（报告出品方/作者：国泰君安证券，周天乐，赵文通）

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，2020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 ASML、AMAT 和 LRCX 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。

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 SEMI 的预测，18 英寸晶圆开发需要 1000 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 100 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，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 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 Wolfspeed 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%。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，Wolfspeed、Rohm 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。

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、锗为主的第一代半导体材料，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。砷化镓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）由碳元素和硅元素组成，与氮化镓（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 4H-SiC，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 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℃的环境下工作，硅器件的极限工作环境局限 在 175℃。2）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。

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 15~30mΩ·cm，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 105Ω·cm，生 成氮化镓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 Yole 统计 数据，CR5 厂商为意法半导体、英飞凌、Wolfspeed、Rohm 和安森美， 2021 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 Yole 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 2021 年的 10.9 亿美元增长至 2027 年的 63 亿美元，6 年 CAGR 为 34%。 作为第一大应用领域，汽车 SiC 市场规模将从 2021 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 Wolfspeed 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%。800V 高压平台将成为主流高压平台，电驱逆变器使用碳化硅 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，SiC MOSFET 替代 Si-IGBT 能让 OBC 满足高功率密 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。

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。2020 年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%。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， Yole 预测碳化硅渗透率在 2023 年有望达到 3.75%。

碳化硅衬底在器件成本中占比为 47%。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%。

衬底制备技术迭代有助于提高产能和良率。晶体生长方面，长晶炉的产 出率在逐步上升，根据天岳先进数据，长晶炉单台年产能从 2019 年的 84 片提升至 2021 年的 115 片，并预计于 2026 年增长至 375 片。切片方 面，多线切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 的进程中；金刚线切割技术能将切割速度提高 14 倍，产能提升 4 倍；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， 降低衬底成本并加速碳化硅器件的渗透。根据 CASA 数据，2026 年之前 SiC 衬底价格以每年 5%-10%的幅度下降。

1.5.碳化硅厂商积极扩产，但仍存在巨大供需缺口

预计 2025年全球 6英寸碳化硅衬底需求将达到 677万片。根据Wolfspeed 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 至 2027 年的 86.5%，新能源车和光伏领域将是碳化硅的两大主要应用场 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 用占比测算全球 6 英寸碳化硅衬底总需求量。 1）新能源车领域：根据中国汽车工业协会数据，我们测算 2022 年 1-9 月 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 万台中渗透率接近 20%，随着碳化硅器件在 800V 高压平台的渗透率逐 渐提升，我们预计碳化硅在新能源车的渗透率 2025 年将达到 40%。目 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 OBC、DC/DC 等领域，未来 6 寸碳化硅衬底需求量将升为 0.5 片，预计 2025 年新能源车领域对碳化硅衬底的需求将达到 802 万片。

2）光伏领域：根据 CASA 数据，2021 年碳化硅在光伏逆变器领域的渗 透率为 10%，预期 2022-2025 年分别为 15%/20%/30%/50%。目前 1GW 光 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 亿元。衬底成本的下降将降低衬底价值量占比，我们预计该占比在 2025 年降至 40%。根据以上假设，我们测算 2025 年光伏领域对碳化硅衬底 的需求将达到 42 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。 Wolfspeed 目前碳化硅 6 英寸衬底产能约为 50 万片，Coherent 现有 6 英 寸碳化硅衬底年产能约为 20 万片，同时 Wolfspeed 和 Coherent 均计划 5 年内将产能扩张 5-10 倍。Rohm 现有 6 英寸产能约为 20 万片，预计 2025 年将产能扩展至 30-40 万片。海外厂商在提出大幅提高 6 英寸衬底产能 的同时积极拓展 8 英寸衬底产能，Wolfspeed 于 2023 年 4 月启用了全球 首家 8 英寸碳化硅晶圆厂。

国内厂商仍着力于提升 6 英寸衬底产能，8 英寸产能落地仍需一定时间。 国内厂商现有 6 英寸衬底产能约为 15 万片，天岳先进、东尼电子、露 笑科技等厂商积极开展拓产项目，根据不完全统计，现有国内厂商规划产能投产后总产能将超过 200 万片/年。但目前国内厂商在 8 英寸碳化硅 衬底方面较海外厂商仍存在较大差距，现有产能尚处于实验室阶段。

2025 年全球碳化硅衬底仍有 218 万片的缺口。Wolfspeed、Coherent 和 Rohm 的衬底综合良率分别为 70%/60%/60%左右，并预计在 2023-2025 年内维持该良率水平。目前国内碳化硅厂商的平均综合良率约为 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 衬底有效产能将从 2022 年的 65 万片提升至 2025 年 405 万片，因此 2025 年将存在 272 万片的产能缺口。

2.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

碳化硅衬底的制备首先由高纯硅、碳粉在高温下合成 SiC 微粉后，通过 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 碳化硅晶体，再经过切磨抛工艺获得表面无损伤的碳化硅抛光片。

