SiC外延，产能+设备“竞速”

承上启下的SiC外延。

一方面，SiC外延的质量受晶体和衬底加工的影响；另一方面，SiC外延的良率、品质直接关乎下游器件的性能与成本。

SiC外延层的制备方法主要有：升华或物理气相传输法（PVT）；化学气相沉积法（CVD）；分子束外延法（MBE）；液相外延法（LPE）。

那么，为什么化学气相沉积（CVD）法是目前同质外延生长的主流方法呢？

回答这个问题前，我们先要了解，在备受关注的4H-SiC同质外延中，外延层厚度、掺杂浓度均匀性、缺陷这三个关键因素决定了碳化硅外延片的质量。

如何生长出高质量的SiC外延片？

◎ SiC外延层厚度

要使器件能承受的电压越高，外延厚度就越大，难度也越高。

一般来说，当电压为100V时，需要的外延层厚度为1μm；当电压达到600V时，所需的外延层厚度约为6μm；而当电压在1200至1700V之间时，所需的外延层厚度则在10至15μm之间；对于更高的电压，如15000V，所需的外延层厚度则需要达到上百微米，大约是150μm。

进一步看，随着外延层厚度的不断增加，对厚度和掺杂浓度均匀性以及缺陷密度的控制就变得愈发困难。

◎ SiC外延层掺杂浓度控制

对于SiC外延而言，控制SiC外延层的掺杂类型和浓度是至关重要的，它直接影响着后续器件的的比导通电阻、阻断电压等重要的参数。

而对于CVD法而言，在生长过程中可以控制气相中C/Si原子比率成为了优势所在。

C/Si原子比率不仅对外延层的背景掺杂浓度和导电性质有显著影响，还对外延生长的速率、缺陷密度以及外延层表面的粗糙度等方面产生重要影响。换句话说，通过调整C/Si原子比率，可以有效地控制和优化外延层的质量和性能。

外延层的掺杂浓度除了与气源中的C/Si组分比例有关以外，还与CVD工艺中的气源流量、气体压强和生长温度有关。

而CVD法存在严重的多型体混合问题，之后发展过渡到台阶控制生长技术的CVD外延工艺。这种方法不仅能够实现低温生长（生长温度可降至1200℃甚至更低而不产生3C-SiC夹杂相），而且能够稳定晶型的控制。

缺点就是，随着温度降低，表面缺陷密度和背景掺杂浓度就会显著增加，生长速率也会受到较大影响。另外，这种方法无法阻断基平面位错和对衬底材料造成浪费。

但是，台阶控制生长技术的CVD外延工艺仍然是碳化硅外延的主要技术方案，而选择合适的温度以及衬底偏角成为了关键。

◎ SiC外延缺陷控制

结合上面分析的两点，在外延的 SiC 漂移层中平衡外延层厚度及掺杂浓度是获得高耐压器件的关键。但是，特别是高压应用，缺陷控制也是一个非常大的挑战。

前面也提到，SiC外延环节有着承上启下的作用，很多缺陷是从衬底中直接复制而来，缺陷会对SiC器件的性能和可靠性又严重的影响。

SiC外延层中的缺陷，包括衬底缺陷和外延生长期间的缺陷。衬底缺陷包括微管、贯穿螺型位错TSD、贯穿刃型位错TED、基平面位错BPD；外延生长期间的缺陷包括外延生长期间的位错、三角形缺陷、胡萝卜缺陷、堆垛层错、掉落物缺陷、彗星型缺陷、小坑缺陷等宏观缺陷。（具体的产生原因、相关影响以及消除方法可参考：一图搞懂SiC系列之外延篇）

总而言之，控制SiC外延缺陷是制备高性能器件的关键。

SiC外延片：产能扩张+产业链延伸

近两年，随着SiC外延技术的不断精进成熟，加之SiC下游市场的需求逐步放大，不少国内SiC外延项目也官宣了新建、扩产计划。

瀚天天成是国内首家实现商业化3英寸、4英寸和6英寸碳化硅外延晶片批量供应的生产商，同时也是国内少数获得汽车质量认证（IATF 16949）的碳化硅外延生产商之一。目前，瀚天天成已实现国产8英寸碳化硅外延片技术的突破，并已经获得了客户的正式订单。

此前，瀚天天成科创板IPO申请获受理。瀚天天成拟募资35.03亿元，投建于年产80万片6-8英寸碳化硅外延晶片产业化项目、技术中心建设项目、以及补充流动资金。

其中，SiC 外延项目计建设期约为36 个月，投资总额约为35亿元，募集资金使用额为27亿元，未来将建设高标准的SiC外延晶片洁净厂房、引进先进的外延生长设备及配套设施、打造SiC外延片产业化基地，满足公司未来业务发展新增 6-8 英寸SiC外延晶片产能的需要 。

