新能源汽车拉动SiC第三代半导体上车：衬底与外延环节的材料，设备国产化机遇

新能源汽车和光伏发电领域是SiC器件主要应用场景。

（1）新能源汽车：SiC器件主要应用在PCU（动力控制单元，如车载DC/DC）和OBC（充电单元），相比于Si器件，SiC器件可减轻PCU设备的重量和体积，降低开关损耗，提高器件的工作温度和系统效率；OBC充电时，SiC器件可以提高单元功率等级，简化电路结构，提高功率密度，提高充电速度。

（2）光伏发电领域：SiC材料具有更低的导通电阻、栅极电荷和反向恢复电荷特性，使用SiC-Mosfet或SiC-Mosfet与SiC-SBD结合的光伏逆变器，可将转换效率从96%提升至99% +，能量损耗降低50% +，设备循环寿命提升50倍。

新能源汽车是未来第一大应用市场。2027年全球导电型SiC功率器件市场规模有望达63亿美元，2021-2027年CAGR达34%；2027年新能源汽车导电型SiC功率器件市场规模有望达50亿美元，占比高达79%。

SiC的主要器件和广泛应用场景

2027年导电型SiC器件市场规模

✓SiC产业链包括衬底-外延-器件-应用，70%价值集中在衬底&外延

碳化硅器件产业链主要包括衬底、外延、器件制造（设计、制造、封测）三大环节。从工艺流程上看，首先由碳化硅粉末通过长晶形成晶碇，然后经过切片、打磨、抛光得到碳化硅衬底；衬底经过外延生长得到外延片；外延片经过光刻、刻蚀、离子注入、沉积等步骤制造成器件。

SiC产业链70%价值量集中在衬底和外延环节。碳化硅衬底、外延成本分别占整个器件的47%、23%，合计约70%，后道的器件设计、制造、封测环节仅占30%。这与硅基器件成本构成截然不同，硅基器件生产成本主要集中在后道的晶圆制造约50%（碳化硅器件制造也包含晶圆制造，但成本占比相对较小），衬底成本占比仅为7%。SiC产业链价值量倒挂的现象说明上游衬底厂商掌握着核心话语权，是国产化突破的关键。

SiC产业链：衬底-外延-器件-应用

✓衬底：导电型Wolfspeed一家独大，绝缘型天岳先进入围前三

海外龙头起步较早，长期垄断SiC衬底市场，CR3达80%。海外龙头企业在碳化硅领域起步较早，其中Wolfspeed和Ⅱ-Ⅵ公司在研发和产业化方面领先国内数十年，例如Wolfspeed/Ⅱ-Ⅵ的6寸半绝缘型碳化硅衬底量产时间早于国内天岳先进15/10年。根据Yole数据，2020年海外厂商的SiC衬底CR3达78%，其中Wolfspeed市占率45%，罗姆（收购SiCrystal）市占率20%，位居第二；国内龙头天科合达、天岳先进仅为3%、3%。

导电型衬底Wolfspeed一家独大，绝缘型衬底天岳先进入围前三。2020年全球导电型SiC衬底依旧被Wolfspeed、II-VI、罗姆垄断，CR3高达90%，其中Wolfspeed市占率高达62%，一家独大；半绝缘型衬底中天岳先进表现亮眼，市占率约30%，仅次于全球龙头II-VI、Wolfspeed的35%、33%。

国内龙头在8寸衬底均有突破，但产能方面仍有差距。

（1）天岳先进已经成功研发6英寸导电型碳化硅衬底，23年5月已经实现6寸衬底交付，处于产量的快速爬坡阶段，30万片6寸衬底产能释放将早于原计划的2026年。此外，天岳也实现高质量8英寸产品的制备。

（2）天科合达同样已经实现6英寸导电型碳化硅衬底的量产，2021年徐州生产基地6英寸系列产品产能达全国首位，2023年公司计划实现8英寸导电型碳化硅衬底的小规模量产。

