碳化硅衬底切割行业首次覆盖报告：8英寸碳化硅衬底的历史机遇

中小盘研究中小盘研究中小盘-策略专题证券研究报告4.268英寸碳化硅衬底的历史机遇——碳化硅衬底切割行业首次覆盖报告证书编号周天乐(分析师)003nlegtjascomS0880520010003赵文通(研究助理)99zhaowentong026013@gtjas.cS122030012本报告导读：机遇期。主流碳化硅衬底，后设备产能将面临“投衬底降本是碳化硅器件降本的关键。衬底在碳化硅器件成本中占比碳化硅的硬度大且脆性高，加工环节的切割破损率高，碳化硅加工切割环节成本占比较高，将是衬底制备的主要降本环节。切割是加易脆裂的特性，晶锭切割难度大、磨损率高。通过长晶环节提高良片良率低这两大关键问题后可以实现快速降本，是行业降本的主要硅的切割技术包括砂浆切割、金刚线切割和激光切割三种，其中砂浆线切割技术已经应用于绝大部分碳化硅衬底厂商，但存在损耗较KABRA技术和英飞凌冷切技术为代表的碳化硅激光切割技术具有损前国内厂商掌握了砂浆切割和金刚线切割技术，但激光切割技术尚风险提示：碳化硅渗透不及预期；国内厂商突破激光切割技术进度相关报告展2022.11.06.09.23国产替代浪潮已至，电子特气成长可期.07.152022.06.12请务必阅读正文之后的免责条款部分中小盘策略专题ofof23 中小盘策略专题ofof1.碳化硅引领半导体材料迎来新机遇1.1.1.12英寸是经济性最佳的硅晶圆尺寸大尺寸半导体晶圆成本优势明显，12英寸晶圆产成品的单位成本较8面积更大。另外随着制程提高，芯片制造工艺对硅片缺陷密度与缺陷尺寸的容忍度也在不断降低，晶圆边缘部分存在不平整和大量缺陷，使用晶圆制造芯片时仅可以利用中间部分，由于边缘芯片减少，使用12英另外12英寸晶圆能够实现更高的电流密度耐受性和更好的抗电迁移效350nm(8英寸)(8英寸)(12英寸)晶圆尺寸(nm)核心电压(V)阈值电压(mV)0密度：集微网，国泰君安证券研究性图1：2020年12英寸晶圆出货面积占比近70%8798790中小盘策略专题ofof23晶圆的供给趋紧，但是由于主要设备厂商已停产，因此市场上流通的多yoy0040%70658758730%60357654950951220%20%0%8%-3%-4%2014201520162017201820192020E2021E2022E2023E2024E芯片厂降低生产成本主要有采用先进制程和增加晶圆尺寸两种方法，英寸晶圆厂需要投入100亿美元，但是单位面积芯片成本度逐渐降低，直至将增加成本；2)在扩径过程中，头部晶圆厂的市场份额和话语权持续提升，以台积电为代表的游需求有限，ASML在2013年就停止了18英寸光刻机开发并且在下游需求改善之前不会再次进行1.1.2.衬底扩径至8英寸是国产碳化硅设备商的机遇期入将大幅提升，带来的产品单位成本降幅有限，厂商扩径动力有限。参流衬底尺寸。于在加工时保持几何形状、减少边缘翘曲度，降低缺陷密度，从而提升图3：衬底尺寸扩大后将降低die的单位成本备产能将面临“投产即落后”的问题，我们认为设备厂商在本阶段应该重图4：8英寸将成为碳化硅衬底的主流尺寸1.2.碳化硅材料优势明显体材料，发展到以砷化镓为代表的第二代半导体材料，以碳化硅、氮化镓为主的第三代半导体材料。硅基材料为目前应用最普遍的半导体材料，但在高压平台的应用上接近发展极限。中小盘策略专题ff高频、高功率的应用领域受限。碳化硅材料因其优越的性能可以提高器件使用效率，并更好的应用于高压、高频、高温等场景。虽然现阶段衬底制备难度大推高了器件成本，随着技术迭代、产能扩张、尺寸扩径推。