SiC 产业链可以分为衬底材料制备、外延生长、芯片设计、器件制造和应用。SiC 晶体生长后经过切割、研磨、抛光、清洗等工序加工形成 SiC 衬底;在符合质量 要求的衬底材料上生长出新的半导体晶层作为外延,是影响元件的基本性能;最 后配合电路设计、封装形成功率器件,应用于下游市场。 衬底在 SiC 器件制造中占据核心地位。SiC 成本分布较硅基不同,据 Telescope Magazine 数据,传统硅晶圆中衬底部分占比前道工序平均成本结构的 7%,晶 圆制造设备及工艺占比最高达 50%。由于 SiC 晶体生长速度缓慢且制造难度大, 据前瞻产业研究和 CASA Research 在 2020 年发布的数据,衬底和外延在 SiC 功率器件成本结构中占比分别为 47%和 23%,二者合计占比 70%,是 SiC 器 件的核心。
产业呈现美、欧、日三足鼎立格局。玩家纷纷布局 SiC 业务,海外企业如 Wolfspeed、ROHM、ST 等具有先发优势,在产业链的多个环节具备较强的产 业优势;国产企业也正在加速入局积极追赶,目前已初步实现了全产业链自主可 控。
3.1.衬底是影响渗透率提升的关键,高成长高壁垒
SiC 衬底可分为半绝缘型和导电型两种,由于 SiC 衬底制备晶体温度要求严格、 良率低、时间长,导致成本居高不下,价格是硅基衬底的 4-5 倍。行业通过尺寸 大化、提高切割良率等方式正逐步缩小与硅基产品的价差。当前以 Wolfspeed 为龙头的欧美日企业在 SiC 衬底市场占据多数份额,在上游供给紧缺的情况下, 国际巨头正加紧完善产业布局,主要的措施包括了扩大产能,与上游衬底厂商锁 定订单,收购衬底厂商等,全球也迎来了对 SiC 衬底的扩产、收购潮。国内专注 做 SiC 衬底且规模较大的企业主要为天岳先进、天科合达、河北同光及山西烁 科,竞争优势有望持续扩大。
3.1.1. SiC 衬底制备困难导致高成本,6 英寸晶片成为市场主流
SiC 衬底分为半绝缘型和导电型。半绝缘型 SiC 衬底指电阻率高于 105Ω·cm 的 SiC,主要用于生长 GaN 外延层制作射频器件;导电型 SiC 衬底指电阻率在 15-30mΩ·cm 的 SiC,主要用于生长 SiC 外延层制造耐高温、耐高压的功率 器件。导电型 SiC 衬底可通过 N 和 Al 作为掺杂剂实现 N 型和 P 型导电性,目 前产品以 N 型为主(氮气掺杂)。因下游新能源汽车、光伏等应用领域需求处于 高速增长阶段,SiC 导电型衬底未来将占据 SiC 市场主导地位。
各施其能,各尽其长,两种衬底未来前景广阔。根据 Yole 数据,随着 5G 基站 建设和雷达下游市场对射频器件的大量需求,半绝缘型 SiC 衬底市场规模有望 取得较快增长。应用半绝缘型 SiC 衬底的氮化镓射频器件全球市场规模有望在 2026 年达到 24 亿美元,复合增长率为 18%。而受益新能源市场发展,全球应 用导电型 SiC 衬底的 SiC 功率器件市场规模 2027 年有望达到 62.97 亿美元, 复合增长率为 34%。下游应用市场的高速发展将带动上游衬底市场规模的快速 增长,导电型衬底市场潜力高于半绝缘型衬底。