（3）晶盛机电（晶越）已经掌握了6英寸碳化硅的长晶技术和晶片加工工艺，预期产能为40万片/年，此外晶盛机电已经掌握8英寸碳化硅衬底技术。

国内企业碳化硅衬底研究进展与产能规划

碳化硅衬底的生产流程包括长晶、切片、研磨和抛光四个环节

长晶：核心环节，通过物理气相传输法（PVT）在高温高压的条件下，将碳化硅原料气化并沉积在种子晶上，形成碳化硅单晶锭。需要精确控制各种参数，如温度、压力、气流、硅碳比等，以保证晶体的质量和纯度。

切片：将碳化硅单晶锭沿着一定的方向切割成薄片。由于碳化硅的高硬度和脆性，切割过程需要使用特殊的工具，如钻石线或多线切割机。切割过程会造成晶片表面的刀痕和损伤层，需要后续的研磨和抛光处理。

研磨：去除切割造成的表面缺陷和控制晶片厚度。根据研磨的目的和精度，可以分为粗磨和精磨两个阶段。研磨过程需要使用高硬度的磨料，如碳化硼或金刚石粉。

抛光：提高晶片表面光洁度和平整度。抛光也可以分为粗抛和精抛两个阶段。粗抛主要采用机械抛光方式，使用较小粒径的硬磨料，如B4C或金刚石等。精抛主要采用化学机械抛光（CMP）方式，利用化学腐蚀和机械磨损协同作用，实现晶片表面的全局平坦化

碳化硅衬底生产流程图

✓SiC外延：国外设备商主导，未来2 - 3年有望快速实现国产替代

外延工艺必不可少。与传统硅器件不同，碳化硅器件不能直接制作在衬底上，需要在衬底上生长一层晶相同、质量更高的单晶薄膜(外延层)，再制作器件。外延可分为①同质外延：在导电型SiC衬底生长SiC，常用于低功率器件/射频器件/光电器件；②异质外延：在半绝缘Sic衬底生长GaN，常用于高功率器件。

外延晶体更优质可控，层厚越大，耐压越高。碳化硅晶体生长的过程中会不可避免地产生缺陷、引入杂质，导致质量和性能不足，而外延层的生长可以消除衬底中的某些缺陷，使晶格排列整齐。外延厚度越大（难度越大），能承受的电压越高，一般100V电压需要1μm厚度外延，600V需要6μm，1200-1700V需要10-15μm，15000V则需要上百微米（约150μm）。

SiC外延分为异质/同质两种类型

Sic晶体-衬底-外延-器件-模块-系统全产业链

外延片：Wolfspeed &昭和电工双寡头垄断，设备成为最大掣肘

国外双寡头垄断全球市场，CR2超90%。2020年Wolfspeed与昭和电工分别占据全球碳化硅导电型外延片市场52%和43%的市场份额，合计高达95%，形成双寡头垄断。由于进口外延炉供货短缺+国内外延炉仍需验证+

外延工艺难度大，国内SiC外延厂商较少，市占率较低。

瀚天天成和东莞天域国内CR2超80%。①技术方面：6寸外延均较为成熟和稳定，8寸均有储备，其中瀚天天成已实现8寸外延技术的突破，且具有量产能力；东莞天域正攻克关键技术，预计2025年首条8寸外延产线投产。②产能方面：瀚天天成2022年6寸产能达12万片，2023年计划产能40万片（包括6/8寸），至2025年产能目标约140万片；东莞天域2022年6寸产能达8万片，并且启动年产100万片的6/8寸外延项目，预计2025年竣工并投产

国内外碳化硅外延厂商产品/产能布局

外延炉：CVD成本适中&质量好&生长速度快，是主流外延技术

SiC外延主要设备是CVD。SiC外延需要严格控制厚度均匀性、掺杂均匀性、缺陷率和生长速率，方法包括化学气相沉积CVD、液相外延LPE、分子束外延MBE等，其中CVD兼备成本适中+外延质量好+生长速度快的优势，应用最广。CVD工艺流程：①利用载气（H2）将反应源气体（如SiH4/C3H8）输送到生长室内的热区；②气体达到被加热的SiC衬底，反应沉积单晶薄膜（外延片）。

