中金 | 碳化硅材料：乘碳中和之东风，国内厂商奋起直追（三）

海外龙头企业技术快速迭代，全球产能处于扩张期

物理气相传输法为主流技术，海外企业基本已实现6英寸衬底及外延规模量产

衬底部分

碳化硅衬底经多道加工工序制成，技术壁垒较高。相比半导体级硅片，碳化硅衬底的制造工艺更为复杂，壁垒较高，需要长时间的技术积累。不同于硅及砷化镓的拉晶工艺，碳化硅衬底制备通常需要先将高纯硅粉与碳粉化合以制成高纯碳化硅微粉原料，然后在单晶炉中生长，成为晶锭，随后经过一系列切片、研磨、抛光等步骤制成衬底。

图表9：碳化硅衬底生产流程

资料来源：天科合达招股说明书，天岳先进招股说明书，中金公司研究部

原料合成：按一定配比混合高纯硅粉与碳粉，在2000℃的高温环境下经化学反应合成碳化硅颗粒，通过后续破碎、清洗等工艺制成满足长晶要求的高纯碳化硅微粉原料。

晶体生长：将高纯碳化硅微粉原料导入晶体生长炉内，生长为碳化硅晶锭。

晶锭加工：将制得的碳化硅晶锭进行定向，之后磨平、滚磨，加工成标准直径尺寸的碳化硅晶体。

晶棒切割：使用切割设备将碳化硅晶体切割成厚度不超过1mm的薄片。

晶片研磨：通过配比好的研磨液将晶片研磨到所需的平整度和粗糙度。

晶片抛光：通过配比好的抛光液对研磨片进行机械抛光和化学抛光，用来消除表面划痕、 降低表面粗糙度及消除加工应力等。

晶片检测：检测碳化硅晶片的微管密度、结晶质量、表面粗糙度、电阻率、翘曲度、弯曲度、厚度变化、表面划痕等各项参数指标，据此判定晶片的质量等级。

晶片清洗：通过特定配比的化学试剂及去离子水对清洗机内的抛光片进行清洗，去除抛光片表面的微尘颗粒、金属离子、有机沾污物等，再将晶片吹干、甩干、封装。

晶体生长是核心难点，物理气相传输为主流工艺。根据Cree和露笑科技公开信息整理，碳化硅熔点高，晶锭通常需要在高温（>2000℃）高压（>350MPa）的环境中生长；传统硅材生长速度是每小时300毫米，但碳化硅单晶每小时只能长400微米，两者相差了近800倍，产出非常受限；碳化硅存在200多种同质异构体，而生长通常在密闭的高温石墨坩埚中进行，无法即时观察晶体的生长状况，难以控制硅碳比、生长温度梯度、晶体生长速率以及气流气压等参数，容易产生异质晶型，影响良率。因此，长晶是碳化硅衬底制备中的关键瓶颈。根据《碳化硅半导体材料与器件》[1]，碳化硅晶体生长工艺主要有四种：

物理气相传输：PVT法的原理是使原料处于高温区，籽晶处于相对低温区，进而处于温度较高处的原料发生分解，不经液相态直接产生气相物质，这些气相物质在轴向温度梯度的驱动下输运到籽晶处，在籽晶处形核、长大，结晶形成碳化硅单晶。PVT法面临的主要技术挑战有二，一是碳化硅晶体内杂质浓度的控制问题，包括对石墨材料进行再提纯处理、高纯碳化硅微粉原料的获取；二是坩埚内部温度分布不合理，可能引致微管和位错等缺陷问题。由于PVT法生长碳化硅晶体所用关键石墨部件可重复使用20次以上，较大程度上降低了碳化硅晶体生长成本，我们认为其是目前主流的SiC长晶方法。目前国外的Cree、II-VI、SiCrystal、Dow和国内的天岳先进、天科合达等公司均采用此方法。

高温化学气相淀积：原理是在1500-2500℃的高温下，导入高纯度的硅烷、乙烷、丙烷或氢气等气体，在生长腔内进行反应，先在高温区形成碳化硅前驱物，再经由气体带动进入低温区的籽晶端前沉积形成单晶。HTCVD法面临的主要技术挑战是沉积温度的控制。研究表面，过高的沉积温度会伴随过快的沉积速率，从而引致晶体结构松散，过低的沉积温度会伴随过慢的沉积速度，从而引致多孔结构。使用HTCVD法生长晶体纯度较高、可实现近匀速晶体生长，但气相物质可同坩埚反应造成气相成分波动，影响生长晶体的质量，且晶体生长成本较高，目前国外的Norstel和日本电装公司采用此方法。