SiC 衬底生产流程与硅基类似,晶体为流程核心: 1) 原料合成&晶体生长。将高纯硅粉和高纯碳粉按一定配比混合,在 2000℃ 以上的高温下反应合成 SiC 颗粒。经过破碎、清洗等工序,制得满足晶体生长要 求的高纯度 SiC 微粉原料。并以高纯度 SiC 微粉为原料,使用晶体生长炉生长 SiC 晶体。 2) 晶锭加工&切割。将制得的 SiC 晶锭使用 X 射线单晶定向仪进行定向后磨 平、滚磨,加工成标准直径尺寸的 SiC 晶体。使用多线切割设备,将 SiC 晶体 切割成厚度不超过 1mm 的薄片。 3) 晶片研磨&抛光。通过不同颗粒粒径的金刚石研磨液将晶片研磨到所需的平 整度和粗糙度,并利用机械抛光和化学机械抛光方法得到表面无损伤的 SiC 抛 光片。 4) 晶片检测。使用光学显微镜、X 射线衍射仪、原子力显微镜、非接触电阻率 测试仪、表面平整度测试仪、表面缺陷综合测试仪等仪器设备,检测 SiC 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。 5) 晶片清洗。以清洗药剂和纯水对 SiC 抛光片进行清洗处理,去除抛光片上残 留的抛光液等表面污物,再通过超高纯氮气和甩干机将晶片吹干、甩干将晶片在 超净室封装在洁净片盒内形成可供下游即开即用的 SiC 晶片。
物理气相传输法是制备 SiC 衬底最常用的方法。目前 SiC 晶体生长包括物理气 相传输法(PVT)、高温化学气相沉积法(HT-CVD)、液相法(LPE)三种。 1)PVT 法将高纯 SiC 微粉和籽晶分别置于单晶生长炉内圆柱状密闭的石墨坩 埚下部和顶部,用中频感应线圈将坩埚加热至 2000℃以上并控制籽晶处温度略 低于下部微粉,SiC 微粉在温度梯度下升华形成硅原子、SiC2 分子、Si2C 分子等不同气相组分的反应气体,并在籽晶上结晶形成圆柱状 SiC 晶锭,生长速率一 般为 0.2-0.4mm/h 左右。 2)HT-CVD 法是 SiH4、C2H4、C3H8 等反应气体和载气从底部通入向上输 运,到达放置在顶端的籽晶夹具处,在 18000-2300℃加热区域内部完全分解 并发生反应形成硅和 SiC 团簇,这些团簇升华并在籽晶上生长。然后,残余气体 从反应室顶部排出,生长速率一般为 0.3-1mm/h 左右。 3)LPE 法以 1800℃熔融硅作为溶剂、以坩埚内壁的石墨作为溶质,构成碳饱 和的硅熔体。SiC 籽晶粘结在石墨棒底端。由于固液界面相对于熔体内部温度较 低,从而使籽晶附近的熔体处于过饱和状态,SiC 沿衬底的晶体结构沉析出来成 长为晶体,每小时 0.5-2mm/h 左右。 因设备价格低、温度场调节灵活等优势,PVT 法是目前技术成熟度最高、应用最 广泛的方法。而气态的高纯碳源和硅源比高纯 SiC 粉末更容易获得,并且由于气 态源几乎没有杂质,HT-CVD 法更容易生长出高纯半绝缘(HPSI)半导体,通 过控制通入的氮或者硼的流量,就可以控制 SiC 晶体的掺杂和导电强弱。液相法 由于生长过程处于稳定的液相中,没有螺旋位错、边缘位错、堆垛层错等缺陷, 生长晶体因尺寸较小目前仅用于实验室生长,但却是另一种重要的方向和未来发 展的储备。
SiC 衬底制备难度大导致其价格居高不下。对比传统硅材,SiC 衬底制备具有晶 体温度要求严格、良率低、时间长等特点,导致成本价格居高不下,是硅基衬底 的 4-5 倍。 1)温场控制困难:Si 晶棒生长只需 1500℃,而 SiC 晶棒需要在 2000℃以上 高温下进行生长,并且 SiC 同质异构体有 250 多种,但用于制作功率器件的主 要是 4H-SiC 单晶结构,如果不做精确控制,将会得到其他晶体结构。此外,坩 埚内的温度梯度决定了 SiC 升华传输的速率、以及气态原子在晶体界面上排列 生长方式,进而影响晶体生长速度和结晶质量,因此需要形成系统性的温场控制 技术。