現(xiàn)亮眼,市占率約30%,僅次于全球龍頭II-VI、Wolfspeed的35%、33%。
國內(nèi)龍頭在8寸襯底均有突破,但產(chǎn)能方面仍有差距。
(1)天岳先進(jìn)已經(jīng)成功研發(fā)6英寸導(dǎo)電型碳化硅襯底,23年5月已經(jīng)實現(xiàn)6寸襯底交付,處于產(chǎn)量的快速爬坡階段,30萬片6寸襯底產(chǎn)能釋放將早于原計劃的2026年。此外,天岳也實現(xiàn)高質(zhì)量8英寸產(chǎn)品的制備。
(2)天科合達(dá)同樣已經(jīng)實現(xiàn)6英寸導(dǎo)電型碳化硅襯底的量產(chǎn),2021年徐州生產(chǎn)基地6英寸系列產(chǎn)品產(chǎn)能達(dá)全國首位,2023年公司計劃實現(xiàn)8英寸導(dǎo)電型碳化硅襯底的小規(guī)模量產(chǎn)。
(3)晶盛機(jī)電(晶越)已經(jīng)掌握了6英寸碳化硅的長晶技術(shù)和晶片加工工藝,預(yù)期產(chǎn)能為40萬片/年,此外晶盛機(jī)電已經(jīng)掌握8英寸碳化硅襯底技術(shù)。
國內(nèi)企業(yè)碳化硅襯底研究進(jìn)展與產(chǎn)能規(guī)劃
碳化硅襯底的生產(chǎn)流程包括長晶、切片、研磨和拋光四個環(huán)節(jié)
長晶:核心環(huán)節(jié),通過物理氣相傳輸法(PVT)在高溫高壓的條件下,將碳化硅原料氣化并沉積在種子晶上,形成碳化硅單晶錠。需要精確控制各種參數(shù),如溫度、壓力、氣流、硅碳比等,以保證晶體的質(zhì)量和純度。
切片:將碳化硅單晶錠沿著一定的方向切割成薄片。由于碳化硅的高硬度和脆性,切割過程需要使用特殊的工具,如鉆石線或多線切割機(jī)。切割過程會造成晶片表面的刀痕和損傷層,需要后續(xù)的研磨和拋光處理。
研磨:去除切割造成的表面缺陷和控制晶片厚度。根據(jù)研磨的目的和精度,可以分為粗磨和精磨兩個階段。研磨過程需要使用高硬度的磨料,如碳化硼或金剛石粉。
拋光:提高晶片表面光潔度和平整度。拋光也可以分為粗拋和精拋兩個階段。粗拋主要采用機(jī)械拋光方式,使用較小粒徑的硬磨料,如B4C或金剛石等。精拋主要采用化學(xué)機(jī)械拋光(CMP)方式,利用化學(xué)腐蝕和機(jī)械磨損協(xié)同作用,實現(xiàn)晶片表面的全局平坦化
碳化硅襯底生產(chǎn)流程圖
?SiC外延:國外設(shè)備商主導(dǎo),未來2 - 3年有望快速實現(xiàn)國產(chǎn)替代
外延工藝必不可少。與傳統(tǒng)硅器件不同,碳化硅器件不能直接制作在襯底上,需要在襯底上生長一層晶相同、質(zhì)量更高的單晶薄膜(外延層),再制作器件。外延可分為①同質(zhì)外延:在導(dǎo)電型SiC襯底生長SiC,常用于低功率器件/射頻器件/光電器件;②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)可控,層厚越大,耐壓越高。碳化硅晶體生長的過程中會不可避免地產(chǎn)生缺陷、引入雜質(zhì),導(dǎo)致質(zhì)量和性能不足,而外延層的生長可以消除襯底中的某些缺陷,使晶格排列整齊。外延厚度越大(難度越大),能承受的電壓越高,一般100V電壓需要1μm厚度外延,600V需要6μm,1200-1700V需要10-15μm,15000V則需要上百微米(約150μm)。
SiC外延分為異質(zhì)/同質(zhì)兩種類型
Sic晶體-襯底-外延-器件-模塊-系統(tǒng)全產(chǎn)業(yè)鏈
