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

碳化硅衬底扩径至8英寸是国产设备商的机遇期。参考半导体硅晶圆尺寸发展历程，使用12英寸硅晶圆可以实现近50%的半导体芯片单位降本。12英寸硅晶圆凭借成本优势成为主流，但扩径至18英寸需要近1000亿美元研发成本，单厂投入达100亿美元，但仅能实现8%左右的半导体芯片单位降本，厂商继续扩径动力有限。参考硅晶圆的发展历程，考虑到我们认为8英寸将成为主流碳化硅衬底，后续厂商缺乏继续扩径的动力。从6英寸向8英寸扩径的行业趋势明确，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。 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为47%。是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，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，国内领先企业良率仅为50%左右；2）加工环节，碳化硅的硬度大且脆性高，加工环节的切割破损率高，碳化硅加工环节的良率约为70%。尺寸扩径、厂商扩产以及制备技术更新将推动碳化硅衬底良率提升并提升产量，降低衬底成本，根据CASA数据，2026年之前衬底价格以每年5%-10%的幅度下降。 切割环节成本占比较高，将是衬底制备的主要降本环节。切割是加工碳化硅衬底的关键工艺，成本占比超过50%。由于碳化硅硬度大且易脆裂的特性，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，是行业降本的主要方向。 目前金刚线切割正在替代砂浆切割，激光切割将是未来主流。碳化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，但存在损耗较大等问题，金刚线切割技术是目前主流迭代方案。以DISCO公司的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耗小、效率高和产品质量高的优势，将是下一代主流切割技术。目前国内厂商掌握了砂浆切割和金刚线切割技术，但激光切割技术尚未实现突破，是国内设备厂商的重点研发方向。 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不及预期。 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。 表1：相较于8英寸晶圆，12英寸晶圆具有明显性能优势 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%。 图1：2020年12英寸晶圆出货面积占比近70% 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 请务必阅读正文之后的免责条款部分 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。 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。 图3：衬底尺寸扩大后将降低die的单位成本 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。 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 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。 2876781 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。 图5：常见碳化硅晶体结构可以分为3C/4H/6H 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。 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 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。 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 15~30m Ω·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。 图7：Wolfspeed等多家厂商能够覆盖从衬底到期间的全产业链 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。 图8：碳化硅功率器件可以分为二极管和开关 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。 图9：2021-2027年全球碳化硅器件规模CAGR为34% 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