碳化硅衬底切割行业分析.docx

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1、碳化硅衬底切割行业分析1、碳化硅引领半导体材料迎来新机遇1.1.复盘硅晶圆发展历程，8英寸衬底将成为主流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英寸低50%。12英寸晶圆的面积较8英寸晶圆提高118%左右，可利用面积更大。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英寸晶圆的成品率将上升。考虑到12寸晶圆成本较8英寸晶圆高50%但产出量是8英寸晶圆的3倍，使用12寸晶圆可以实现近50%的降本。大尺寸半

2、导体晶圆具有性能优势。相较于在8英寸晶圆，12英寸半导体晶圆可支持的金属层数更多，而且可以缩小晶体管体积、提高布线密度。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应。经济性和性能得到验证后，12英寸半导体晶圆成为扩产能的主要品类。在2002-2003年研发成功以来，12英寸半导体晶圆逐渐凭借经济性和性能优势逐渐取代8英寸半导体晶圆成为半导体晶圆的主要尺寸，12英寸晶圆产能及出货量迅速提升，2023年12英寸晶圆出货面积占比为69%,较8英寸晶圆出货面积占比高45%。12英寸成为半导体晶圆的主流尺寸，上游设备商已基本停产8英寸晶圆设备。由于晶圆厂的主要出货产品类型从8英寸切换

3、到12英寸，上游设备商逐渐减少了8英寸晶圆设备出货量，2016-2017年ASM1、AMAT和1RCX等设备供应商已逐渐停产了8英寸晶圆设备。虽然2018年汽车电子、物联网等新应用快速发展带来了对8英寸晶圆的需求，8英寸晶圆的供给趋紧，但是由于主要设备厂商已停产，因此市场上流通的多为二手设备。图2:12英寸半导体晶圆设备支出总体上仍将保持上升趋势由于18英寸晶圆成本过高，行业已将关注重点转移至研发先进制程。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,2012年英特尔等头部厂商宣布将研发18英寸半导体晶圆后，经过5年左右的开发，行业逐渐放弃了开发18英寸半导体晶圆的尝试。根据SE

4、M1的预测，18英寸晶圆开发需要IOOo亿美元研发成本，是12英寸的9倍；同时单个18英寸晶圆厂需要投入IOO亿美元，但是单位面积芯片成本仅下降了8%,良率和效率提升并不明显，行业已基本放弃推进18英寸晶圆开发。晶圆厂商不会持续追求晶圆拓径。受到以下因素影响，半导体晶圆厂商在晶圆尺寸扩大至12英寸后并未继续推进晶圆尺寸提高到18英寸：1）扩径带来的成本边际降低幅度逐渐降低，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，以台积电为代表的晶圆代工厂为了保持市场地位和话语权，反对继续扩径，；3）晶圆扩径需要产业链配合，以光刻机为例，由于下游需求有限，ASM1在2013年就停

5、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开发工作。1.1.2,衬底扩径至8英寸是国产碳化硅设备商的机遇期参考硅晶圆尺寸发展历程，我们认为8英寸衬底将是边际成本递减的拐点尺寸。将硅晶圆尺寸扩大至18英寸后所需的研发支出和固定资产投入将大幅提升，带来的产品单位成本降幅有限，厂商扩径动力有限。参考半导体晶圆的发展历程，我们认为8英寸将是碳化硅衬底的主流尺寸，未来继续扩径动力有限。相较于6英寸衬底，8英寸衬底的经济性更高，将成为主流衬底尺寸。根据WO1fSPeed数据，从6英寸升级到8英寸，衬底的加工成本有所增加，但合格芯片产量可以增加80%-90%;同时8英寸衬底厚度增加有助于在加工

6、时保持几何形状、减少边缘翘曲度，降低缺陷密度，从而提升良率，采用8英寸衬底可以将单位综合成本降低50%o目前全球碳化硅衬底主流尺寸为6英寸，正在向8英寸衬底过渡中，国内碳化硅衬底主流尺寸则为4英寸并向6英寸衬底过渡。8英寸是国内厂商实现弯道超车的机会。目前8英寸衬底的经济性已经跑通，Wo1fspeedsRohm和英飞凌等海外头部厂商的8英寸衬底项目已启用或在建设中。主流衬底尺寸将从6英寸切换到8英寸的行业趋势已较为明确，在这种情况下如果国内设备厂商仍大幅提升6英寸衬底设备产能将面临“投产即落后”的问题，我们认为设备厂商在本阶段应该重点突破和布局8英寸衬底设备产能，以实现弯道超车。图4:8英寸将

7、成为碳化硅衬底的主流尺寸1.2.碳化硅材料优势明显传统半导体材料应用领域受限，碳化硅材料空间广阔。目前半导体材料由以硅、错为主的第一代半导体材料，发展到以碎化钱为代表的第二代半导体材料，以碳化硅、氮化钱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。碑化钱材料主要应用于通信领域，由于禁带宽度不够大等因素，在高温、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、尺寸扩径推动衬底成本下降，碳化硅材料将快速渗透。碳化硅（SiC

8、）由碳元素和硅元素组成，与氮化钱（GaN）等同为第三代化合物半导体材料。天然碳化硅十分罕见，多为人工制造。碳化硅有200多种晶型，主流晶型为4H6iC,是碳化硅器件的首选。碳化硅的硬度很大，莫氏硬度为9.5级，仅次于世界上最硬的金刚石，具有优良的导热性能。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碑化钱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、高频等条件下的应用需求。碳化硅器件替代硅器件为必然趋势。碳化硅器件相对于硅器件的优势如下：1）耐高温：碳化硅的禁