外延片:Wolfspeed &昭和電工雙寡頭壟斷,設(shè)備成為最大掣肘
國外雙寡頭壟斷全球市場,CR2超90%。2020年Wolfspeed與昭和電工分別占據(jù)全球碳化硅導(dǎo)電型外延片市場52%和43%的市場份額,合計高達(dá)95%,形成雙寡頭壟斷。由于進(jìn)口外延爐供貨短缺+國內(nèi)外延爐仍需驗證+
外延工藝難度大,國內(nèi)SiC外延廠商較少,市占率較低。
瀚天天成和東莞天域國內(nèi)CR2超80%。①技術(shù)方面:6寸外延均較為成熟和穩(wěn)定,8寸均有儲備,其中瀚天天成已實現(xiàn)8寸外延技術(shù)的突破,且具有量產(chǎn)能力;東莞天域正攻克關(guān)鍵技術(shù),預(yù)計2025年首條8寸外延產(chǎn)線投產(chǎn)。②產(chǎn)能方面:瀚天天成2022年6寸產(chǎn)能達(dá)12萬片,2023年計劃產(chǎn)能40萬片(包括6/8寸),至2025年產(chǎn)能目標(biāo)約140萬片;東莞天域2022年6寸產(chǎn)能達(dá)8萬片,并且啟動年產(chǎn)100萬片的6/8寸外延項目,預(yù)計2025年竣工并投產(chǎn)
國內(nèi)外碳化硅外延廠商產(chǎn)品/產(chǎn)能布局
外延爐:CVD成本適中&質(zhì)量好&生長速度快,是主流外延技術(shù)
SiC外延主要設(shè)備是CVD。SiC外延需要嚴(yán)格控制厚度均勻性、摻雜均勻性、缺陷率和生長速率,方法包括化學(xué)氣相沉積CVD、液相外延LPE、分子束外延MBE等,其中CVD兼?zhèn)涑杀具m中+外延質(zhì)量好+生長速度快的優(yōu)勢,應(yīng)用最廣。CVD工藝流程:①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);②氣體達(dá)到被加熱的SiC襯底,反應(yīng)沉積單晶薄膜(外延片)。
MOCVD是新型CVD,沉積溫度更低&沉積層多樣。MOCVD反應(yīng)源是金屬有機(jī)化合物,傳統(tǒng)CVD是無機(jī)化合物,一般有機(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℃),且能在不同襯底上沉積超薄層甚至原子層的特殊結(jié)構(gòu)表面。
CVD制作SiC外延片過程
外延爐:國外廠商主導(dǎo),未來2-3年有望快速實現(xiàn)國產(chǎn)替代
國內(nèi)外延設(shè)備由國外廠商主導(dǎo),國內(nèi)主打外延設(shè)備以意大利的LPE、德國的愛思強(qiáng)、日本的Nuflare產(chǎn)品為主,其MOCVD設(shè)備的核心差異是對氣體流量的控制:(1)Nuflare:垂直氣流,噴淋頭和托盤距離長,優(yōu)勢在于流場均勻、particle少、產(chǎn)能大,缺陷在于設(shè)備成本高(3500萬元單腔)、厚度和摻雜的均勻性略差、耗材成本高。(2)LPE:水平氣流,優(yōu)勢在于價格適中(1100萬元單腔)、生長速率高、厚度和摻雜的均勻性較好,缺陷在于上壁粒子掉落導(dǎo)致良率偏低、工藝可調(diào)性差、PM周期短、單設(shè)備產(chǎn)能提升難度大。(3)愛思強(qiáng):垂直氣流(公轉(zhuǎn)+自轉(zhuǎn)),優(yōu)勢在于厚度和摻雜的均勻性好,缺陷在于重復(fù)性差(不適用量產(chǎn))、Particle較多。