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 行生产高纯度碳化硅粉料。

2.1.2.晶体生长

PVT 法是产业化合成碳化硅晶体的主流方法。碳化硅晶体生长方法主要 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 室生长的小尺寸晶体，技术还不成熟且多为日本住友独家掌握。PVT 法 和 HT-CVD 法均可用于商业化生产，PVT 法相较于 HT-CVD 法具有设 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 主流方法，90%的衬底厂商均选择 PVT 法制备晶体。

PVT 法长晶条件苛刻，工艺还需时间优化。PVT 法长晶需要在 2,300° C 以上高温、接近真空的低压下的密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。 该环节对工艺要求极高，目前面临的主要技术挑战包括：1）在高温且密闭腔室内进行反应，极易发生不同晶型之间的转化，难以得到所需的 特定晶型；2）生长速度仅为 0.2-0.3mm/h，7 天才能生长 2cm 左右，而 硅棒拉晶速度可达 30-150mm/h，只需 2-3 天便可拉出约 2m 的 8 英寸硅 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 不均引发的缺陷。在此领域深耕 35 年的 Wolfspeed 技术领先，所生长出 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 度仅为 2cm，且良率仅为 50%，因此仍需较长时间来累积经验。

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 械加工的方式加工成标准直径尺寸和角度的碳化硅晶锭。

2.1.4.晶锭切割

切割是加工碳化硅最关键的工艺，占整个加工成本的 50%以上。该过程 需要使用切割技术及设备将碳化硅晶锭切割成厚度不超过 1mm 的晶片， 要求翘曲度小、厚度均匀、良率高。由于碳化硅硬度大、易脆裂的特性， 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 线切割和激光切割三种，其中金刚线切割技术是主流。

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 伤层。 晶片抛光的目的是进一步提高晶片的表面质量，得到表面无损伤的碳化 硅抛光片。碳化硅晶片抛光主要有机械抛光和化学机械抛光方法，其中 化学机械抛光方法是目前实现碳化硅晶片全局平坦化最有效的方法。晶片清洗碳化硅晶片表面的污染物。以清洗药剂和纯水对碳化硅抛光片 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 纯氮气和甩干机将晶片吹干、甩干。

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、 研磨机、抛光机设备。由于碳化硅材料对仪器的精度和稳定性要求高， 切片机、研磨机和抛光机设备依然以进口为主，正在逐步国产化。

2.2.1.碳化硅粉料合成炉

碳化硅粉料合成炉用于原料合成环节，以制备高纯度粉料。此环节工艺 和设备相对简单，价值量较低。国外主要厂商包括 Wolfspeed、Aymont 等，合成粉体纯度可达 99.9995%。国内主要为中国电科二所、山东天岳、 天科合达和中科院硅酸盐所等，平均粉体纯度为 99.999%。

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 PVT 法长晶的主要设备，由于长晶环节对工艺的要求高，目前长晶炉单 台产能效率较低且提升速度缓慢。以天岳先进为例，2021 年其长晶炉的 单台年产能约为 115 片，同比增速仅为 3.6%。长晶环节的壁垒主要体现 在工艺而非设备，并且长晶炉成本可控，价值量不超过 100 万元，因此 该设备多为衬底制造厂商自主研发。

2.2.3.切片机

切片机用于碳化硅晶锭切割，由于碳化硅硬度大、易脆裂的特性，晶锭 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 多为金刚线多线切割，其中日本高鸟的金刚石多线切割机占据 80%以上 市场份额。国内衬底厂商中超 90%使用砂浆切割，金刚线多线切割机目 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 为进口，价格昂贵，国内大族激光、德龙激光和英诺激光正在积极研发， 国产化后有望大幅降价。

2.2.4.研磨机、抛光机

研磨机与抛光机分别用于晶片研磨和抛光环节，设备多为进口。研磨机 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 国 NTS、美国斯德堡等领先，国内厂商主要有中电科四十五所、湖南宇 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，目前设备以进口为主。

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 术包括砂浆线和金刚线切割技术，并以金刚线切割技术为主流迭代方案； 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 理想替代方案。

多线切割技术：多线切割技术是脆硬材料切割的一种工艺，在工业中广 泛利用。该传统技术发展历史悠久，1960 年代开始利用线的往复运动来 切割水晶片，1970 年代开始切割 1-2 英寸的硅片，1980 年代采用涂有金 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 刚线切割技术也成为了主流迭代方案。激光切割技术：虽然对激光的研究早在 1916 年就已经开始，并于 1960 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 术，能够解决碳化硅厂商采用传统切割方法无法解决的高质量生产问题。

部分企业正在推动金刚线切割迭代，激光切割有望逐步渗透。在传统多 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 先投入生产的砂浆线切割工艺成熟度高，约 90%的碳化硅衬底厂商仍以 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 代主流切割技术。

