SiC哪些环节被卡脖子？剖析国产化的希望与痛点

会议预告

汽车与光储充SiC应用及供应链升级大会

2023年5月25日 上海世博洲际酒店

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面对日益复杂的国际环境，我国提出“国内外双循环”的新发展格局，而半导体产业的“内循环”需要通过进一步的产业转型升级，来解决“卡脖子问题”。

在“行家说三代半”的交流群，经常在讨论的一个话题是：SiC半导体产业哪些环节还被“卡脖子”？哪些环节实现了突破？

针对该话题，“行家说三代半”对SiC产业的关键技术进行了梳理，借此剖析国内SiC装备和材料的技术进展和优秀技术，以及目前的不足之处和技术痛点，让产业内外对SiC产业有更深入的了解。

从国防安全到能源安全

SiC重要性日益凸显

SiC不仅是关系国防安全的的重要技术，同时也是关于全球汽车产业和能源产业非常注重的关键技术。

SiC重要性日益凸显

首先，半绝缘SiC是国防领域的关键技术，电子战、雷达等许多领域都依赖于SiC基氮化镓来提升系统的性能和可靠性。早在2008年，《瓦森纳协定》就对半绝缘SiC衬底材料进行明确的限制，部分西方发达国家作为协定成员国对我国实施禁运。经过多年艰苦卓绝的努力攻克，目前烁科晶体、天岳先进、天科合达等国内衬底头部企业都已实现了相关技术的突破，并且全球市占率排名非常靠前。

其次，近2年，“缺芯”重创了全球汽车产业。据汽车咨询公司AFS分析，2021-2022年全球汽车市场因缺芯累计减产超1490万辆，截至今年4月初，全球汽车持续因缺芯减产约87万辆汽车。其中，中国汽车市场减产量已接近10万辆，约占全球总减产量的11%。

目前，我国汽车产业链高度依赖进口SiC芯片，已量产的车型主驱几乎100%采用进口芯片。SiC芯片主要采用导电型SiC衬底，理论上不涉及国防，不存在禁运风险，但目前国外车企已与全球领先的SiC芯片企业实现了产能绑定，随着新能源汽车需求的爆发，国内车企或需提前考虑SiC的供给缺口的问题。

第三，能源安全是全球各国政府关注的焦点，今年“两会”第3次把能源安全写进政府报告。实现能源安全的重要举措之一是向清洁可再生能源转型，而转型的关键在于柔性交直流输电设备，为此需要构建自主可控的硅基IGBT和SiC器件供应链。目前，国产6500V/400A等SiC MOSFET芯片和模块已经在电网中实现了应用，全国已有近10个SiC的柔性电站（.点这里.）。

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SiC装备耗材国产率提升

关键环节仍被卡脖子

SiC半导体产业的链条非常长，涉及粉料制备、单晶生长、晶体加工、外延生长、器件制造和封装测试等，各个环节的专业性要求都非常强，同时对技术和资本投入的要求也很高。

SiC功率半导体产业链

SiC产业各环节的技术水平很大程度上受到关键装备和相关耗材直接影响，在过去很长一段时间内，国内SiC产业严重依赖进口装备和耗材，国内企业起步较晚。

近年来，在市场的需求拉动下，国产SiC装备和关键耗材发展迅速，部分“卡脖子”现象得到明显缓解，但许多关键瓶颈有待过关迈坎。接下来，“行家说三代半”将逐一分析主要SiC产业环节的国产化进展。

● 长晶设备——自主化程度最高

高质量的SiC单晶制备是整个产业链最为重要的一环，它直接影响了SiC器件的性能、可靠性和制造成本。

早期，国内主要的SiC单晶生长企业通常都需要自行开发和制造SiC单晶生长设备，而近年来，北方华创、恒普科技、中电科2所和优晶光电等第三方设备企业崛起，为SiC产业提供了丰富且高质量的长晶炉设备，从整个产业链条来看，长晶设备是目前SiC国产化程度最高的环节。

以恒普科技为例，2022年推出了2款感应式SiC晶体⽣⻓炉和新一代2.0版SiC电阻式晶体生长炉，以【轴径分离】为核心技术，与【新工艺】 组合，突破性地解决晶体“长大、长快、长厚”的行业核心难点。

同时，恒普科技提供一个创新的解决方案，能够一次性将6英寸SiC晶体扩到8英寸，为行业提供一种新的思路，推进国内8英寸SiC衬底的国际竞争力。

恒普长晶炉：感应式（上）和电阻式（下）

● 石墨、涂层技术有新突破

SiC晶体生长系统主要由石墨坩埚、籽晶和SiC粉料等组成，其中等静压石墨耗材成本占比非常高。

根据某SiC企业财报，其2021年的生产成本支出中，石墨件成本占比为45.21%，石墨毡占比为41.32%，合计占比高达86.53%，相比之下，碳粉、硅粉分别仅为0.97%、1.99%。

SiC长晶炉示意图

目前，国内生产的等静压石墨质量参差不齐且生产率低，因此高度依赖日本、德国等进口产品，由于国外石墨企业不轻易扩产，导致国内SiC企业的扩产受到影响。某上市公司去年对外表示，他们原本计划加快SiC衬底扩产速度，但受一些辅料耗材进口方面的影响，预计2022年7 月份大概能出产 500-1000片。