未來2-3年SiC MOCVD設(shè)備國產(chǎn)替代加速。國內(nèi)設(shè)備相對國外在技術(shù)、成本和性價比方面具備優(yōu)勢,在SiC產(chǎn)業(yè)即將迎來井噴之際,時間上不允許國外幾家廠商進(jìn)行大的技術(shù)方案革新或者推倒重來。我們預(yù)計接下來2-3年SiC MOCVD會出現(xiàn)和LED MOCVD格局類似的演變,即市場上國產(chǎn)短時間內(nèi)大量替代國外設(shè)備。
SiC-CVD設(shè)備進(jìn)展/產(chǎn)能規(guī)劃
?切片:國內(nèi)激光切割工藝主要設(shè)備供應(yīng)商:大族激光、德龍激光
大族激光作為國內(nèi)激光廠商龍頭,SiC晶錠激光切片機(jī)已交付驗證。大族激光作為國內(nèi)激光廠商龍頭,具有明顯的體量優(yōu)勢,經(jīng)過長期激烈市場競爭,激光加工設(shè)備市占率約13%。根據(jù)大族激光2023年7月公司公告,應(yīng)用于第三代半導(dǎo)體的SiC晶錠激光切片機(jī)已經(jīng)交付客戶進(jìn)行驗證。
德龍激光專注于高端激光設(shè)備和精細(xì)微加工,是國內(nèi)唯二SiC切片設(shè)備供應(yīng)廠商。德龍激光走定制化高端路線,憑借多年技術(shù)創(chuàng)新和工藝積累,德龍激光在半導(dǎo)體及光學(xué)領(lǐng)域,與下游知名客戶建立了穩(wěn)定的合作關(guān)系?,F(xiàn)有SiC激光切片設(shè)備市場,大族激光為德龍激光唯一競爭對手,市占份額各占約50%。由于半導(dǎo)體行業(yè)高進(jìn)入壁壘,短期內(nèi)暫無其他明顯競爭對手。
?磨拋:高精度要求下設(shè)備呈現(xiàn)寡頭壟斷特點(diǎn),國產(chǎn)替代有望加速
SiC行業(yè)中所使用的磨拋設(shè)備均由藍(lán)寶石、硅晶等行業(yè)中的單一設(shè)備所改造延伸而來,因此廠商眾多。國外廠商包括日本的秀和工業(yè)、Disco和東京精密,法國的Soitec,瑞士的梅耶博格,美國的Applied Materials和Speedfam等;國內(nèi)廠商包括邁為、特思迪、揚(yáng)帆半導(dǎo)體等。為滿足產(chǎn)業(yè)化需求,切磨拋的全自動量產(chǎn)化正在逐步開展。
DISCO是全球半導(dǎo)體制造設(shè)備龍頭,多年專注于晶圓減薄、拋光等領(lǐng)域。產(chǎn)品包括研磨機(jī)(Grinders)、拋光機(jī)(Polishers)、研磨拋光一體機(jī)(Grinder/Polisher)、表面平坦機(jī)(Surface Planer)等;在SiC減薄方面,公司采用4軸磨削和干法拋光以提高產(chǎn)品質(zhì)量。
國內(nèi),邁為股份對標(biāo)Disco所有型號,國產(chǎn)化進(jìn)展符合預(yù)期。邁為在2019年立項研磨機(jī),是國內(nèi)最早將全自動減薄機(jī)推向量產(chǎn)的廠商(23年1月),截至2023年7月,8英寸減薄機(jī)已量產(chǎn)。
DISCO磨拋產(chǎn)品
-End-
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新能源汽車
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原文標(biāo)題:新能源汽車?yán)瓌覵iC第三代半導(dǎo)體上車:襯底與外延環(huán)節(jié)的材料,設(shè)備國產(chǎn)化機(jī)遇
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