前言：SiC外延需要嚴格控制厚度均勻性、摻雜均勻性、缺陷率和生長速率，方法包括化學氣相沉積CVD、液相外延LPE、分子束外延MBE等，其中CVD兼?zhèn)涑杀具m中+外延質量好+生長速度快的優(yōu)勢，應用最廣，而水平式/行星式CVD技術難度&成本相對較低，是新進入者的首選。目前，我國SiC外延爐行業(yè)主要由海外企業(yè)占據，但是仍然有諸多缺點，而國產SiC外延爐具有技術、成本和性價比方面優(yōu)勢，并且在企業(yè)技術不斷取得新突破下國產替代加速。隨著國產替代加速以及半導體硅片等下游需求不斷釋放，我國SiC外延爐行業(yè)市場規(guī)模擴大，預計2024年市場空間為21.6億元。
1、水平式是新進入者首選，多腔&多片有效提高產能
根據觀研報告網發(fā)布的《中國SiC外延爐行業(yè)發(fā)展趨勢分析與未來前景預測報告（2024-2031年）》顯示，SiC外延主要設備是CVD。 SiC外延需要嚴格控制厚度均勻性、摻雜均勻性、缺陷率和生長速率，方法包括化學氣相沉積CVD、液相外延LPE、分子束外延MBE等，其中CVD兼?zhèn)涑杀具m中+外延質量好+生長速度快的優(yōu)勢，應用最廣。CVD工藝流程：①利用載氣（H2）將反應源氣體（如SiH4/C3H8 ）輸送到生長室內的熱區(qū)； ②氣體達到被加熱的 SiC 襯底，反應沉積單晶薄膜（外延片）。
水平式/行星式CVD技術難度&成本相對較低，是新進入者的首選，但水平式氣體遷移路徑長，膜厚和摻雜濃度不穩(wěn)定，同時氣體入口距襯底近，流場和溫場不均勻，容易形成SiC顆粒掉落，造成缺陷；垂直式的氣體入口距襯底較遠，流場和溫場更均勻，不易生成SiC顆粒，但技術難度大&設備昂貴，使用垂直式的主要是Nuflare。
外延爐多/單腔&多/單片對比情況
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對比 |
概述 |
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單機多腔VS單機單腔 |
單腔室中的多步工藝可以轉變?yōu)槎嗲皇抑械膯尾焦に?，這種設計有利于簡化腔室內的設計，提升工藝的效率和重復性。當某個腔室發(fā)生故障時，可以單獨維修，而不影響其他腔室的工藝，提高設備稼動率與整線的產出，但雙腔室技術難度遠高于單腔室。Nuare的雙腔*單片6寸產能約1500-1800片/月(全自動)，而原先的單腔*單片產能約600片1月，產能實現翻番 |
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單腔單片VS單腔多片 |
單腔多片通過片數的增加提高單位時間產能，但單腔多片的難點在于控制多片外延的厚度均一性、摻雜均一性。例如國外愛思強曾采用單腔8片式，產能600-1200片/月，但氣體濃度控制難度大,外延不均勻且缺陷比較多，不受市場認可。因內晶盛機電成功推出了6寸單腦雙片式，產能達到600-650片/月，比單腔單片產能增加70%，單片運營成本降幅可達30%以上 |
資料來源：觀研天下整理
2、海外企業(yè)占據市場主導，SiC外延爐行業(yè)國產替代加速
目前，我國SiC外延爐行業(yè)主要由海外企業(yè)占據，代表企業(yè)有意大利的LPE、德國的愛思強、日本的Nuflare，其MOCVD設備的核心差異是對氣體流量的控制。例如，Nuflare：垂直氣流，噴淋頭和托盤距離長，優(yōu)勢在于流場均勻、particle少、產能大，缺陷在于設備成本高（3500萬元單腔）、厚度和摻雜的均勻性略差、耗材成本高；愛思強：垂直氣流（公轉+自轉），優(yōu)勢在于厚度和摻雜的均勻性好，缺陷在于重復性差（不適用量產）、Particle較多。
外延爐主要廠商性能對比情況
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類別 |
意大利LPE |
德國愛思強（GSWW） |
日本Nuflare（S6） |
芯三代設備 |
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工藝類型 |
水平氣流 |
垂直氣流，噴淋頭和托盤距離短，自轉+公轉 |
垂直氣流，噴淋頭和托盤間距大 |
垂直氣流，噴淋頭和托盤間距適中 |
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厚度均勻性 |
0.5-1.5% |
<1% |
<2% |
<1.5% |
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摻雜均勻性 |
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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生長速率 |
≤90μm/h |
>25μm/h |
>50μm/h |
>50μm/h |
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升溫/冷卻時間 |
--- |
20+40min/65+14min |
7min/7min |
7-15min/7-30min |
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最高溫度 |
1650℃ |
1650℃ |
1650℃ |
1650℃ |
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溫度均勻性 |
<2℃ |
<2℃ |
4”wafer<1℃，6”wafer<2℃ |
6”wafer<1.5℃ |
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設備價值量 |