天域半导体成立于2009年，是我国最早实现第三代半导体碳化硅外延片产业化的企业。

据松山湖产业园区发展促进会消息，2024年松山湖将迎来众多新项目投产。其中，东莞市天域半导体科技有限公司总部及生产制造中心和研发中心建设项目，总投资50亿元。

其中，总部及生产制造中心建设项目46.7亿元 ，研发中心建设项目3.3亿元。具体计划开工及投产时间如下：

◎ 计划开工时间：总部及生产制造中心建设项目2023年3月，研发中心建设项目2024年5月

◎ 计划投产时间：总部及生产制造中心建设项目2025年10月，研发中心建设项目2025年10月

总部及生产制造中心建设项目总用地面积约为6.3万平米，总建筑面积约为22万平方米，建设周期为2023年至2025年，将新建3座厂房及配套建筑设施用于搭建100 万片/年的 SiC 外延片产线，项目一期将在2024年5月试产；

研发中心建设项目总用地面积约为1.3万平方米，总建筑面积约为4.6万平方米，建设周期为2023年至2025年，将建设科技研发中心、综合办公大楼等设施，目前正在建设中。

今年3月，百识电子也宣布完成了A+轮融资。同时，百识电子也透露近期在长三角落地二期产线，产能规划28万片/年，打造全国最领先的车规级三代半外延片制造工厂。百识电子首条产线位于南京市浦口区，于2021年投产，当前年产能达5万片，客户多为全球巨头及国内龙头。

普兴电子成立于2000年11月，致力于高性能半导体材料的外延研发和生产。根据普兴电子此前公布的“6英寸低密度缺陷碳化硅外延片产业化项目环评第一次公示”文件内容。项目建设性质为“改扩建”，项目总投资3.5亿元，将购置碳化硅外延设备及配套设备116台(套)，形成一条6英寸低密度缺陷碳化硅外延材料生产线。项目建成后，将实现年产24万片碳化硅外延片的生产能力。

希科半导体成立于2021年8月，主营6英寸及8英寸碳化硅外延片的研发及产业化。2022年11月，希科半导体碳化硅外延片投产，该项目年产能可达2万片。据此前透露，希科半导体计划未来3年继续投入超3亿元，建成年产5万片的生产线，达产后年产值5亿元。

去年5月，希科半导体也宣布完成了Pre-A轮融资。当时消息，希科半导体已有数台碳化硅CVD炉到位并调试成功实现了高品质外延片的量产，已对十余个业内标杆客户完成送样并实现了采购订单。

海乾半导体于2022年9月启动一期厂房建设，到2023年9月，十二条6英寸SiC外延片生产线已全部通线运行，1200V MOSFET级合格产品月产量达3900片、年产量达4.68万片。2023年5月，海乾半导体二期厂房已启动建设，包含120台6/8英寸外延设备的生产车间，建成后每年可供应超过51万片1200V规格外延片。今年2月，海乾半导体完成A轮融资，本轮融资将加速海乾半导体SiC外延片的产能提升。

此外，不少衬底企业、传统的Si外延企业，甚至是IDM制造企业也着手产业链延伸布局。

国产碳化硅衬底龙头天岳先进此前公布了《碳化硅快速外延关键技术研发及产业化项目竣工环境保护验收监测报告》。

根据公告，该项目位于山东济南市，总投资6500万元，项目占地面积 300m2；2020年11月，济南市生态环境局对该项目环评予以批复；2021 年 3 月开工建设，2023 年 6 月完成建设，并于 2023 年 7月 20 日正式运行。

今年2月，由重投天科建设运营的第三代半导体材料产业园在宝安区正式启用。该项目总投资32.7亿元，重点布局6英寸碳化硅单晶衬底和外延生产线，预计今年衬底和外延产能达25万片。

2019年，中电化合物第三代半导体项目落户浙江宁波，规划产能为7万片6吋SiC同质外延片生产线，和年产1万片GaN外延片生产线；此前中电化合物表示，扩产项目计划于2023年9月完成厂房装修并投产，碳化硅外延年产能达2万片，未来3年或达8万片。

2023年10月，中电化合物顺利完成客户首批次8吋SiC外延片产品的交付。

合盛硅业因工业硅、有机硅为外界熟知，近年来也不断加快碳化硅项目布局。2021年11月，由合盛新材主导建设的“年产2万片宽禁带半导体碳化硅衬底及外延产业化生产线项目”在宁波开工建设，总投资达1.3亿元。去年4月，合盛硅业官方透露，该项目已通过验收，并具备量产能力，相关产品不仅得到多家国内下游器件客户的认可，还开拓了欧美、日、韩等海外市场。

去年9月，长飞先进半导体武汉基地开工，该基地位于光谷科学岛，项目总投资预计超过200亿元。其中，项目一期总投资100亿元，可年产36万片SiC MOSFET晶圆，包括外延、器件设计、晶圆制造、封装等。一期项目预计2025年建设完成，届时将成为国内最大的SiC功率半导体制造基地。