液相外延：原理是使碳从坩埚下方的高温部溶解到石墨坩埚内的硅熔体中，使碳化硅籽晶与该碳硅熔体接触，在碳化硅籽晶上进行外延生长从而得到碳化硅单晶。LPE法面临的主要技术挑战是过渡金属的选择。碳在硅溶液里的溶解度过低，因此必须添加过渡金属元素于硅熔体中，提高碳的浓度，提升晶体生长速率。使用LPE法生长出晶体质量高、缺陷密度低，适应高品质碳化硅单晶制备需要，但其生长速度缓慢，生长长度也受限。目前国外的住友金属公司采用LPE方法。

图表10：碳化硅晶体生长主流工艺比较

资料来源：舒尔, 鲁缅采夫, 莱文施泰因. 碳化硅半导体材料与器件[M]. 电子工业出版社, 2012.，半导体行业观察，中金公司研究部

海外企业技术参数领先，国内厂商逐步赶上。根据天岳先进招股说明书，碳化硅衬底产品的核心技术参数包括直径、微管密度、多型面积、电阻率范围、总厚度变化、弯曲度、翘曲度、表面粗糙度等，而这些参数需要长期的不断尝试以积累经验。综合对比科锐公司、贰陆公司、天科合达等企业公开披露的相同等级4英寸和6英寸产品技术参数，我们认为，经过数十年自主研发与追赶，目前国内外厂商提供的4英寸和6英寸碳化硅衬底产品在质量上正实现加速追赶。

直径：直径是横穿圆片表面，通过晶片中心点且不与参考面或圆周上其他基准区相交的直线长度，指标数值偏差范围越窄越优。

微管密度：微管是一种晶体内缺陷，指沿c轴方向延伸且径向尺寸在一至几十微米范围的中空管道。微管密度是衡量碳化硅晶片质量的主要技术参数之一，指标数值越小，衬底质量越好。

多型面积：多型是由同种化学成分所构成的晶体，指当晶体结构中的结构单位层相同，但结构单位层之间的堆垛顺序或重复方式不同时，形成的结构上不同的变体，指标数值越小，质量和性能越优。

电阻率：电阻率是材料中平行于电流的电场强度与电流密度之比，指标数值分布区间范围越窄，电阻率均匀性越高。

总厚度变化：总厚度变化是半导体衬底材料在厚度测量值中，最大厚度与最小厚度的差值，指标数值越小，表明衬底厚度越均匀。

弯曲度：弯曲度是自由无夹持晶片中位面的中心点与中位面基准平面间的偏离，指标数值越小，表示整体弯曲程度越小，对芯片制造工艺精度的不利影响也越小。

翘曲度：翘曲度指晶片中心面与基准平面之间的最大和最小距离的差值，指标数值越低，晶片平面越平整。

表面粗糙度：表面粗糙度指表面具有的较小间距和微小峰谷的不平度，属于微观几何形状误差。指标数值越小，表面越光滑。

图表11：国内外厂商碳化硅衬底质量比较

资料来源：天科合达招股说明书，天岳先进招股说明书，中金公司研究部

21世纪以来海外厂商技术持续进步，碳化硅衬底技术加速发展。1991年，Wolfspeed (Cree) 发布第一个商业化的碳化硅晶圆，开启了碳化硅衬底及器件市场的浪潮，并于1999年和2009年率先突破4英寸和6英寸衬底制备技术。进入21世纪，海内外龙头厂商纷纷布局，主要企业集中生产4英寸、6英寸SiC半绝缘及导电型衬底及器件，部分企业开始布局8英寸导电型衬底。随着碳化硅下游需求日渐升温，近年来，一些碳化硅衬底厂商开始直接面向掌握切片、研磨和抛光技术的企业出售碳化硅晶棒，例如GTAT与英飞凌于2020年签署了五年期的碳化硅晶棒供货协议。

图表12：海内外碳化硅厂商衬底及器件产品迭代历程

资料来源：各公司官网，中金公司研究部

海外龙头Wolfspeed加快专利研发，在碳化硅衬底及外延片制备领域保持领先地位。碳化硅衬底及外延片制备工艺难度大，掌握核心技术、通过客户验证的厂商能够充分受益于下游市场需求增长。Wolfspeed是碳化硅衬底及外延片制备领域的龙头厂商，目前合计拥有2939项专利，其中412项与碳化硅核心技术相关，构建了强大的技术壁垒。通过与英飞凌、安森美和意法半导体等下游半导体器件龙头厂商合作，Wolfspeed成为全球碳化硅材料供给的领跑者。根据Yole数据，1996-2018年，全球96.5%的碳化硅晶圆材料来自于Wolfspeed。