此外，在SiC长晶炉内增加多孔石墨板是业界研究的热点之一，对SiC长晶良率和厚度的提升效果非常突出，但也高度依赖进口。2022年，恒普科技率先实现了多孔石墨板技术突破，并达到国际领先水平，解决关键材料国产化问题，有助于提升国产SiC衬底的竞争力。

石墨坩埚的纯净度和杂质多，对SiC长晶的成本高和产品良品率有直接的影响，因此为了提升坩埚的耐化学腐蚀性能和使用寿命，通常必须使用SiC或TaC等新涂层材料。过去，涂层石墨技术也高度依赖进口，近年来，志橙半导体等企业迅速成长，使得国内SiC企业有了更多的产品选择。

相比，裸石墨或SiC涂层石墨，TaC涂层石墨可在2600°高温下稳定使用，与众多金属元素不反应，能显着提高工艺过程中对温度和杂质的控制。TaC涂层是解决SiC晶体边缘缺陷问题，提高晶体生长质量，是“长快、长厚、长大”的核心技术方向之一。为了推动行业技术发展，解决关键材料进口依赖，2022年恒普科技突破性解决了碳化钽涂层技术开发，相关产品达到了国际先进水平。

恒普科技国产化突破：TAC涂层（上）和多孔石墨（下）

● 国产外延设备崛起，摆脱寡头格局

与硅器件不同，SiC器件需要在SiC衬底上沉积生长外延膜，利用外延膜生产器件, 因此SiC外延设备在产业链中处于承上启下的重要位置，其中，CVD技术是目前已经广泛商业化采用的SiC外延技术。

早期，国内SiC外延设备研制基础非常薄弱，仅中电科48所、中科院半导体所、西安电子科技大学等少数单位具备相应的研制基础。因此，SiC外延设备市场长期处于呈寡头竞争状态，国内企业主要购买爱思强、LPE、TEL和Nuflare等设备。

随着国内SiC产业的蓬勃发展，国产SiC外延设备的开发和产业化日益迫切。根据《2022碳化硅（SiC）产业调研白皮书》，经过过去20多年设备研发积累, 中电科48所、北方华创、纳设、芯三代、晶盛机电和季华实验室等国产设备企业已研制出4-6寸SiC外延生长设备，并且在成膜质量、生产率、稳定性、重复性和运行维护性等指标上实现了突破，缩短了与国外设备之间的差距，部分国内企业已经逐步进入了SiC外延设备行业第一阵营，设备出货量和订单量实现了百台级的突破，有力地支撑了国产碳化硅外延的大规模量产。

● 晶圆设备逐个攻破，连点成线

除了SiC衬底外，晶圆制造难是国产SiC MOSFET尚未应用于主驱的关键所在，未来国产SiC芯片扩产也会受到关键设备的牵制。

从设备来看，SiC器件产线的大部分设备与传统硅的生产设备相同，但由于SiC材料硬度高、熔点高等特性，需要一些特殊的生产设备与工艺——包括高温退火炉、高温离子注入机、SiC减薄设备、背面金属沉积设备、背面激光退火设备、SiC衬底和外延片表面缺陷检测和计量设备等。

高温离子注入机方面，国外主要厂商包括爱发科、应用材料和NISSIN等，目前，国内企业中只有烁科中科信的离子注入机在碳化硅领域实现了批量应用，设备注入能量、束流大小、注入晶片温度等技术指标与国外相差不大。

离子注入后仍需进行高温退火，才可以激活注入离子。高温退火炉国外主要厂商主要包括昇先创Centrothcrm、日本真空等。目前，中电科48所、北方华创等国内企业已量产了相关设备。

制备SiC器件的栅极氧化层需要高温氧化炉。国外主要厂商包括昇先创Centrotherm、东横化学等，当前中电科48所、北方华创等国内企业的设备也能够用于生产碳化硅器件。

据《2022碳化硅（SiC）产业调研白皮书》，除了碳化硅外延、离子注入、高温氧化/激活等碳化硅专用装备外，华卓精科等国内企业在激光退火、激光划片、PVD等关键设备方面也实现了批量供货，设备市场占有率稳步提升。

总的来说，SiC器件产线国产设备开始连点成线，有助于进一步推动国产碳化硅芯片的高速发展。

总结

国内碳化硅装备和工艺耗材已经逐步改变了以往落后的局面，为核心的SiC长晶和芯片制作等技术的迭代提供了良好的助力，也让碳化硅企业能够更从容应对产业爆发。

但客观来说，国产装备和耗材的进步空间还很大，除了长晶炉和外延炉外，其他关键设备和耗材的国产化率仍旧较低，国产替代空间广阔。

科研创新成果从实验室走向市场，并不是一蹴而就的，不仅需要“从0到1”的锐意突破，也需要“从1到10”的久久为功。国内企业需要联手，聚焦“卡脖子”技术难题，加快补齐关键短板，为构建自主可控的碳化硅产业体系提供有力支撑。

受限于时间，本文的梳理或存在不足，如有疏漏和不妥，欢迎留言讨论或私信我们。

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