碳化硅(SiC)由碳元素和硅元素组成，与氮化镓(GaN)等同为第三度很大，莫氏硬度为9.5级，仅次于世界上最硬的金刚石，具有优良的碳化硅作为第三代半导体具有优越的材料特性。和以硅为代表的第一代单元素半导体材料和以砷化镓为代表的第二代化合物半导体材料相比，碳化硅具有宽禁带、高热导率、高击穿电场强度等优越的材料特性，使得以碳化硅制成的半导体器件能够满足高温、高压、高频等条件下的应表2：碳化硅作为第三代半导体材料具有有宽禁带、高饱和电子漂移速率等优势指标参数硅(第一代)硅(第一代)砷化镓(第二代)碳化硅(第三代)氮化镓(第三代)禁带宽度(eV)移速率(107cm/s)12热导率(Wcm-1K-1)4击穿电场强度(MV/cm)上碳化硅器件能在超600℃的环境下工作，硅器件的极限工作环境局限中小盘策略专题ofof，能够降低能量损耗，如相同规格的碳T新能源汽车、光伏等应用场景对高压平台的需求逐渐提高，使用碳化硅替代硅来制备半导体器件能够在高温高压环境下，以较少的电能消耗，图6：碳化硅器件具有耐高温高压和低能量损耗等优势1.3.下游应用需求旺盛推动碳化硅器件高速发展碳化硅产业链包括碳化硅衬底制备、外延生长和器件制造，最终应用于一步生产碳化硅外延片，最终制成功率器件，应用于新能源汽车、光伏图7：Wolfspeed等多家厂商能够覆盖从衬底到期间的全产业链等领域的需求拉动，碳化硅功率器件的市场将迅速拓展。碳化硅功率器碳化硅器件制造起步较晚，目前二极管技术水平已经接近欧美厂商，泰科天润、华润微的产品已经通过车规级认证；由于结构复杂，工艺技术图8：碳化硅功率器件可以分为二极管和开关R。碳化硅器件在新能源车领域主要应用于电机驱动系统逆变器、电源转换系统(车载DC/DC)和电动汽车车载充电系统(OBC)等方面。1)逆车碳化硅价值总量将超80%。800V高压平台将成为主流高压平台，电中小盘策略专题ofof高压平台的新能源汽车后可以将续航能力提升5%-10%，单车可节省硅元硅制造的功率器件，具有开关频率高、功率密度大的特性，能将氢能汽DCDC7%，最高效率可达99%。3)车载充电系统(OBC)：对于功率密度要求较高，且原650V器度的要求，胜任800V高压平台的工作，减少能量损耗，提升效率，总图10：碳化硅在新能源汽车领域的应用统的“大脑”，其转换效率的提高对整个发电系20年左右，硅器件逆变器的寿命不超过10年，光伏组件的全生命周期内1.4.衬底是碳化硅器件的降本核心进行合成，而碳化硅制备环节难度大，衬底产出良率较低，导致碳化硅中小盘策略专题长晶环节加工环节器件具有高频、低损耗、体积小等卓越性能，可以降低下游应用的综合长晶环节加工环节2017-2020年650V的SiCSBD价格(元/A)SiFRDSiFRDSiCSBD5142.8431.8201817181720图13：2017-2023年全球主要半导体材料的渗透率SiSiCGaNSiSiC0.95%1.32%1.69%1.98%2.35%5%20172018201920202021E2022E2023E化硅合良良率高达90%；2)加工环节，碳化硅的硬度大且脆性高，使得加工环在碳化硅器件的价值量占比为47%发费用发费用23.0%数据来源：Yole，Wolfspeed，国泰君安证券研究1%50.73%1%50.73%49.90%41%38.57%35.73%37.66%29.77%28.99%70%60%50%40%30%20%0%0%80809割为切片环节的主流技术，并处于金刚线切割替代砂浆切割中小盘策略专题激光切割作为多线切割的替代方案，具有更高的切割精度和效率。