共讀好書(shū)

碳化硅產(chǎn)業(yè)鏈主要由襯底、外延、器件、應(yīng)用等環(huán)節(jié)組成。碳化硅晶片作為半導(dǎo)體襯底材料，根據(jù)電阻率不同可分為導(dǎo)電型、半絕緣型。導(dǎo)電型襯底可用于生長(zhǎng)碳化硅外延片，制成耐高溫、耐高壓的碳化硅二極管、碳化硅MOSFET等功率器件，應(yīng)用于新能源汽車(chē)、光伏發(fā)電、軌道交通、智能電網(wǎng)、航空航天等領(lǐng)域；半絕緣型襯底可用于生長(zhǎng)氮化鎵外延片，制成耐高溫、耐高頻的HEMT 等微波射頻器件，主要應(yīng)用于5G 通訊、衛(wèi)星、雷達(dá)等領(lǐng)域。

碳化硅產(chǎn)業(yè)鏈圖譜

生產(chǎn)工藝流程及周期

碳化硅生產(chǎn)流程主要涉及以下過(guò)程：

1）單晶生長(zhǎng)，以高純硅粉和高純碳粉作為原材料形成碳化硅晶體；2）襯底環(huán)節(jié)，碳化硅晶體經(jīng)過(guò)切割、研磨、拋光、清洗等工序加工形成單晶薄片，也即半導(dǎo)體襯底材料；

3）外延片環(huán)節(jié)，通常使用化學(xué)氣相沉積（CVD）方法，在晶片上淀積一層單晶形成外延片；

4）晶圓加工，通過(guò)光刻、沉積、離子注入和金屬鈍化等前段工藝加工形成的碳化硅晶圓，經(jīng)后段工藝可制成碳化硅芯片；

5）器件制造與封裝測(cè)試，所制造的電子電力器件及模組可通過(guò)驗(yàn)證進(jìn)入應(yīng)用環(huán)節(jié)。

碳化硅產(chǎn)品從生產(chǎn)到應(yīng)用的全流程歷時(shí)較長(zhǎng)。以碳化硅功率器件為例，從單晶生長(zhǎng)到形成襯底需耗時(shí)1 個(gè)月，從外延生長(zhǎng)到晶圓前后段加工完成需耗時(shí)6-12 個(gè)月，從器件制造再到上車(chē)驗(yàn)證更需1-2 年時(shí)間。對(duì)于碳化硅功率器件IDM 廠(chǎng)商而言，從工業(yè)設(shè)計(jì)、應(yīng)用等環(huán)節(jié)轉(zhuǎn)化為收入增長(zhǎng)的周期非常之長(zhǎng)，汽車(chē)行業(yè)一般需要4-5 年。

襯底：價(jià)值量占比46%，為最核心的環(huán)節(jié)

由SiC 粉經(jīng)過(guò)長(zhǎng)晶、加工、切割、研磨、拋光、清洗環(huán)節(jié)最終形成襯底。其中SiC晶體的生長(zhǎng)為核心工藝，核心難點(diǎn)在提升良率。類(lèi)型可分為導(dǎo)電型、和半絕緣型襯底，分別用于功率和射頻器件領(lǐng)域。

就技術(shù)路線(xiàn)而言，碳化硅的單晶生產(chǎn)方式主要有物理氣相傳輸法（PVT）、高溫氣相化學(xué)沉積法（HT-CVD）、液相法（LPE）等方法，目前商用碳化硅單晶生長(zhǎng)主流方法為相對(duì)成熟的PVT 法。

PVT：生長(zhǎng)系統(tǒng)穩(wěn)定性不佳、晶體生長(zhǎng)效率低、易產(chǎn)生標(biāo)晶型雜亂以及各種結(jié)晶缺陷等嚴(yán)重質(zhì)量問(wèn)題，從而成本較高。

HT-CVD：起步晚，能夠制備高純度、高質(zhì)量的半絕緣碳化硅晶體，但設(shè)備昂貴、高純氣體價(jià)格不菲。

LPE：尚未成熟，可以大幅降低生產(chǎn)溫度、提升生產(chǎn)速度，且在此方法下熔體本身更易擴(kuò)型，晶體質(zhì)量亦大為提高，因而被認(rèn)為是碳化硅材料走向低成本的較好路徑，有積極的發(fā)展空間。