与 Si 材料相比,SiC 生产的差别还在如高温离子注入、高温氧化、高温 激活等高温工艺上,以及这些高温工艺所需求的硬掩模工艺等。 2)晶体生长缓慢:Si 晶棒生长速度可达 30~150mm/h,生产 1-3m 的硅晶棒 仅需约 1 天的时间;而 SiC 晶棒以 PVT 法为例,生长速度约为 0.2-0.4mm/h, 7 天才能生长不到 3-6cm,长晶速度不到硅材料的百分之一,产能极为受限。 3)良品参数要求高、良率低:SiC 衬底的核心参数包括微管密度、位错密度、 电阻率、翘曲度、表面粗糙度等,在密闭高温腔体内进行原子有序排列并完成晶 体生长,同时控制参数指标,是复杂的系统工程。 4)材料硬度大、脆性高,切割耗时长、磨损高:SiC 莫氏硬度达 9.25 仅次于金 刚石,这导致其切割、研磨、抛光的加工难度显著增加,将一个 3cm 厚的晶锭 切割 35-40 片大致需要花费 120 小时。另外,由于 SiC 脆性高,晶片加工磨损 也会更多,产出比只有 60%左右。
SiC 衬底成本可以通过做大尺寸、降低切割损耗和提高良率等方式下降。 1)大尺寸 SiC 衬底是重要发展方向。 SiC 衬底主要有 2 英寸(50mm)、3 英寸(75mm)、4 英寸(100mm)、6 英 寸(150mm)、8 英寸(200mm)英寸等规格。据 wolfspeed,从 6 英寸到 8 英寸,单片衬底可切割芯片数量由 488 增至 845 个,边缘浪费由 14%减至 7%。 因此随着衬底的尺寸越大,边缘的浪费就越小、制备的芯片数量增多,促进单位 芯片成本的降低。因此,大尺寸是 SiC 衬底制备技术的重要发展方向。
国际 SiC 商业化衬底以 6 英寸为主,逐步向 8 英寸过渡。在半绝缘型 SiC 衬底 市场主流产品规格为 4 英寸;在导电型 SiC 衬底市场主流产品规格为 6 英寸。 行业领先者 Wolfspeed、II-VI、ST、Onsemi、Soitec、ROHM 等已成功研发 8 英寸产品,国际龙头企业已陆续开始投资建设 8 英寸 SiC 晶片生产线,预计 5 年内 8 英寸全面商用。 国内 SiC 商业化衬底以 4 英寸为主,逐步向 6 英寸过渡。国内企业起步较晚, 研发进度稍慢,但也完成了 6 英寸衬底的布局,与国外差距不断缩小。2020 年 山西烁科晶体 SiC 衬底项目投产,同时天科合达、河北同光晶体、南砂晶圆等几 大衬底生产商均在扩张 6 英寸衬底产能。
2)提高材料使用效率: 提高衬底切割良率。由于 SiC 的莫氏硬度为 9.5,硬度与金刚石接近,只能用金 刚石材料进行切割,切割难度大,切割过程中易碎,保证切割过程稳定获得低翘 曲度的晶片是技术难点之一,可以通过激光切割或其他技术手段减少当前线切割 工艺的损耗。例如英飞凌收购的 Siltectra 使用的一种冷切割技术基于激光的技 术采用化学物理过程,利用热应力产生一种力,该力沿着所需的平面以极高的精 度分裂材料,并且几乎不产生割缝损失。可使得原材料损耗从传统 75%减至 50%, 减少耗材成本,同时能够使单片晶圆产出的芯片数量翻倍。
国内大族激光已生产出 SiC 晶锭激光切片机、SiC 超薄晶圆激光切片机设备,运 用的 QCB 技术可在原来传统线切割的基础上大幅提升产能,以切割 2cm 厚度 的晶锭,分别产出最终厚度 350um、175um 和 100um 的晶圆为例,产能提升 幅度分别为 40%、120%和 270%,目前设备正处于量产验证阶段。