图表13：Wolfspeed的专利情况（截至2021/12/31）

资料来源：Wolfspeed官网，中金公司研究部

随着尺寸的增大，碳化硅单晶扩径技术的要求越来越高，其中关键的就是籽晶生长。籽晶是具有和所需晶体相同晶体结构的小晶体，是生长单晶的种子。由于碳化硅的硬脆性，在籽晶加工、与石墨托粘结和后续烧结过程中，籽晶表面都易引入深划伤，附着的粘接剂在烧结后也难以彻底去除，在后续晶体生长过程中会诱发位错缺陷产生；此外，由于籽晶面型与石墨托不完全匹配，粘接剂会将籽晶强制粘结到石墨托上而造成籽晶形变，这种形变产生的应力会在后续晶体生长中加剧位错形成。因此，从4英寸到6英寸衬底的跨越过程中，第一个高质量6英寸籽晶的长成需要花费大量时间，籽晶是碳化硅衬底厂商的核心资产。衬底尺寸越大，单位衬底可制造的芯片数量越多，边缘浪费越小，单位芯片成本越低。根据Wolfspeed数据，对于同一规格的芯片，随着晶圆尺寸由6英寸进入8英寸，单位衬底可制造的芯片总数提升了近一倍，边缘芯片数量的占比则缩小了50%，晶圆利用率大幅增加。受益于晶圆尺寸扩张，芯片产出扩大会带来规模效益，同时随着自动化产线建设推进，人工成本将减少、生产效率将提升。因此，相较于6英寸衬底，使用8英寸衬底生产单位芯片所需成本更低，我们认为从6英寸衬底过渡到8英寸或更大尺寸有望是碳化硅产业链发展的趋势。

图表14：Wolfspeed认为8英寸衬底将提高晶圆利用率

资料来源：Wolfspeed，中金公司研究部

图表15：Wolfspeed认为8英寸衬底成本将显著降低

资料来源：Wolfspeed，中金公司研究部

海外厂商垄断碳化硅衬底市场，受益于电子电力需求爆发，国产替代空间广阔。受限于产能及价格，根据Yole及Wolfspeed数据，2018-2020年，全球碳化硅衬底市场规模从1.79亿美元增长至2.8亿美元，前五大厂商均为海外企业，合计市占率近98%。其中，Wolfspeed市占率最高，近3年均维持在60%左右，其次是II-VI和Rohm，2020年市占率分别为14%和13%。未来几年，我们认为随着国内外新能源车和光伏发电等下游需求不断增长，对功率器件和衬底材料的功率及频率适用性要求也不断提高，碳化硅衬底的市场规模有望快速增长，带来广阔的国产替代空间。Wolfspeed预测，2026年SiC衬底市场规模有望达到17亿美元，2022-2026年复合增速达到25%。

图表16：全球碳化硅衬底市场竞争格局（按收入）

资料来源：Yole，Wolfspeed，中金公司研究部

外延部分

与传统硅基器件不同，碳化硅器件不能直接制作在碳化硅单晶材料上，需要对碳化硅衬底进行外延。外延是指在碳化硅衬底的基础上，经过外延工艺生长出特定单晶薄膜，衬底晶圆和外延薄膜合称外延片，碳化硅器件只能在碳化硅外延片的基础上进行制作，因此对外延层质量要求非常高。随着耐压能力的增加，外延厚度随之增加，高质量外延片的制备难度也随之增加。电压在600V左右时，所需要的外延层厚度约6微米；电压在1200-1700V之间时，所需要的外延层厚度达到10-15微米；若电压达到一万伏以上时，需要100微米以上的外延层厚度。目前，在低、中压领域，碳化硅外延技术相对成熟；但在高压领域，我们认为SiC材料需要攻克的难关还很多，主要参数指标包括厚度、掺杂浓度的均匀性、三角缺陷等。

图表17：SiC外延工艺示意图

资料来源：Wolfspeed，中金公司研究部

衬底和外延是碳化硅器件生产过程中附加值最高的两大工序。根据CASA Research数据，碳化硅器件的成本构成中，衬底占比47%，外延占比23%，二者合计约70%，是碳化硅器件制造产业链的重要组成部分。我们认为，随着衬底及外延技术不断成熟，未来碳化硅器件前端工艺的价值量占比有望提升，但由于其材料生长工艺壁垒高，所包含必要劳动时间长，长期来看衬底及外延层的价值量有望明显高于硅材料（12英寸硅晶圆衬底+外延的价值量占比约为11%）。

图表18：碳化硅功率半导体器件成本结构（2020）

资料来源：CASA Research，英飞凌，中金公司研究部

图表19：硅功率半导体器件成本结构（2020,65nm）

资料来源：公司公告，中金公司研究部

目前，碳化硅外延设备市场呈寡头竞争状态，主要供应商包括德国的Aixtron、意大利的LPE、日本的TEL和Nuflare，国外的Dow Corning、Wolfspeed、ETC以及国内的瀚天天成、天域半导体和中国电科等碳化硅外延片制造商使用的设备均来源于这四家公司。

图表20：SiC外延厂商技术对比

资料来源：Yole，中金公司研究部

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