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我国SiC外延炉行业分析:多腔&多片有效提高产能 晶盛等厂商引领国产替代

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&/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/(全自动),而原先的单腔*单片产能约6001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/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/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NuflareS6

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

4wafer<1℃,6wafer<2

6wafer<1.5

设备价值量

1100RMB单腔

2200RMB单腔

3500RMB双腔

1200~RMB单腔

单腔产能(6)

单腔*单片;300~500/

单腔*8片,600~1200/

双腔*单片,1500~1800/

单腔*3片(可扩更多片);600~2000/

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。

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

2023

2024E

2025E

2026E

衬底片产能(万片)

47

92

135

131

141

衬底所需外延炉数量(/万片)

2.08

2.08

2

2

1.92

外延炉价格(万元/)

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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