近年来,新能源汽车、充电桩、智能装备制造、光伏新能源等新兴应用领域成为功率半导体产业的持续增长点,SiC MOSFET 和 IGBT 等功率半导体获得了前所未有的关注。
在全球碳化硅功率市场高景气的背景下,供应不足是目前碳化硅产业发展的首要问题,于是扩产放量成为了整个行业的共识,国内外大厂都在争先恐后的投资扩产。
英飞凌要在2030年占据全球30%的碳化硅市场份额;安森美计划将碳化硅晶圆产能扩大4倍;罗姆则打算到2025年碳化硅产能增至2021年时的6倍;Wolfspeed更是想到2026年实现导电型衬底的产能超百万片;国内企业同样激进,据不完全统计,如今至少有超40个碳化硅项目在建设,包括了衬底、外延和器件、模块等环节,国内碳化硅产业链正在加速完善、成长。
虽然碳化硅产能扩建一片红红火火,但想要大规模起量乃至获得高额收益,至少要等到2025年以后了,如今都不过是在烧钱布局罢了,最先从中受益的反而是设备厂商,由于碳化硅的扩建扩产,相关设备市场皆呈现供不应求的状态,Insemi预计2025年碳化硅衬底规划产能达636.2万片,对应约200亿的设备总市场空间。
碳化硅产业链可以分为衬底、外延、芯片、封装四个环节,其中衬底占总成本达47%,外延占比23%,上游衬底和外延加起来占了70%的成本,这两个环节的专业性都非常强,对相关技术和设备的要求很高,是影响碳化硅产能上限的决定性因素。
过去很长一段时间,这些关键设备都严重依赖进口,近年来在市场需求的拉动下,国产碳化硅设备发展迅速,“卡脖子”现象得到明显缓解,设备的国产化有利于推动碳化硅成本的下降,提高国内企业的市场竞争力,加速追赶上国际先进水平,下面艾邦半导体就详细分析衬底、外延相关设备的国产化进展。
长晶炉实现国产替代,切磨抛设备仍需发力
碳化硅衬底制备目前主要以高纯碳粉、硅粉为原料合成碳化硅粉,采用物理气相传输法(PVT 法),在单晶炉中生长成为晶体,随后碳化硅晶体经过切片、研磨、抛光、清洗等步骤制成单晶薄片作为衬底。
碳化硅晶体的制备有两大难点,其一是碳化硅晶棒生长速度慢,约2cm的晶棒需要7-10天的生长时间;其二是碳化硅晶体生长对各种参数要求高,需要精确控制硅碳比、生长温度梯度等参数,并且生长过程很难监控,对工艺要求非常高。
基于上述情况,如今碳化硅晶体制备难点更在于工艺而非设备本身,碳化硅长晶炉与传统硅晶有相同性,结构不算复杂,单价不到100万/台,已经基本实现国产化,而工艺上每家衬底厂商都有细微差别,也是核心技术所在,因此许多衬底厂商都选择自研长晶设备,让工艺与设备更加契合,当然也有部分厂商选择外购模式。
目前国内的碳化硅长晶炉设备供应商主要有北方华创和晶升股份,两者在国内占有的份额超过70%,考虑到与工艺的契合性,衬底厂商一般不轻易改变长晶炉的购买渠道,其他企业想要插入进来并不容易,不过如今碳化硅产业疯狂扩产或有新的机遇。
图源:北方华创
切割是碳化硅衬底制备的首要关键工序,决定了后续研磨、抛光的加工水平,成本能占到50%以上,这是因为碳化硅属于硬质材料,硬度仅比金刚石低,切割难度非常大,目前主流的工艺是线锯切割,也有一些厂商在试验激光切割。
目前碳化硅切割设备主要被日本高鸟垄断,占据了70%以上的份额,在连续收到订单的情况下,交付时间已延长到13-14个月,为了应对更多的订单需求,高鸟已与中国公司和日本本土公司签订了联盟协议,将在中国建立生产工厂。
国内企业上机数控此前表示,公司在碳化硅切割领域取得了较大突破,自行研发的碳化硅切片设备获得成功,开辟了“碳化硅设备国产替代进口”的先河,在国产碳化硅切片机市场占有率超90%。
宇晶股份近日在调研中表示,公司加大对碳化硅切、磨、抛关键技术的攻克,设备的精度已经达到行业一流水平,公司生产的碳化硅切割、研磨、抛光设备主要用于加工单晶碳化硅抛光片,目前公司生产的碳化硅切、磨、抛设备已实现批量销售。
高测股份主要从事高硬脆材料切割设备和切割耗材的研发、生产和销售,今年5月称,公司已有30 余台来自碳化硅衬底企业的订单,推出的8寸碳化硅金刚线切片机也在上半年已形成批量订单。
今年6月,力凯数控表示最新研发的DA300碳化硅多线切割机已达成10台意向订单,预计销售额达3000万元,据悉,该切割机收放线轮运转速度可实现2400米/分钟,采用硅料向下进给方式,伺服同步控制线网进行高速切割,可实现8小时切割一刀,一次性产出100片晶片。
实际上,国内外碳化硅切磨抛环节技术路线差距并不大,主要还在设备的精度和稳定性上,这对衬底加工的效率和产品良率有关键影响,目前国内企业相比国外还有差距,因此碳化硅切磨抛装备仍以进口为主,导致国内厂商生产成本居高不下,碳化硅切磨抛设备的国产替代需求迫切,还需相关厂商共同努力。