尺寸扩径、厂商扩产以及制备技术更新有助于碳化硅衬底产量进一步提升，图16：衬底价格逐步下降(RMB/cm2)040.220202025E2030E2035E2040E2045E大供需缺口数据,碳化硅在新能源车和光伏领域应用占比将由2021年的77.1%提升景。我们将重点对这两个领域进行测算，并以新能源车和光伏领域的应全球搭载碳化硅主驱的车型销量合计超130万台，在全球总销量681前单车6寸碳化硅衬底需求量为0.16片，随着碳化硅应用范围拓展至A伏逆变器的IGBT模块采购额约2000-2500万元，碳化硅器件的价格约为硅基IGBT的3-4倍，并呈下降趋势，我们预计2022-2025年碳化硅器件的价格分别为硅基器件的3.5/3//2/1.5倍，对应价格分别为7875/6750/4500/3375万元，碳化硅器件市场规模将分别为29/38/42/60光伏领域对碳化硅衬底中小盘策略专题表3：全球6英寸碳化硅衬底需求测算20222023E2024E2025E新能源车领域全球新能源车销量(万辆)41碳化硅在新能源车的渗透率(%)%全球搭载碳化硅的车型销量(万辆)8单车6寸碳化硅衬底需求量(片)6寸碳化硅衬底需求(万片)1光伏领域全球新增装机量(GW)光伏逆变器替换需求(GW)全球光伏逆变器总需求(GW).4碳化硅在光伏逆变器中的渗透率(%)碳化硅光伏逆变器(GW)碳化硅器件价格(万元)0碳化硅器件市场规模(亿元)衬底价值量占比(%)%%%%碳化硅衬底市场规模(亿元)836寸碳化硅衬底价格(元)6寸碳化硅衬底需求(万片)新能源+光伏光伏+新能源衬底总需求(万片)3光伏+新能源占比(%)全球6寸碳化硅衬底总需求(万片)海外头部厂商在提高现有6英寸产能的同时积极提升8英寸产产能。底产能d底厂商展示样品时间量产/预计量产时间Wolfspeed5m53N/A31354：各公司官网，国泰君安证券研究、露科技等厂商积极开展拓产项目，根据不完全统计，现有国内厂商规划中小盘策略专题国内厂商项目达产时间达产产能(万片/年)产线进展碳化硅衬底2026年衬底碳化硅衬底/衬底025年底/6英寸碳化硅单晶衬底/碳化硅衬底及外延025年底Rohm%/60%/60%左右，并预计在2023-2025良率约为40%，随着衬底制备技术的逐渐成熟，市场预计2025年综合良率可以提升至50%。根据上述现有产能数据以及未来产能规划，我们预计全球碳化硅图17：预计2025年全球碳化硅衬底供给仍存在超200万片缺口全球6寸碳化硅衬底总需求(万片)全球6寸碳化硅衬底有效产能(万片)00571652025E2.碳化硅衬底制备环节较多，国产化进展有限2.1.衬底制备重在晶体生长和晶锭切割物理气相沉积法(PVT)生长成为晶锭，之后加工得到标准直径尺寸的。中小盘策略专题图18：碳化硅衬底制备过程2.1.1.原料合成首先将高纯硅粉和高纯碳粉按工艺配方均匀混合，在2,000℃以上的高温条件下，于反应腔室内通过特定反应及去除杂质合成碳化硅颗粒后，经过破碎、筛分、清洗等工序制得高纯度碳化硅粉原料。粉料是晶体生长的原料，其粒度和纯度都会直接影响晶体质量。目前衬底厂商均可自2.1.2.晶体生长有物理气相传输法(PVT)、液相外延法(LPE)和高温化学气相沉积法(HT-CVD)。LPE法具有质量高、缺陷少等特点，但目前主要用于实验备简单、设备价格低、操作容易控制等特点，是用于商业化生产晶体的图19：PVT法生长碳化硅晶体示意图PVT时间优化。PVT法长晶需要在2,300°C闭生长腔室加热碳化硅粉料，通过气相升华和温场控制使升华的组分在籽晶表面再结晶得到碳化硅单晶。棒；3)难以控制碳化硅晶体内部杂质浓度；4)由于坩埚内部温度分布的晶锭厚度为5-6cm。