9、带宽度和热导率均为硅的3倍左右，理论上碳化硅器件能在超600。C的环境下工作，硅器件的极限工作环境局限在175oCo2）耐高压：碳化硅的击穿电场强度是硅的10倍左右，极大地提高了器件的耐压特性。3）低损耗：碳化硅拥有约2倍于硅的饱和电子漂移速率与极低的导通电阻，能够降低能量损耗，如相同规格的碳化硅基MOSFET较硅基IGBT的总能量损耗可降低70%,提高转化效率。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，发挥更高的工作效率。图11:80OV高压平台+碳化硅逆变器效率提高7.6%AfMvncr,ftofMTMOvc

10、Ytrtmevimon5ttctncwdfdMtnm*(puMMdnFOMIuroptM)Ie)tvbbMMB.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，最终应用于新能源、光伏等领域。根据电阻率的不同，碳化硅衬底可划分为导电型衬底和半绝缘型衬底。导电型衬底的电阻率在15-30mcm,可以进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、光伏和轨道交通等领域。半绝缘型碳化硅衬底的电阻率高于105cm,生成氮化钱外延片制成射频器件之后应用于5G通讯、国防等领域。海外厂商在碳化硅功率器件领域市占率较高。受下游新能源汽车和光伏等领域的需

11、求拉动，碳化硅功率器件的市场将迅速拓展。碳化硅功率器件厂商以IDM模式为主,全球市场多由海外企业占据,根据Yo1e统计数据，CR5厂商为意法半导体、英飞凌、Wo1fspeedROhrn和安森美，2023年市占率分别为37%21%14%9%7%,合计占比达到88%。国内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，工艺技术不成熟，国内企业尚未实现MOSFET器件的量产。2027年全球碳化硅器件规模高达63亿美元。根据YOIe数据，2025年全球功率器件中SiC渗透率将达到11.6%；全球碳化硅器件市场规模将从2023年的10.

12、9亿美元增长至2027年的63亿美元，6年CAGR为34%o作为第一大应用领域，汽车SiC市场规模将从2023年的6.9亿美元增至2027年的近50亿美元，市场占有率由63%提升至79%,CAGR高达39%,较碳化硅器件市场整体增速高5pct。汽车是碳化硅最主要的应用领域,2027年市场空间将达到50亿美元。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）逆变器：根据Wo1fspeed预测，2026年主驱逆变器搭载SiC的价值量占单车碳化硅价值总量将超80%o800V高压平台将成为主流高压平台，电驱逆变器使用碳化硅

13、MoSFET将增加成本200美元，但碳化硅MOSFET具有高耐压、低导通损耗、低开关损耗等优点，取代硅IGBT应用于800V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400-800美元电池成本，最终降低单车成本200-600美元，搭载碳化硅元器件的逆变器具有综合成本优势。2）直流转换器（DC/DC）：基于碳化硅制造的功率器件，具有开关频率高、功率密度大的特性，能将氢能汽车燃料电池DC/DC变换器的系统平均效率提升超97%,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器件难以安全工作，SiCMOSFET替代Si-IGBT能让OBC满足高

14、功率密度的要求，胜任800V高压平台的工作，减少能量损耗，提升效率，总尺寸缩小60%,降低系统成本。图13:20172023年全球主要半导体材料的渗透率SiSiCGaN能源是碳化硅的第二大应用领域，2027年市场空间将达到4.6亿美元。逆变器作为光伏发电系统的“大脑”，其转换效率的提高对整个发电系统起到非常关键的作用，而采用碳化硅MOSFET功率器件能够将光伏逆变器的转换效率从96%提升至99%以上。目前光伏组件的寿命约为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至少需要消耗2个逆变器，使用碳化硅器件的逆变器能够降低超50%的能量损耗，提升50倍设备循环寿命。2023年

15、碳化硅功率器件在光伏领域渗透率约为10%,随着光伏电压等级提升至1500V,碳化硅功率器件将成为必选器件。充电桩领域，碳化硅器件主要应用于充电模块，价值量占比超50%o目前碳化硅器件在充电桩的渗透率仅为10%左右。在直流桩充电模块朝着大功率发展的趋势下，碳化硅的器件体积小，并能充电桩提高约30%的输出功率，降低近50%的损耗，从而提高单个充电模块的功率，降低系统成本，应用前景广阔。1.4. 衬底是碳化硅器件的降本核心碳化硅器件成本是硅器件的4倍左右。天然碳化硅材料稀缺，需要人工进行合成，而碳化硅制备环节难度大，衬底产出良率较低，导致碳化硅器件的价格是硅器件的4倍左右。虽然性能优势明显，但是受到

16、成本较高影响，材料渗透率不超过3%,而硅器件渗透率超过95%。但碳化硅器件具有高频、低损耗、体积小等卓越性能，可以降低下游应用的综合成本。随着碳化硅制备技术的成熟、产能扩张等因素，成本将逐步下降，Yo1e预测碳化硅渗透率在2023年有望达到3.75%0碳化硅衬底在器件成本中占比为47%o硅衬底只占器件成本约10%,而碳化硅衬底在器件成本中占比为47%,为价值量最高的原材料，碳化硅衬底成本占比高的原因为综合良率仅为40%左右，而硅衬底制备综合良率超过85.5%,分环节来看：1）长晶环节，衬底制备的长晶环节对工艺要求高，良率偏低，国内领先企业良率仅为50%左右，而硅料长晶环节良率高达90%；2）加工环节，碳化硅的硬度大且脆性高，使得加工环节的切割破损率高，相较于硅料加工环节高于95%的良率，碳化硅加工环节的良率约为70%。图14:衬底在碳化硅器件的价值量占比为47%衬底制备技术迭