前言:SiC外延需要严格控制厚度均匀性、掺杂均匀性、缺陷率和生长速率,方法包括化学气相沉积CVD、液相外延LPE、分子束外延MBE等,其中CVD兼备成本适中+外延质量好+生长速度快的优势,应用最广,而水平式/行星式CVD技术难度&成本相对较低,是新进入者的首选。目前,我国SiC外延炉行业主要由海外企业占据,但是仍然有诸多缺点,而国产SiC外延炉具有技术、成本和性价比方面优势,并且在企业技术不断取得新突破下国产替代加速。随着国产替代加速以及半导体硅片等下游需求不断释放,我国SiC外延炉行业市场规模扩大,预计2024年市场空间为21.6亿元。
1、水平式是新进入者首选,多腔&多片有效提高产能
根据观研报告网发布的《中国SiC外延炉行业发展趋势分析与未来前景预测报告(2024-2031年)》显示,SiC外延主要设备是CVD。 SiC外延需要严格控制厚度均匀性、掺杂均匀性、缺陷率和生长速率,方法包括化学气相沉积CVD、液相外延LPE、分子束外延MBE等,其中CVD兼备成本适中+外延质量好+生长速度快的优势,应用最广。CVD工艺流程:①利用载气(H2)将反应源气体(如SiH4/C3H8 )输送到生长室内的热区; ②气体达到被加热的 SiC 衬底,反应沉积单晶薄膜(外延片)。
水平式/行星式CVD技术难度&成本相对较低,是新进入者的首选,但水平式气体迁移路径长,膜厚和掺杂浓度不稳定,同时气体入口距衬底近,流场和温场不均匀,容易形成SiC颗粒掉落,造成缺陷;垂直式的气体入口距衬底较远,流场和温场更均匀,不易生成SiC颗粒,但技术难度大&设备昂贵,使用垂直式的主要是Nuflare。
外延炉多/单腔&多/单片对比情况
对比 |
概述 |
单机多腔VS单机单腔 |
单腔室中的多步工艺可以转变为多腔室中的单步工艺,这种设计有利于简化腔室内的设计,提升工艺的效率和重复性。当某个腔室发生故障时,可以单独维修,而不影响其他腔室的工艺,提高设备稼动率与整线的产出,但双腔室技术难度远高于单腔室。Nuare的双腔*单片6寸产能约1500-1800片/月(全自动),而原先的单腔*单片产能约600片1月,产能实现翻番 |
单腔单片VS单腔多片 |
单腔多片通过片数的增加提高单位时间产能,但单腔多片的难点在于控制多片外延的厚度均一性、掺杂均一性。例如国外爱思强曾采用单腔8片式,产能600-1200片/月,但气体浓度控制难度大,外延不均匀且缺陷比较多,不受市场认可。因内晶盛机电成功推出了6寸单脑双片式,产能达到600-650片/月,比单腔单片产能增加70%,单片运营成本降幅可达30%以上 |
资料来源:观研天下整理
2、海外企业占据市场主导,SiC外延炉行业国产替代加速
目前,我国SiC外延炉行业主要由海外企业占据,代表企业有意大利的LPE、德国的爱思强、日本的Nuflare,其MOCVD设备的核心差异是对气体流量的控制。例如,Nuflare:垂直气流,喷淋头和托盘距离长,优势在于流场均匀、particle少、产能大,缺陷在于设备成本高(3500万元单腔)、厚度和掺杂的均匀性略差、耗材成本高;爱思强:垂直气流(公转+自转),优势在于厚度和掺杂的均匀性好,缺陷在于重复性差(不适用量产)、Particle较多。
外延炉主要厂商性能对比情况
类别 |
意大利LPE |
德国爱思强(GSWW) |
日本Nuflare(S6) |
芯三代设备 |
工艺类型 |
水平气流 |
垂直气流,喷淋头和托盘距离短,自转+公转 |
垂直气流,喷淋头和托盘间距大 |
垂直气流,喷淋头和托盘间距适中 |
厚度均匀性 |
0.5-1.5% |
<1% |
<2% |
<1.5% |
掺杂均匀性 |
1.5-5% |
<4% |
<4% |
<3% |
缺陷 |
<0.5/cm2 |
<0.5/cm2 |
<0.02/cm2 |
<0.02/cm2 |
生长速率 |
≤90μm/h |
>25μm/h |
>50μm/h |
>50μm/h |
升温/冷却时间 |
--- |
20+40min/65+14min |
7min/7min |
7-15min/7-30min |
最高温度 |
1650℃ |
1650℃ |
1650℃ |
1650℃ |
温度均匀性 |