3)减少损耗、良率提升促 SiC 成本下降。目前主流商用的 PVT 法晶体缺陷控 制难度大导致衬底良率低,各厂商通过技术投入研发逐年提升 SiC 衬底良率。例 如天岳先进设计不同尺寸 SiC 单晶生长炉,对坩埚、保温进行了设计,实现了均 匀热场结构,提升晶体质量和良率,其 SiC 衬底良率近年来保持在 70%以上。 Wolfspeed 的 8 英寸 SiC 衬底良率在经过化学机械抛光(CMP)后预期良率在 95%之上,因此拥有产品定价权。随着衬底厂商完成低缺陷密度单晶生长工艺及 厚单晶生长工艺研发后,衬底单位面积价格将会快速的下降。
2027 年 SiC 衬底市场规模将达到 33 亿美元。随着 5G 市场对 SiC 基氮化镓器 件需求的增长,以及新能源领域对功率半导体的旺盛需求,将带动 SiC 衬底的市 场规模逐步扩张。结合 wolfspeed 的经营情况,到 2027 年全球 SiC 衬底材料 市场规模预计将达到约 33 亿美元。
3.1.2. SiC 衬底呈美、欧、日三足鼎立格局
国外企业市占率高,美国 Wolfspeed 全球独大。由于芯片制造企业对 SiC 衬底 的选用极为慎重,美国 Wolfspeed(Cree)布局较早,良率和产能规模都在全 球处于领先的地位,其市场份额约为 45%呈现一家独大的竞争格局。按地域分, 美国占据全球约 58%的市场份额。欧洲和日本的 SiC 企业占据了剩余的大部分 份额。国内企业的市占率约为 8%,主要有天科合达、天岳先进等。
按类型分,Wolfspeed市占率在导电型和半绝缘型衬底领域中亦最高。根据Yole 数据,全球半绝缘型 SiC 衬底市场中,2020 年 Wolfspeed(Cree)、II-VI、 天岳先进市占率总计高达 98%,形成三足鼎立的态势。全球导电型 SiC 衬底市 场中,2018 年美国 Wolfspeed(Cree)市占率为 62%,遥遥领先于其他厂商, II-VI 和 ROHM 份额分别为 16%和 12%,三家合计占比高达 90%;陶氏、昭和 电工、ST(Norstel)等厂商分配剩余 10%的份额,国内厂商天科合达和天岳先 进占比分别为 1.7%和 0.5%,相对较低。
3.2.外延是提高 SiC 器件性能及可靠性的关键
SiC 外延材料生长技术成熟,壁垒相对较低,由于外延市场处于产业链中间环节, 衬底/器件厂商具备一定外延能力,因而市场规模以及玩家数量相对较小。主要 系国外 SiC 设备昂贵且交期慢,行业由 Wolfspeed 和昭和电工双寡头垄断。国 内主要玩家为东莞天域、瀚天天成和南京百识,随着国产 SiC 外延设备突破, 未来该环节利润会逐步回归正常水平。
SiC 外延工艺是提高 SiC 器件性能及可靠性的关键。SiC 外延是指在衬底的上 表面生长一层与衬底同质的单晶材料 4H-SiC。外延层可减小晶体生长和加工中 引入的缺陷带来的影响,使 SiC 表面晶格排列整齐,形貌较衬底大幅优化。在此 基础上制造的功率器件,器件性能和可靠性将显著提升。 SiC 外延材料生长方法与晶体生长方法相近。主要有升华外延(PVT)、液相外 延(LPE)、分子束外延(MBE)和化学气相淀积(CVD)。化学气相淀积是 SiC 外延生长中最常用的方法,其生长机理是以高纯氢气或者氩气作为载气,将反应 源气体(如 SiH4、C3H8 等)带入淀积室化学反应后生成 SiC 分子并沉积在衬 底上,生长出晶体取向与衬底相同的 SiC 单晶外延层。常用设备为热壁式水平外 延炉,典型生长温度范围为 1500~1650℃,生长速率 5~30μm/h。