去年6月，深圳市生态环境局公布了关于《比亚迪汽车工业有限公司碳化硅外延中试线量产项目环境影响报告书》受理公告。该项目或为扩产项目，比亚迪拟投资约 2.14亿元，建设碳化硅外延中试线量产项目，扩产后将新增SiC外延片产能6000片/年，合计产能达18000 片/年。

此前，比亚迪已经投资2亿元建设碳化硅材料项目（碳化硅外延片生产线），产能为4寸碳化硅外延片6000片/年，6寸碳化硅外延片6000片/年，生产规模为 12000 片/年。

SiC外延设备：收购潮+8英寸时代

而SiC外延技术已与碳化硅外延设备的发展高度融合，国内外设备厂商在市场、产品层面上的竞争也是愈演愈烈。

前面也提到化学气相沉积(CVD)是 最 为 普 及 的 4H-SiC 同 质 外 延 方 法，而在设备的发展上也有了不同的技术路线。

首先，在热壁vs冷壁方面，外延生长温度要在1500℃以上，而冷壁的热辐射损失大，加热效率较低低，且温场/流场不均匀，容易翘曲；热壁式CVD设备，改变了加热方式、增加绝热材料(如石墨)，温场/流场更均匀，温度梯度显著降低(<10K/mm)，产出的外延质量更好，因此是量产CVD的主流。

其次，在垂直vs水平方面，水平式CVD技术难度、成本相对较低，但气体迁移路径长，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。此外，行星式也是水平式的一种，这种方式是单炉多片生长，产出效率较高。对比看来，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，但技术难度较大、设备昂贵。

除此之外，还有单机单腔vs单机多腔，单腔单片vs单腔多片的对比，主要关乎技术难度、维修难度以及产能等考量。后面我们单独针对这个点展开聊聊，这里就不再赘述了。

经过多年的发展，水平热壁 CVD、温壁行星式 CVD 以及垂直热壁 CVD 是现阶段主流外延设备技术方案。下面列举了各方向部分代表企业：

◎水平热壁 CVD：LPE、晶盛机电、中国电科48所、北方华创、纳设智能

◎温壁行星式 CVD：Aixtron

◎垂直热壁CVD ：Nuflare、芯三代

在整个SiC外延设备市场上，国外市场呈现并购整合之势，国内市场寻求技术突破，立求国产替代。

2022年7月，ASM收购了SiC外延领域著名公司LPE，正式进军高增长的SiC外延设备业务领域。

根据收购协议，ASM将通过现金和股票组合的方式支付交易款项，包括2.8325亿欧元现金及631,154股ASM的股票。合同签订当天，按现金和无债务计算，这笔款项相当于4.25亿欧元的企业价值。此外，交易完成后，ASM将在两年内基于特定的绩效标准，以盈利能力的方式额外支付1亿欧元。

LPE成立于1972年，专注于功率应用外延设备的设计、制造和销售，是SiC外延设备领域公认的领头羊，迄今为止已发布了许多相关专利，并且SiC外延设备已在全球范围内得到广泛的安装应用，主要用于制造电动汽车所需的器件。目前，LPE已与基于6/8英寸衬底的SiC器件生产商建立了合作关系。

ASM在逻辑/代工及存储外延应用领域及Si电力电子、模拟和晶圆外延解决方案领域处于世界领先地位，ASM并购LPE之后，其产品组合将新增SiC外延设备，沉积技术组合将更加多元化。

此外，去年，Veeco Instruments Inc. 也宣布于 2023 年 1 月 31 日收购了 Epiluvac AB，目标是生产SiC化学气相沉积 (CVD) 设备。

根据收购协议，此次交易全部以现金支付，在交易完成时已支付了 3000 万美元，并将提供3500 万美元（约合人民币2.35亿元）绩效收益，所以这桩收购案的总价有望达到6500万美元。

Veeco 首席执行官Bill Miller认为，此次收购是对Veeco金属有机化学气相沉积外延产品线的重要补充。同时，此次收购缩短了Veeco的上市时间，从而加快了Veeco对新兴、高增长 SiC 设备市场的渗透。

国外厂商的“强强联合”，无不凸显出SiC市场规模的快速增长。同时，当前行业正经历从6英寸到8英寸的重大转变，国内外延设备厂商在8英寸方面突破不断。

去年8月消息，纳设智能成功研制出更大尺寸具有更多创新技术的8英寸碳化硅外延设备。据悉，该设备具备独特反应腔室设计、可独立控制的多区进气方式、以及智能的控制系统，将更好的提高外延片的均匀性，降低外延缺陷及生产中的耗材成本。

据悉，纳设智能已实现8英寸碳化硅外延设备的交付，该设备在客户现场生产的外延片厚度不均匀性≤2%，浓度不均匀性~4%，表面粗糙度≤0.3cm-2，缺陷控制良好。

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