2022年碳化硅行业技术壁垒及中国产业链分析 碳化硅产品生产应用全流程历时长

1. 生产工艺及壁垒

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。

图：碳化硅生产全流程

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。

1）PVT 法通过感应加热的方式在 2300℃以上高温、接近真空的低压下加热碳化硅 粉料，使其升华产生包含 Si 原子、Si2C 分子、SiC2 分子等气相物质，通过固-气反应产 生碳化硅单晶反应源；在温度梯度的驱动下，这些气相物质被输运到温度较低的碳化硅 籽晶上形成碳化硅晶体。整个固-气-固反应过程都处于一个完整且密闭的生长腔室内， 任意生长条件的波动将导致整个单晶生长系统的变化，且由于 200 多种碳化硅的同质异 构晶型之间能量转化势垒极低，导致 PVT 法下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，进一步导致碳化硅材料成本高昂。

2）HT-CVD 法起步较晚，其原理是在 1500-2200℃的高温下，通入硅烷、乙烷、氢 气等高纯气体，先在温度较高的裂解反应区形成 SixCy 的前驱物，再经由气体的带动下 进入较低温的籽晶端前沉积形成单晶。因为特气纯度高、杂质含量低，因此 HT-CVD 法 能够制备高纯度、高质量的半绝缘碳化硅晶体；其原料可持续添加、参数可调整，具有 产品多样性等优势。但由于设备昂贵、高纯气体价格不菲，该方法商业化慢于 PVT 法。

3）LPE 法则类似硅晶制备的提拉法，使用长晶炉结构，碳化硅籽晶固定在籽晶杆 前端，石墨坩埚里装填硅原料以及少量的掺杂物，加热至硅的熔点以上（1500-1700℃）。 将硅熔化后，加入如过渡金属元素等助熔剂，在硅的熔体中熔解碳，然后在液相外延通 过籽晶向上提拉，借由缓慢降温使溶液过饱和后在籽晶前端生长出碳化硅单晶。LPE 法 虽目前尚未成熟，但优势显著，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。

碳化硅单晶生长周期长、控制难度大，易产生晶体缺陷。碳化硅常见缺陷包括微管、 晶型夹杂、包裹物、位错、层错等，且缺陷之间存在相互影响和演变。因此，控制晶体 生长的环境参数从而有效控制晶体缺陷是核心技术难点。在长晶条件极为苛刻的情况下， 若要生成低缺陷、高质量的碳化硅单晶，需要精确的温场控制、压力控制等控制技术， 更需长期的技术积累和工艺优化，形成系统性的晶体缺陷控制技术。

碳化硅衬底环节的质量水平直接影响下游外延和器件的质量，其可靠性至关重要。 衬底也即晶片，其良好的表面质量可抑制外延生长中缺陷的产生；如果近表面的残余损 伤未被充分去除，则将导致外延生长的宏观缺陷。据研究，衬底中的螺型位错（TSD） 约 98%转化为外延片的 TSD；刃型位错（TED）则 100%转化为外延片的 TED；基面位 错（BPD）约 95%转化为 TED，少量维持 BPD。其中 TSD 和 TED 会引发局部载流子寿 命降低，但基本不影响最终的碳化硅器件的性能，而 BPD 则会引发器件性能的退化， 导致导通电阻及漏电流的增加。因此，控制衬底缺陷、提升衬底质量，是提高外延片质 量、器件制备良率、器件可靠性及寿命的重要途径。

碳化硅国产供应链不断优化，向国际靠拢。就产业链布局而言，国际龙头企业通过 调整业务领域、整合并购等方式积极向上下游延伸、建立垂直集成平台，大力完善产业 布局，如 Wolfspeed 和 ROHM 提供从衬底到最终器件的整体解决方案；而国内企业则相 对规模较小，各环节较为分散：天科合达、天岳先进等厂商专注于碳化硅衬底，东莞天 域、瀚天天成等厂商专注于外延片，华润微、泰科天润、扬杰科技、闻泰科技、士兰微等厂商则专注于器件制造。衬底厂商现亦有晶棒出售业务；三安集成、世纪金光等目前 已形成碳化硅垂直产业链布局。随着市场需求的增加、产能扩张伴随优胜劣汰，向上下 游延伸或谋求合作将成为国产供应链重要的降本和资源整合的路径。