3.1.金刚线正逐步替代砂浆线切割技术

传统砂浆线切割技术应用成熟。砂浆切割为游离磨料切割，以砂浆为磨 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 料颗粒与切割材料进行摩擦从而达到切割效果，其中砂浆主要由 10-15 μｍ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 工艺成熟度较高，因此约 90%的碳化硅衬底厂商仍以砂浆切割为主要切 割技术，包括宇晶股份等。但砂浆切割存在很多缺点，包括： 1）切割 速度低：平均切割一刀需要约 150 小时；2）切割良率低：游离磨粒对 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。

金刚线相较于砂浆线切割优势明显。利用附有磨料颗粒的钢丝线对碳化 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 均小于砂浆切割；2）采用金刚线切割的硅片表面更光滑、厚度更均匀， 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 度更快、硬度更高，金刚线的切割速度更快。

金刚线切割技术仍存在一些问题。虽然金刚线切割技术在切割速度和切 割良率方面远优于砂浆切割，但是仍存在一些问题：1）加工效率较低， 碳化硅晶锭长度较短，使用多线切割技术需要先将多个晶锭进行拼接， 降低了加工效率；2）材料损耗率高，加工过程中切割线会将部分碳化 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 切痕，材料损耗率高达 50%；3）设备及耗材寿命短，切割时金刚线磨 损严重，影响切割线的使用寿命以及晶片的翘曲度；4）耗材成本高， 单位成本高于油砂线，频繁更换易磨损的金刚线会增加加工成本。

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 步，目前主要有水导激光加工、DISCO 技术和冷切割三大技术。由于激 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 割技术。

水导激光切割技术在切割质量方面更具优势。技术首先让激光经过凸透 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 水射流引导加工材料表面进行切割。该技术具有以下优势：1）水流能 冷却切割区，降低材料热变形和热损伤程度；2）切割速度明显加快；3） 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 率的有效途经。

水导激光技术应用范围有限，只适用于小尺寸碳化硅晶锭切割。国际以 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 技术的应用仍具一定挑战性：1）对喷嘴的要求高，需要得到均匀的水 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 较高；3）由于水对不同波长的激光吸收程度不同，激光波长受限，波 长主要为 1064nm、532nm、355nm 三种。国内企业仍需继续提高水导激 光的切割工艺以掌握水导激光切割技术。

日本 DISCO 公司的 KABRA 技术是更为领先的激光切割技术。KABRA 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 晶片内部，在特定位置形成改性层之后可从晶锭上剥离出晶片。DISCO 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 离、研磨步骤并行的 KABRA!zen 加工系统。以加工直径 6 英寸、厚度 20 mm 的 SiC 晶锭为例，相较于现有切割技术，DISCO 技术具有以下优 势：1）切割时间从现有 4-5 天显著缩短至 17 分钟；2）材料损失率大幅 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 研磨环节，节约时间、设备以及人力成本。

DISCO 技术更适合大尺寸晶圆切割，但具有严格专利保护。DISCO 技 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 保护，国内厂商较难复制。

英飞凌冷切割技术能将碳化硅器件成本降低近 30%。2018 年 11 月英飞 凌以 1.24 亿欧元收购了具有冷切割技术的公司 Siltectra。与 DISCO 技术 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 冷却步骤将微裂纹处理为一个主裂纹，最终将晶圆与剩余的晶锭分开。该技术具有以下优势：1）每片晶圆总切口损失小于 100μm；2）SiC 晶 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 料损耗，可以提供 3 倍的材料，最终 SiC 器件产能提高近 2 倍，成本降 低 20-30%。以单个 20mm 的 SiC 晶锭为例，采用多线切割技术可生产 30 片 350μｍ的晶圆，而采用冷切技术能将单片晶圆厚度减少到 200μ ｍ，晶圆产量提高到超 80 片。

3.3.国产激光切片机市场将从2024年开始快速放量

切片机价值量约为 1.28 亿元/10 万片。假设激光切割能将国内平均衬底 综合良率提高至 50%，单台设备年产能约 6800 片，则 10 万片年产能需 要激光切片机 15 台。目前市场单台价格 700 万-1000 万，取平均值为 850 万，则 10 万片产能对应切片机价值量为 1.28 亿元。 国内激光切片机市场空间将于 2026 年达到 22 亿元。根据 CASA 数据， 新能源汽 车市场 对于碳 化硅晶 圆的需求 在 2022-2026 年分 别为 21/35/56/87/122 万片。结合 Yole 数据，我们预计碳化硅在新能源汽车的 应用占比将在 2022-2024 年每年增长 1pct，2024 年以后每年增长 2pct。 因此可以预测碳化硅晶圆的总需求为 32/55/84/128/175 万片，我们预计 在 2026 年国内碳化硅衬底激光切割机的市场规模达到 22 亿元。

（本文仅供参考，不代表我们的任何投资建议。如需使用相关信息，请参阅报告原文。）

精选报告来源：【未来智库】「链接」