外延设备壁垒较高,国产替代空间巨大
在碳化硅晶体的生长过程中,会不可避免地产生缺陷、引入杂质,因此碳化硅衬底无法直接使用,需要在其上生长一层薄膜来加工,这就是外延层,所有的器件基本上都是在外延上实现的,处于承上启下的关键位置,而外延的品质和设备息息相关,决定着后续芯片器件产品的质量和良率问题。
外延环节技术壁垒相对较高,对第三方厂商成熟设备具有较强依赖性,目前碳化硅外延设备由德国的Aixtron、意大利的LPE、日本的TEL和 Nuflare所垄断,占据了超80%的市场份额,四家企业也有各自的特点,Aixtron的设备产能较大,LPE的单片机生长速率快,TEL和Nuflare的设备采用双腔体工艺,对提高产量有一定的作用。
在碳化硅的扩产潮下,如今外延设备产能非常紧缺,国内企业想要购买更为不易,日本TEL一般不供应国内,Nuflare也多数交付给Wolfspeed和II-VI,Aixtron和LPE的产品也有英飞凌、罗姆等一众巨头在抢购,一系列因素让碳化硅外延设备交付周期甚至能拉长到2年,实现外延设备国产化刻不容缓。
现阶段,国内已有多家企业实现了对碳化硅外延设备的规模出货,包括晶盛机电、北方华创、纳设智能、中电科48所等。
今年2月,晶盛机电发布了6英寸双片式SiC外延设备,该设备采用上下层叠加的方式,单炉可以生长两片外延片,且上下层工艺气体可以单独调控,温差≤5℃,有效弥补了单片水平式外延炉产能不足的劣势。晶盛机电三季度财报显示,前三季度归母净利润达35.1亿元,同比增长75%,主要系设备验收顺利+材料持续放量增厚业绩,截至三季度末,公司存货为156亿元,同比增长37%,合同负债为111亿元,同比增长42%,表明公司在手订单充沛。
北方华创此前在调研中表示,目前公司包括外延炉等碳化硅设备在手订单充足,已实现近200台的销售,占据市场半壁江山。北方华创三季度财报显示,报告期内实现营业收入145.9亿元,同比增长45.7%,其中电子工艺装备收入129亿元,同比增长63.43%;截至三季度末,公司存货和合同负债分别为173和94亿元,环比上季度增长4%和9%,反映公司新签订单较好。
纳设智能在2022年2月成功出厂了高温化学气相沉积设备,同年11月,其SiC外延炉就获得了国内厂商数十台复购订单,今年8月,纳设智能表示,公司已累计获得10+个客户超过 150台 6吋SiC外延设备订单,订单金额累计数亿元。
中电科48所是国内最早实现SiC外延设备批量出货的厂商之一,据早先消息,在6英寸SiC外延机型方面,中电科48所收获了国内第三代半导体装备行业的第一大订单;今年10月,中电科48所表示,在连续数月实现月产20台套产能验证后,制造部汲取批产经验,及时调整装调节奏、优化生产管理,顺利完成20台套SiC外延设备的产出及发货。
碳化硅降本势在必行,相比于6英寸,8英寸碳化硅晶圆的边缘损耗更小、可利用面积更大,未来通过产量和规模效益的提升,成本有望降低50%以上,如今8英寸的碳化硅衬底和外延材料量产已呼之欲出,事实上今年我国已进入“8英寸时代”,各大设备公司接连发布8英寸设备研发成功的消息。
今年6月,中电科48所发布了自主研发的8英寸SiC外延设备,该设备实现了大尺寸外延材料生长所需的均匀、稳定温流场分布,目前已在国内头部企业上线验证。同样6月,晶盛机电发布8英寸单片式碳化硅外延生长设备,该设备可兼容6、8英寸碳化硅外延生产,外延的厚度均匀性1.5%以内、掺杂均匀性4%以内,达到行业领先水平;8月,纳设智能成功研制8英寸碳化硅外延设备,目前已交付客户进行现场验证。
伴随着对碳化硅外延片国产化的强烈市场需求,经过多年发展,国内企业在6英寸碳化硅外延生长炉上已经实现逐步放量,并开始延展至对8英寸外延设备的验证,发展速度较快,有望赶上即将到来的8英寸碳化硅时代机遇。
综合来看,国内碳化硅关键设备产业已经逐步发力,大部分设备类型都已有国产替代方案,在碳化硅产业爆发的情况下,未来碳化硅设备市场也将不断增大,预计此轮利好将持续2-3年,在此期间碳化硅设备需求将持续增长,将为国内设备厂商带来巨大的发展机遇,同时大尺寸设备的研发推进以及国产替代步伐的加快,也让碳化硅增产降本指日可待,推动碳化硅器件的规模化应用。
参考资料:
1、【申万宏源】碳化硅:国内衬底厂商加速布局
2、杨 金等.第三代半导体SiC芯片关键装备现状及发展趋势
原文始发于微信公众号(艾邦半导体网):2025市场达200亿,碳化硅关键设备企业迎历史机遇