<2℃ |
<2℃ |
4”wafer<1℃,6”wafer<2℃ |
6”wafer<1.5℃ |
设备价值量 |
1100万RMB单腔 |
2200万RMB单腔 |
3500万RMB双腔 |
1200~万RMB单腔 |
单腔产能(6寸) |
单腔*单片;300~500片/月 |
单腔*8片,600~1200片/月 |
双腔*单片,1500~1800片/月 |
单腔*3片(可扩更多片);600~2000片/月 |
优势 |
生长速率高,价格适中,厚度和掺杂的均匀性较好 |
厚度和掺杂的均匀性好 |
流场均匀,Particle少,设备利用率高 |
厚度和掺杂的均匀性好,生长速率高,价格低 |
劣势 |
工艺可调性差,Particle多,PM周期短 |
Particle非常多,重复性差(不适于量产),衬底背面污染 |
厚度和掺杂的均匀性略差,设备成本高,耗材成本高 |
验证迭代需要时间 |
资料来源:观研天下整理
不过,我国国产SiC外延炉与国外相比,具有技术、成本和性价比方面优势,所以在SiC产业即将迎来井喷时间,时间上无法让国外几家厂商进行大的技术方案革新或者推倒重来。因此,可以预见的是在接下来2-3年SiC MOCVD会短时间内大量替代国外设备。
比如,目前,国产厂商晶盛机电、北方华创、芯三代、中电48所和深圳纳设智能主要借鉴LPE 的水平气流&单片外延方式,其中芯三代也研发Nuflare垂直气流&双腔外延方式。与此同时,晶盛机电6寸单片式碳化硅外延设备(型号为150A,产能350-400片)已实现国产替代,2023年6月公司又成功研发8英寸单片式碳化硅外延生长设备,引领国产替代。
外延炉厂商产能规划
厂商 |
设备进展/产能规划 |
NuFlare |
年产约12台,大部分订单被国际大公司买断,订货周期特别长。2025年才开始供应国内市场。 |
LPE |
年产约30台,2/3供给中国,国内厂商只有瀚天天成与LPE签订合约,可保证每年20-30台外延炉设备供应。 |
晶盛机电 |
2018年开始开发单片式外延设备,2023年发布双片式外延设备 |
北方华创 |
外延设备应用广泛,包括单晶硅、多晶硅、碳化硅(SiC)、氮化镓(GaN)、磷化铟(InP)等 |
资料来源:观研天下整理
其中,2019年,晶盛开始开发碳化硅外延炉,水平式、垂直式、行星式均有布局。目前,在批量销售的是6英寸和8英寸的水平式和垂直式设备,行星式还在研发阶段(在实验室做工艺调试)。最新发布的设备是8英寸的双片式碳化硅外延炉,和单片式相比产能提升70%,单片生产成本降低30%。根据相关资料可知,截至2024年3月底,晶盛的碳化硅外延炉累计出货超过200台,出货量国内领先;2024年上半年,晶盛营业收入达到144.8亿元。
数据来源:观研天下整理
3、我国SiC外延炉行业市场规模将稳定增长
随着国产替代加速以及半导体硅片等下游需求不断释放,衬底片产能持续增加,我国SiC外延炉行业市场规模扩大。根据数据显示,2024年,我国硅外延设备市场空间约为21.55亿元,占比24%。假设2022年衬底产能为47万片,衬底所需外延炉数量为2.08台/万片,外延炉价格为800万元/台,经测算可得到2022年外延炉市场空间为7.82亿元;假设2024年衬底产能为135万片,衬底所需外延炉数量为2台/万片,外延炉价格为800万元/台,经测算可得到2024年外延炉市场空间为21.6亿元。
2022-2026年我国SiC外延炉行业市场规模现状及预测情况
类别 |
2022年 |
2023年 |
2024年E |
2025年E |
2026年E |
衬底片产能(万片) |
47 |
92 |
135 |
131 |
141 |
衬底所需外延炉数量(台/万片) |
2.08 |
2.08 |
2 |
2 |
1.92 |
外延炉价格(万元/台) |
800 |
800 |
800 |
800 |
800 |
外延炉市场空间(亿元) |
7.82 |
15.31 |
21.60 |
20.96 |
21.66 |
资料来源:观研天下整理(WYD)
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