碳化硅產業鏈圖譜

共讀好書

碳化硅產業鏈主要由襯底、外延、器件、應用等環節組成。碳化硅晶片作為半導體襯底材料，根據電阻率不同可分為導電型、半絕緣型。導電型襯底可用于生長碳化硅外延片，制成耐高溫、耐高壓的碳化硅二極管、碳化硅MOSFET等功率器件，應用于新能源汽車、光伏發電、軌道交通、智能電網、航空航天等領域；半絕緣型襯底可用于生長氮化鎵外延片，制成耐高溫、耐高頻的HEMT 等微波射頻器件，主要應用于5G 通訊、衛星、雷達等領域。

碳化硅產業鏈圖譜

生產工藝流程及周期

碳化硅生產流程主要涉及以下過程：

1）單晶生長，以高純硅粉和高純碳粉作為原材料形成碳化硅晶體；2）襯底環節，碳化硅晶體經過切割、研磨、拋光、清洗等工序加工形成單晶薄片，也即半導體襯底材料；

3）外延片環節，通常使用化學氣相沉積（CVD）方法，在晶片上淀積一層單晶形成外延片；

4）晶圓加工，通過光刻、沉積、離子注入和金屬鈍化等前段工藝加工形成的碳化硅晶圓，經后段工藝可制成碳化硅芯片；

5）器件制造與封裝測試，所制造的電子電力器件及模組可通過驗證進入應用環節。

碳化硅產品從生產到應用的全流程歷時較長。以碳化硅功率器件為例，從單晶生長到形成襯底需耗時1 個月，從外延生長到晶圓前后段加工完成需耗時6-12 個月，從器件制造再到上車驗證更需1-2 年時間。對于碳化硅功率器件IDM 廠商而言，從工業設計、應用等環節轉化為收入增長的周期非常之長，汽車行業一般需要4-5 年。

襯底：價值量占比46%，為最核心的環節

由SiC 粉經過長晶、加工、切割、研磨、拋光、清洗環節最終形成襯底。其中SiC晶體的生長為核心工藝，核心難點在提升良率。類型可分為導電型、和半絕緣型襯底，分別用于功率和射頻器件領域。

就技術路線而言，碳化硅的單晶生產方式主要有物理氣相傳輸法（PVT）、高溫氣相化學沉積法（HT-CVD）、液相法（LPE）等方法，目前商用碳化硅單晶生長主流方法為相對成熟的PVT 法。

PVT：生長系統穩定性不佳、晶體生長效率低、易產生標晶型雜亂以及各種結晶缺陷等嚴重質量問題，從而成本較高。

HT-CVD：起步晚，能夠制備高純度、高質量的半絕緣碳化硅晶體，但設備昂貴、高純氣體價格不菲。

LPE：尚未成熟，可以大幅降低生產溫度、提升生產速度，且在此方法下熔體本身更易擴型，晶體質量亦大為提高，因而被認為是碳化硅材料走向低成本的較好路徑，有積極的發展空間。

襯底：大尺寸大勢所趨，是SiC產業化降本的核心

目前6 英寸碳化硅襯底價格在1000美金/片左右，數倍于傳統硅基半導體，核心降本方式包括：提升材料使用率（向大尺寸發展）、降低制造成本（提升良率）、提升生產效率（更成熟的長晶工藝）。

長晶端：SiC包含 200多種同質異構結構的晶型，但只有4H 型（4H-SiC）等少數幾種是所需的晶型。而PVT 長晶的整個反應處于2300°C高溫、完整密閉的腔室內（類似黑匣子），極易發生不同晶型的轉化，任意生長條件的波動都會影響晶體的生長、參數很難精確調控，很難從中找到最佳生長條件。目前行業主流良率在50-60%左右（傳統硅基在90%以上），有較大提升空間。

機加工端：碳化硅硬度與金剛石接近（莫氏硬度達9.5），切割、研磨、拋光技術難度大，工藝水平的提高需要長期的研發積累。目前該環節行業主流良率在70-80%左右，仍有提升空間。

提升生產效率（更成熟的長晶工藝）：SiC長晶的速度極為緩慢，行業平均水平每小時僅能生長0.2-0.3mm，較傳統晶硅生長速度相比慢近百倍以上。未來需PVT 工藝的進一步成熟、或向其他先進工藝（如液相法）的延伸。

SiC襯底設備：與傳統晶硅差異較小，工藝調教為核心壁壘

SiC襯底設備主要包括：長晶爐、切片機、研磨機、拋光機、清洗設備等。與傳統傳統晶硅設備具相通性、但工藝難度更高，設備+工藝合作研發是關鍵。

外延設備及外延片：價值量占比23%

本質是在襯底上面再覆蓋一層薄膜以滿足器件生產的條件。具體分為：導電型SiC 襯底用于SiC 外延，進而生產功率器件用于電動汽車以及新能源等領域。半絕緣型SiC 襯底用于氮化鎵外延，進而生產射頻器件用于5G 通信等領域。

全球SiC外延設備被行業四大龍頭企業Axitron、LPE、TEL和Nuflare壟斷，并各具優勢。

功率器件：價值量占比約20%（包括設計+制造+封裝）

SiC功率器件的生產分為芯片設計、制造和封裝測試環節，產品包括SiC 二級管、SiCMOSFET、全SiC 模塊（SiC二級管和 SiCMOSFET 構成）、SiC混合模塊（SiC二級管和 SiCIGBT 構成）。目前中國碳化硅期間廠商以IDM為主，少量為純設計企業。

審核編輯 黃宇