图：碳化硅国产供应链玩家梳理

2. 供应链产能梳理

2.1. 衬底环节

海外龙头寡头垄断，国内企业奋起追赶。碳化硅衬底龙头 Wolfspeed 在 1991 年便 打造了第一片碳化硅衬底，1993 年实现 30mm 衬底商用化，2015 年推出 8 英寸碳化硅 衬底。其他海外衬底领军厂商如罗姆、II-VI、意法半导体也在 2005 年前进军相关领域， 截至 2021 年已具备 8 英寸衬底的生产能力。相比而言，国内衬底厂商起步晚，国内衬 底巨头天科合达和天岳先进分别在 2006 年与 2012 年具备 2 英寸衬底片能力。截至 2021 年，国外已实现 6 英寸碳化硅衬底产品商用化，主流厂商陆续研发出 8 英寸衬底样品。 国内 碳化硅 商业化衬底仍以 4 英寸为主，并向 6 英寸过渡。技术难度升级，技术壁垒 加固，国内厂商迎难而上。天科合达 2020 年实现 6 英寸衬底规模化量产，同时着力研 发 8 英寸衬底。天岳先进在五年内实现从 4 英寸量产至 6 英寸量产的跃升，19 年也同样 实现 6 英寸量产。国内企业有望突破壁垒、实现同步发展。

海外衬底厂商布局大规模扩产，力求 2025 年前释放产能。 Wolfspeed、罗姆、II-VI 等巨头都有 5 倍以上的产能扩建规划。罗姆计划从 2019 到 2025 年扩产 6 倍，即从 5 万片左右年产能扩产到 30~40 万片。II-VI 则在 2020 年提出计 划，5 年内产能将扩大 5-10 倍，2024 年将量产 8 英寸衬底。而作为全球的碳化硅衬底 龙头，Wolfspeed 更是在 2019 年推出了 5 年实现 30 倍扩产计划，宣布将投资 10 亿美元 分别在北卡罗来纳州和纽约州建造全新的可满足车规级标准的 8 英寸功率和射频衬底 制造工厂，将碳化硅晶圆制造能力提高多达 30 倍，并使碳化硅材料生产增加 30 倍，从 而满足 2024 年的预期市场增长。未来两年 Wolfspeed 将逐步扩张产能至约合 10 万片/月 （等效 6 英寸）。

国内厂商规划投资规模较大，而投资落地情况不足预期，有效产能不足。据中国电 子材料行业协会半导体材料分会（CEM）统计，截至 2021 年中，全国碳化硅衬底规划 投资超 300 亿元，预计规划年产能达 200 万片，而 2020 年全国碳化硅产能则仅为约 11 万片。根据 CASA 对国内的各类碳化硅投资项目情况的跟踪调查，每年所宣称的投资额 均超过 100 亿元，但目前投资到位、建设并投产的项目仍然较少。其主要原因归纳如下： 1）部分项目建设周期长、进度慢；2）项目资金需求量大、协调要求高，最终并未实质 落地；3）部分项目的规划脱离实际，导致后续执行难以落实。

2.2. 器件环节

碳化硅器件未来可期，器件厂商增加供给迎需求。据 Yole 预测，碳化硅器件应用 空间将从 2020 年的 6 亿美金快速增至 2030 年的 100 亿美金。面对广阔的发展前景，国 内各大器件产商积极扩产。另据 CASA，2020 年底，国内至少已有 8 条 6 英寸碳化硅晶 圆制造产线，另有约 10 条碳化硅生产线正在建设。三安光电、泰科天润等主要企业已 有相应产线，同时仍在积极扩建。总投资 160 亿元的湖南三安半导体基地一期项目正式 于 2021 年 6 月份投产，将打造国内首条、全球第三条碳化硅垂直整合产业链，计划月 产三万片 6 寸碳化硅晶圆。泰科天润的湖南项目于 2019 年年底正式开建，主要建设 6 英寸碳化硅基电力电子芯片生产线，满产后可实现 6 万片/年的 6 英寸碳化硅功率芯片。 比亚迪半导体、南京百识电子等企业也在建设产线。

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