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
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对比 |
概述 |
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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 |
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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
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类别 |
意大利LPE |
德国爱思强（GSWW） |
日本Nuflare（S6） |
芯三代设备 |
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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 |
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厚度均匀性 |
0.5-1.5% |
<1% |
<2% |
<1.5% |
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掺杂均匀性 |
1.5-5% |
<4% |
<4% |
<3% |
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缺陷 |
<0.5/cm2 |
<0.5/cm2 |
<0.02/cm2 |
<0.02/cm2 |
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生长速率 |
≤90μm/h |
>25μm/h |
>50μm/h |
>50μm/h |
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升温/冷却时间 |
--- |
20+40min/65+14min |
7min/7min |
7-15min/7-30min |
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最高温度 |
1650℃ |
1650℃ |
1650℃ |
1650℃ |
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温度均匀性 |
<2℃ |
<2℃ |
4”wafer<1℃，6”wafer<2℃ |
6”wafer<1.5℃ |
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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 |
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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 |
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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 |
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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
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厂商 |
设备进展/产能规划 |
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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。 |
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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。 |
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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 |
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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
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类别 |
2022年 |
2023年 |
2024年E |
2025年E |
2026年E |
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衬底片产能(万片) |
47 |
92 |
135 |
131 |
141 |
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衬底所需外延炉数量(台/万片) |
2.08 |
2.08 |
2 |
2 |
1.92 |
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外延炉价格(万元/台) |
800 |
800 |
800 |
800 |
800 |
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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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