国内对长晶环节所涉及到材料学、物理、化学等领域的配比以及对热场设计等参数控制的经验不足，所生长出的晶锭厚2.1.3.晶锭加工首先将碳化硅晶锭使用X射线单晶定向仪进行定向，之后通过精密机2.1.4.晶锭切割晶锭切割难度大、磨损率高。碳化硅的切割技术包括砂浆线切割、金刚2.1.5.晶片研磨、抛光、清洗晶片研磨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，去除切割过程中造成的碳化硅切片表面的刀痕以及表面损。图20：化学机械抛光工艺图：知网进行清洗处理，去除抛光片上残留的抛光液等表面沾污物，再通过超高2.2.设备国产化率仍有较大提升空间碳化硅衬底产业链主要包括碳化硅粉料合成炉、单晶生长炉、切片机、图21：碳化硅衬底设备：日本高鸟、天岳先进、天眼查，国泰君安证券研究2.2.1.碳化硅粉料合成炉2.2.2.单晶生长炉单晶生长炉用于晶体生长环节，基本实现国产化。单晶生长炉是使用此2.2.3.切片机切割难度大、易磨损，对设备稳定性的要求非常高。国际主流切割技术前国产化率低，处于逐渐替代砂浆切割的过程中，高测股份于2022年率先出货12台首款高速碳化硅金刚线切片专机。激光切割技术设备多2.2.4.研磨机、抛光机和抛光机与硅材料设备类似，但需根据碳化硅材料硬脆的特征做相应的调整，如研磨机需要采用专用的研磨液，抛光机需采用专用的抛光垫和抛光液。研磨机和抛光机的主要厂商基本重叠，国际以日本不二越、韩晶、苏州赫瑞特等。由于国内设备难以达到做到高精度精磨抛光要求，中小盘策略专题3.经济性呼吁碳化硅衬底切割技术迭代迭代晶锭切割技术是目前衬底环节提高产能的主要途径。通过长晶环节提高良率仍需要较长时间的经验累积，攻克晶锭切割环节切割速度慢和切片良率低这两大关键问题后可以实现快速降本。目前传统多线切割技而激光切割因加工效率高、材料基本无损，有望成为金刚线切割技术的刚石粉的内圆切割机切割超硬材料。随着半导体行业快速发展，客户对于降低切割成本、提高生产效率的要求越来越高，多线切割技术的应用也逐渐成熟，砂浆线切割技术已经应用于绝大部分碳化硅衬底厂商，金年代开始应用到外科手术、遥感勘测等领域中，但是1990年才应用到集成电路和汽车制造等制造业中。目前激光切割碳化硅上仍是较新的技线切割技术中，由于金刚线切割和砂浆线切割各有优缺点，并考虑到各企业后续环节工艺的不同，在砂浆线和金刚线的选择上有一定差异。最砂浆切割为主，相关厂商包括宇晶股份等。但是砂浆线切割速度低、切割良率低，并且存在污染的可能性，不利于碳化硅衬底厂商实现进一步降本。部分厂商正在逐步过渡到第二代的金刚线切割技术，金刚线切割技术的切割速度和切片良率均优于砂浆切割，有效降低了生产成本，目前高测股份和东尼电子等企业正在推动金刚线切割技术发展。然而金刚线切割技术存在材料损耗较高和切割线使用寿命较短等问题。加工效率高、材料基本无损的激光技术有望逐步替代金刚线切割技术，成为第三3.1.金刚线正逐步替代砂浆线切割技术料附着在钢丝线的表面，利用钢线的高速运动将砂浆带入锯缝，让该磨10-15μm的碳化硅或金刚石和矿物油或水按一定比例混合而成。该切割方法钢线具有磨削作用，导致所切割出来的碳化硅衬底片厚度不均匀，其切口、损伤层和翘曲度分别达到150/15μm/24μm；3)砂浆液循环利用中小盘策略专题较难，且可能存在污染环境问题，导致碳化硅衬底的加工成本较高。