襯底：大尺寸大勢(shì)所趨，是SiC產(chǎn)業(yè)化降本的核心

目前6 英寸碳化硅襯底價(jià)格在1000美金/片左右，數(shù)倍于傳統(tǒng)硅基半導(dǎo)體，核心降本方式包括：提升材料使用率（向大尺寸發(fā)展）、降低制造成本（提升良率）、提升生產(chǎn)效率（更成熟的長(zhǎng)晶工藝）。

長(zhǎng)晶端：SiC包含 200多種同質(zhì)異構(gòu)結(jié)構(gòu)的晶型，但只有4H 型（4H-SiC）等少數(shù)幾種是所需的晶型。而PVT 長(zhǎng)晶的整個(gè)反應(yīng)處于2300°C高溫、完整密閉的腔室內(nèi)（類(lèi)似黑匣子），極易發(fā)生不同晶型的轉(zhuǎn)化，任意生長(zhǎng)條件的波動(dòng)都會(huì)影響晶體的生長(zhǎng)、參數(shù)很難精確調(diào)控，很難從中找到最佳生長(zhǎng)條件。目前行業(yè)主流良率在50-60%左右（傳統(tǒng)硅基在90%以上），有較大提升空間。

機(jī)加工端：碳化硅硬度與金剛石接近（莫氏硬度達(dá)9.5），切割、研磨、拋光技術(shù)難度大，工藝水平的提高需要長(zhǎng)期的研發(fā)積累。目前該環(huán)節(jié)行業(yè)主流良率在70-80%左右，仍有提升空間。

提升生產(chǎn)效率（更成熟的長(zhǎng)晶工藝）：SiC長(zhǎng)晶的速度極為緩慢，行業(yè)平均水平每小時(shí)僅能生長(zhǎng)0.2-0.3mm，較傳統(tǒng)晶硅生長(zhǎng)速度相比慢近百倍以上。未來(lái)需PVT 工藝的進(jìn)一步成熟、或向其他先進(jìn)工藝（如液相法）的延伸。

SiC襯底設(shè)備：與傳統(tǒng)晶硅差異較小，工藝調(diào)教為核心壁壘

SiC襯底設(shè)備主要包括：長(zhǎng)晶爐、切片機(jī)、研磨機(jī)、拋光機(jī)、清洗設(shè)備等。與傳統(tǒng)傳統(tǒng)晶硅設(shè)備具相通性、但工藝難度更高，設(shè)備+工藝合作研發(fā)是關(guān)鍵。

外延設(shè)備及外延片：價(jià)值量占比23%

本質(zhì)是在襯底上面再覆蓋一層薄膜以滿(mǎn)足器件生產(chǎn)的條件。具體分為：導(dǎo)電型SiC 襯底用于SiC 外延，進(jìn)而生產(chǎn)功率器件用于電動(dòng)汽車(chē)以及新能源等領(lǐng)域。半絕緣型SiC 襯底用于氮化鎵外延，進(jìn)而生產(chǎn)射頻器件用于5G 通信等領(lǐng)域。

全球SiC外延設(shè)備被行業(yè)四大龍頭企業(yè)Axitron、LPE、TEL和Nuflare壟斷，并各具優(yōu)勢(shì)。

功率器件：價(jià)值量占比約20%（包括設(shè)計(jì)+制造+封裝）

SiC功率器件的生產(chǎn)分為芯片設(shè)計(jì)、制造和封裝測(cè)試環(huán)節(jié)，產(chǎn)品包括SiC 二級(jí)管、SiCMOSFET、全SiC 模塊（SiC二級(jí)管和 SiCMOSFET 構(gòu)成）、SiC混合模塊（SiC二級(jí)管和 SiCIGBT 構(gòu)成）。目前中國(guó)碳化硅期間廠(chǎng)商以IDM為主，少量為純?cè)O(shè)計(jì)企業(yè)。

審核編輯 黃宇