1100萬RMB單腔 |
2200萬RMB單腔 |
3500萬RMB雙腔 |
1200~萬RMB單腔 |
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單腔產能（6寸) |
單腔*單片；300~500片/月 |
單腔*8片，600~1200片/月 |
雙腔*單片，1500~1800片/月 |
單腔*3片（可擴更多片）；600~2000片/月 |
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優(yōu)勢 |
生長速率高，價格適中，厚度和摻雜的均勻性較好 |
厚度和摻雜的均勻性好 |
流場均勻，Particle少，設備利用率高 |
厚度和摻雜的均勻性好，生長速率高，價格低 |
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劣勢 |
工藝可調性差，Particle多，PM周期短 |
Particle非常多，重復性差（不適于量產），襯底背面污染 |
厚度和摻雜的均勻性略差，設備成本高，耗材成本高 |
驗證迭代需要時間 |
資料來源：觀研天下整理
不過，我國國產SiC外延爐與國外相比，具有技術、成本和性價比方面優(yōu)勢，所以在SiC產業(yè)即將迎來井噴時間，時間上無法讓國外幾家廠商進行大的技術方案革新或者推倒重來。因此，可以預見的是在接下來2-3年SiC MOCVD會短時間內大量替代國外設備。
比如，目前，國產廠商晶盛機電、北方華創(chuàng)、芯三代、中電48所和深圳納設智能主要借鑒LPE 的水平氣流&單片外延方式，其中芯三代也研發(fā)Nuflare垂直氣流&雙腔外延方式。與此同時，晶盛機電6寸單片式碳化硅外延設備（型號為150A，產能350-400片）已實現國產替代，2023年6月公司又成功研發(fā)8英寸單片式碳化硅外延生長設備，引領國產替代。
外延爐廠商產能規(guī)劃
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廠商 |
設備進展/產能規(guī)劃 |
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NuFlare |
年產約12臺，大部分訂單被國際大公司買斷，訂貨周期特別長。2025年才開始供應國內市場。 |
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LPE |
年產約30臺，2/3供給中國，國內廠商只有瀚天天成與LPE簽訂合約，可保證每年20-30臺外延爐設備供應。 |
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晶盛機電 |
2018年開始開發(fā)單片式外延設備，2023年發(fā)布雙片式外延設備 |
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北方華創(chuàng) |
外延設備應用廣泛，包括單晶硅、多晶硅、碳化硅（SiC）、氮化鎵（GaN）、磷化銦（InP）等 |
資料來源：觀研天下整理
其中，2019年，晶盛開始開發(fā)碳化硅外延爐，水平式、垂直式、行星式均有布局。目前，在批量銷售的是6英寸和8英寸的水平式和垂直式設備，行星式還在研發(fā)階段（在實驗室做工藝調試）。最新發(fā)布的設備是8英寸的雙片式碳化硅外延爐，和單片式相比產能提升70%，單片生產成本降低30%。根據相關資料可知，截至2024年3月底，晶盛的碳化硅外延爐累計出貨超過200臺，出貨量國內領先；2024年上半年，晶盛營業(yè)收入達到144.8億元。
數據來源：觀研天下整理
3、我國SiC外延爐行業(yè)市場規(guī)模將穩(wěn)定增長
隨著國產替代加速以及半導體硅片等下游需求不斷釋放，襯底片產能持續(xù)增加，我國SiC外延爐行業(yè)市場規(guī)模擴大。根據數據顯示，2024年，我國硅外延設備市場空間約為21.55億元，占比24%。假設2022年襯底產能為47萬片，襯底所需外延爐數量為2.08臺/萬片，外延爐價格為800萬元/臺，經測算可得到2022年外延爐市場空間為7.82億元；假設2024年襯底產能為135萬片，襯底所需外延爐數量為2臺/萬片，外延爐價格為800萬元/臺，經測算可得到2024年外延爐市場空間為21.6億元。
2022-2026年我國SiC外延爐行業(yè)市場規(guī)?，F狀及預測情況
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類別 |
2022年 |
2023年 |
2024年E |
2025年E |
2026年E |
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襯底片產能(萬片) |
47 |
92 |
135 |
131 |
141 |
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襯底所需外延爐數量(臺/萬片) |
2.08 |
2.08 |
2 |
2 |
1.92 |
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外延爐價格(萬元/臺) |
800 |
800 |
800 |
800 |
800 |
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外延爐市場空間(億元) |
7.82 |
15.31 |
21.60 |
20.96 |
21.66 |
資料來源：觀研天下整理（WYD）
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