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

2024-12-03 09:54

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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