MOCVD是新型CVD，沉积温度更低&沉积层多样。MOCVD反应源是金属有机化合物，传统CVD是无机化合物，一般有机物熔点比无机物低，且种类远大于无机物。因此MOCVD沉积温度（500-1200℃）显著低于传统CVD（900-2000℃），且能在不同衬底上沉积超薄层甚至原子层的特殊结构表面。

CVD制作SiC外延片过程

外延炉：国外厂商主导，未来2-3年有望快速实现国产替代

国内外延设备由国外厂商主导，国内主打外延设备以意大利的LPE、德国的爱思强、日本的Nuflare产品为主，其MOCVD设备的核心差异是对气体流量的控制：（1）Nuflare：垂直气流，喷淋头和托盘距离长，优势在于流场均匀、particle少、产能大，缺陷在于设备成本高（3500万元单腔）、厚度和掺杂的均匀性略差、耗材成本高。（2）LPE：水平气流，优势在于价格适中（1100万元单腔）、生长速率高、厚度和掺杂的均匀性较好，缺陷在于上壁粒子掉落导致良率偏低、工艺可调性差、PM周期短、单设备产能提升难度大。（3）爱思强：垂直气流（公转+自转），优势在于厚度和掺杂的均匀性好，缺陷在于重复性差（不适用量产）、Particle较多。

未来2-3年SiC MOCVD设备国产替代加速。国内设备相对国外在技术、成本和性价比方面具备优势，在SiC产业即将迎来井喷之际，时间上不允许国外几家厂商进行大的技术方案革新或者推倒重来。我们预计接下来2-3年SiC MOCVD会出现和LED MOCVD格局类似的演变，即市场上国产短时间内大量替代国外设备。

SiC-CVD设备进展/产能规划

✓切片：国内激光切割工艺主要设备供应商：大族激光、德龙激光

大族激光作为国内激光厂商龙头，SiC晶锭激光切片机已交付验证。大族激光作为国内激光厂商龙头，具有明显的体量优势，经过长期激烈市场竞争，激光加工设备市占率约13%。根据大族激光2023年7月公司公告，应用于第三代半导体的SiC晶锭激光切片机已经交付客户进行验证。

德龙激光专注于高端激光设备和精细微加工，是国内唯二SiC切片设备供应厂商。德龙激光走定制化高端路线，凭借多年技术创新和工艺积累，德龙激光在半导体及光学领域，与下游知名客户建立了稳定的合作关系。现有SiC激光切片设备市场，大族激光为德龙激光唯一竞争对手，市占份额各占约50%。由于半导体行业高进入壁垒，短期内暂无其他明显竞争对手。

✓磨抛：高精度要求下设备呈现寡头垄断特点，国产替代有望加速

SiC行业中所使用的磨抛设备均由蓝宝石、硅晶等行业中的单一设备所改造延伸而来，因此厂商众多。国外厂商包括日本的秀和工业、Disco和东京精密，法国的Soitec，瑞士的梅耶博格，美国的Applied Materials和Speedfam等；国内厂商包括迈为、特思迪、扬帆半导体等。为满足产业化需求，切磨抛的全自动量产化正在逐步开展。

DISCO是全球半导体制造设备龙头，多年专注于晶圆减薄、抛光等领域。产品包括研磨机（Grinders）、抛光机（Polishers）、研磨抛光一体机（Grinder/Polisher）、表面平坦机（Surface Planer）等；在SiC减薄方面，公司采用4轴磨削和干法抛光以提高产品质量。

国内，迈为股份对标Disco所有型号，国产化进展符合预期。迈为在2019年立项研磨机，是国内最早将全自动减薄机推向量产的厂商（23年1月），截至2023年7月，8英寸减薄机已量产。

DISCO磨抛产品

-End-