碳化硅产业链研究

|碳化硅产业链图谱

碳化硅产业链主要由衬底、外延、器件、应用等环节组成。碳化硅晶片作为半导体衬底材料，根据电阻率不同可分为导电型、半绝缘型。导电型衬底可用于生长碳化硅外延片，制成耐高温、耐高压的碳化硅二极管、碳化硅MOSFET等功率器件，应用于新能源汽车、光伏发电、轨道交通、智能电网、航空航天等领域；半绝缘型衬底可用于生长氮化镓外延片，制成耐高温、耐高频的HEMT 等微波射频器件，主要应用于5G 通讯、卫星、雷达等领域。

|碳化硅产业链图谱

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|生产工艺流程及周期

碳化硅生产流程主要涉及以下过程：

1）单晶生长，以高纯硅粉和高纯碳粉作为原材料形成碳化硅晶体；2）衬底环节，碳化硅晶体经过切割、研磨、抛光、清洗等工序加工形成单晶薄片，也即半导体衬底材料；

3）外延片环节，通常使用化学气相沉积（CVD）方法，在晶片上淀积一层单晶形成外延片；

4）晶圆加工，通过光刻、沉积、离子注入和金属钝化等前段工艺加工形成的碳化硅晶圆，经后段工艺可制成碳化硅芯片；

5）器件制造与封装测试，所制造的电子电力器件及模组可通过验证进入应用环节。

碳化硅产品从生产到应用的全流程历时较长。以碳化硅功率器件为例，从单晶生长到形成衬底需耗时1 个月，从外延生长到晶圆前后段加工完成需耗时6-12 个月，从器件制造再到上车验证更需1-2 年时间。对于碳化硅功率器件IDM 厂商而言，从工业设计、应用等环节转化为收入增长的周期非常之长，汽车行业一般需要4-5 年。

|衬底：价值量占比46%，为最核心的环节

由SiC 粉经过长晶、加工、切割、研磨、抛光、清洗环节最终形成衬底。其中SiC晶体的生长为核心工艺，核心难点在提升良率。类型可分为导电型、和半绝缘型衬底，分别用于功率和射频器件领域。

就技术路线而言，碳化硅的单晶生产方式主要有物理气相传输法（PVT）、高温气相化学沉积法（HT-CVD）、液相法（LPE）等方法，目前商用碳化硅单晶生长主流方法为相对成熟的PVT 法。

PVT：生长系统稳定性不佳、晶体生长效率低、易产生标晶型杂乱以及各种结晶缺陷等严重质量问题，从而成本较高。

HT-CVD：起步晚，能够制备高纯度、高质量的半绝缘碳化硅晶体，但设备昂贵、高纯气体价格不菲。

LPE：尚未成熟，可以大幅降低生产温度、提升生产速度，且在此方法下熔体本身更易扩型，晶体质量亦大为提高，因而被认为是碳化硅材料走向低成本的较好路径，有积极的发展空间。

|衬底：大尺寸大势所趋，是SiC 产业化降本的核心

目前6 英寸碳化硅衬底价格在1000美金/片左右，数倍于传统硅基半导体，核心降本方式包括：提升材料使用率（向大尺寸发展）、降低制造成本（提升良率）、提升生产效率（更成熟的长晶工艺）。

长晶端：SiC包含 200多种同质异构结构的晶型，但只有4H 型（4H-SiC）等少数几种是所需的晶型。而PVT 长晶的整个反应处于2300°C高温、完整密闭的腔室内（类似黑匣子），极易发生不同晶型的转化，任意生长条件的波动都会影响晶体的生长、参数很难精确调控，很难从中找到最佳生长条件。目前行业主流良率在50-60%左右（传统硅基在90%以上），有较大提升空间。

机加工端：碳化硅硬度与金刚石接近（莫氏硬度达9.5），切割、研磨、抛光技术难度大，工艺水平的提高需要长期的研发积累。目前该环节行业主流良率在70-80%左右，仍有提升空间。

提升生产效率（更成熟的长晶工艺）：SiC长晶的速度极为缓慢，行业平均水平每小时仅能生长0.2-0.3mm，较传统晶硅生长速度相比慢近百倍以上。未来需PVT 工艺的进一步成熟、或向其他先进工艺（如液相法）的延伸。

|SiC衬底设备：与传统晶硅差异较小，工艺调教为核心壁垒

SiC衬底设备主要包括：长晶炉、切片机、研磨机、抛光机、清洗设备等。与传统传统晶硅设备具相通性、但工艺难度更高，设备+工艺合作研发是关键。

|外延设备及外延片：价值量占比23%

本质是在衬底上面再覆盖一层薄膜以满足器件生产的条件。具体分为：导电型SiC 衬底用于SiC 外延，进而生产功率器件用于电动汽车以及新能源等领域。半绝缘型SiC 衬底用于氮化镓外延，进而生产射频器件用于5G 通信等领域。

全球SiC外延设备被行业四大龙头企业Axitron、LPE、TEL和Nuflare垄断，并各具优势。

|功率器件：价值量占比约20%（包括设计+制造+封装）

SiC功率器件的生产分为芯片设计、制造和封装测试环节，产品包括SiC 二级管、SiCMOSFET、全SiC 模块（SiC二级管和 SiCMOSFET 构成）、SiC混合模块（SiC二级管和 SiCIGBT 构成）。目前中国碳化硅期间厂商以IDM为主，少量为纯设计企业。

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