图22：金刚线切割与砂浆线切割工艺对比硅晶锭进行高速往复式削切的多线切割技术，相较于砂浆线切割技术的游离磨料，金刚线切割技术采用将电镀、树脂粘接等方法对耐磨性强的金刚石颗粒进行固定形成金刚石切割线，优势在于：1)金刚线的线径和破断力高，不易损伤硅片，同时能降低硅片损失率，其切口和损伤层，其翘曲度远小于砂浆切割，切割良率更高；3)金刚石比砂浆磨料参与磨削切割的机会大，能减少磨料之间的相互作用，并且金刚石的运行速表6：切割技术参数对比切割方法切割速度mm/min56-88金刚线切割5切割硅材料削磨成碎屑从而产生锯口损失，并且高速运动会在表面形成粗糙耗材成本高，中小盘策略专题3.2.激光切割技术更适合碳化硅衬底切割激光切割技术早期已经应用于硅晶锭的切割，在碳化硅领域的应用刚起光切割技术目前尚不成熟，但具有加工时间短、材料损耗小、产出和良率更高，综合成本优势明显，待技术成熟后有望成为主流碳化硅衬底切镜聚焦后通过石英玻璃窗体进入到耦合水腔，调整聚焦透镜与小孔喷嘴之间的距离使激光焦点刚好处于喷嘴上表面中心，然后让激光束在进入稳定的水射流后发生全反射，使得激光沿水流方向传播，从而通过高压水流能喷射的水流带走加工碎屑及污染物；4)水束光纤的工作距离大，且无需激光聚焦；5)较小的水流直径缩短切缝宽度，提高了加工的精度，切割截面更为光滑。因此，水导激光切割技术将成为切割提高产能及良表7：切割技术对比切割方法热效应切口/μm损伤层/μm翘曲度/μm切割速度污染程度mmin55刚线切割6-885专门从事水导激光研发和产业化的瑞士Synova公司的技术领先，国内技术相对落后，英诺激光、晟光硅研等企业正在积极研发。但水导激光柱，国内与领先的瑞士Synova公司的技术差距还较大，且目前难以满足2英寸以上的碳化硅衬底切割要求；2)耦合难度较大，需要保证激光束最大限度地进入喷嘴口，并尽可能实现全反射，对工艺的精度要求m中小盘策略专题ofof23图24：DISCO技术工艺图技术利用具有极好聚焦能力的光学系统将激光透过碳化硅的表面聚焦O公司利用激光加工设备的易自动化的特性，还研发出能将激光改质、剥O降低，并从原理上避免锯口损失，晶片产出能提高44%；3)省掉晶片ODISCO术较为成熟，其优势在于减少材料的损耗，提高切割速度，进而增加切片效率，更适合应用于大尺寸晶圆的切割。但DISCO技术难度高，在改进过程中容易加剧碳化硅衬底的裂片问题，且该技术受到严格的专利表8：DISCO技术与现有加工技术对比现有加工技术DISCO技术4-5天总材料损失/μmm0每晶锭产出数量(20mm)片磨时间0类似，冷切割技术先用激光照射晶锭形成剥落层，使碳化硅材料内部体积膨胀，从而产生拉伸应力形成一层非常窄的微裂纹，然后通过聚合物中小盘策略专题ofof23圆的良率提高90%；3)该技术大幅减少了SiC晶圆生产过程中的原材iC30片350μm的晶圆，而采用冷切技术能将单片晶圆厚度减少到200μm，晶圆产量提高到超80片。图25：英飞凌冷切割工艺图激光切片机市场将从2024年开始快速放量需lect预计。EEEEE新能源汽车市场SiC晶圆需求(万片)SiC晶圆总需求(万片)激光切片机价值量(亿/10万片)国产激光切片机市场空间(亿元)47中小盘策略专题ofof234.投资建议综合考虑性能和成本，我们认为衬底切割技术排序为：激光切割>金刚线切割>砂浆切割。激光技术是性能和成本表现最佳的碳化硅衬底切割技术，目前仅有日本DISCO和英飞凌掌握可应用于大尺寸衬底的激光切割设备，但国内厂商已实现水导激光技术突破，并有望通过工艺优化和技术研发实现大尺寸衬底激光切割设备的突破。目前国内厂商已经掌握砂浆切割技术，但砂浆切割存在损耗大、效率低等问题，正在逐渐被金刚线切割技术迭代，以高测股份为代表的国内厂商已实现金刚线碳化激光切割：激光切割性能和成本效益最佳，但国内厂商将逐渐实现技术01021.SZ)和大族激光(002008.SZ)。相较于多线切割，