碳化硅襯底切割行業(yè)分析

碳化硅襯底切割行業(yè)分析1、碳化硅引領半導體材料迎來新機遇1.1.復盤硅晶圓發(fā)展歷程，8英寸襯底將成為主流1.1.1.12英寸是經濟性最佳的硅晶圓尺寸大尺寸半導體晶圓成本優(yōu)勢明顯，12英寸晶圓產成品的單位成本較8英寸低50%。12英寸晶圓的面積較8英寸晶圓提高118%左右，可利用面積更大。另外隨著制程提高，芯片制造工藝對硅片缺陷密度與缺陷尺寸的容忍度也在不斷降低，晶圓邊緣部分存在不平整和大量缺陷，使用晶圓制造芯片時僅可以利用中間部分，由于邊緣芯片減少，使用12英寸晶圓的成品率將上升?？紤]到12寸晶圓成本較8英寸晶圓高50%但產出量是8英寸晶圓的3倍，使用12寸晶圓可以實現近50%的降本。大尺寸半導體晶圓具有性能優(yōu)勢。相較于在8英寸晶圓，12英寸半導體晶圓可支持的金屬層數更多，而且可以縮小晶體管體積、提高布線密度。另外12英寸晶圓能夠實現更高的電流密度耐受性和更好的抗電遷移效應。經濟性和性能得到驗證后，12英寸半導體晶圓成為擴產能的主要品類。在2002-2003年研發(fā)成功以來，12英寸半導體晶圓逐漸憑借經濟性和性能優(yōu)勢逐漸取代8英寸半導體晶圓成為半導體晶圓的主要尺寸，12英寸晶圓產能及出貨量迅速提升，2020年12英寸晶圓出貨面積占比為69%，較8英寸晶圓出貨面積占比高45%。12英寸成為半導體晶圓的主流尺寸，上游設備商已基本停產8英寸晶圓設備。由于晶圓廠的主要出貨產品類型從8英寸切換到12英寸，上游設備商逐漸減少了8英寸晶圓設備出貨量，2016-2017年ASML、AMAT和LRCX等設備供應商已逐漸停產了8英寸晶圓設備。雖然2018年汽車電子、物聯(lián)網等新應用快速發(fā)展帶來了對8英寸晶圓的需求，8英寸晶圓的供給趨緊，但是由于主要設備廠商已停產，因此市場上流通的多為二手設備。由于18英寸晶圓成本過高，行業(yè)已將關注重點轉移至研發(fā)先進制程。芯片廠降低生產成本主要有采用先進制程和增加晶圓尺寸兩種方法，2012年英特爾等頭部廠商宣布將研發(fā)18英寸半導體晶圓后，經過5年左右的開發(fā)，行業(yè)逐漸放棄了開發(fā)18英寸半導體晶圓的嘗試。根據SEMI的預測，18英寸晶圓開發(fā)需要1000億美元研發(fā)成本，是12英寸的9倍；同時單個18英寸晶圓廠需要投入100億美元，但是單位面積芯片成本僅下降了8%，良率和效率提升并不明顯，行業(yè)已基本放棄推進18英寸晶圓開發(fā)。晶圓廠商不會持續(xù)追求晶圓拓徑。受到以下因素影響，半導體晶圓廠商在晶圓尺寸擴大至12英寸后并未繼續(xù)推進晶圓尺寸提高到18英寸：1）擴徑帶來的成本邊際降低幅度逐漸降低，直至將增加成本；2）在擴徑過程中，頭部晶圓廠的市場份額和話語權持續(xù)提升，以臺積電為代表的晶圓代工廠為了保持市場地位和話語權，反對繼續(xù)擴徑，；3）晶圓擴徑需要產業(yè)鏈配合，以光刻機為例，由于下游需求有限，ASML在2013年就停止了18英寸光刻機開發(fā)并且在下游需求改善之前不會再次進行開發(fā)工作。1.1.2.襯底擴徑至8英寸是國產碳化硅設備商的機遇期參考硅晶圓尺寸發(fā)展歷程，我們認為8英寸襯底將是邊際成本遞減的拐點尺寸。將硅晶圓尺寸擴大至18英寸后所需的研發(fā)支出和固定資產投入將大幅提升，帶來的產品單位成本降幅有限，廠商擴徑動力有限。參考半導體晶圓的發(fā)展歷程，我們認為8英寸將是碳化硅襯底的主流尺寸，未來繼續(xù)擴徑動力有限。相較于6英寸襯底，8英寸襯底的經濟性更高，將成為主流襯底尺寸。根據Wolfspeed數據，從6英寸升級到8英寸，襯底的加工成本有所增加，但合格芯片產量可以增加80%-90%；同時8英寸襯底厚度增加有助于在加工時保持幾何形狀、減少邊緣翹曲度，降低缺陷密度，從而提升良率，采用8英寸襯底可以將單位綜合成本降低50%。目前全球碳化硅襯底主流尺寸為6英寸，正在向8英寸襯底過渡中，國內碳化硅襯底主流尺寸則為4英寸并向6英寸襯底過渡。8英寸是國內廠商實現彎道超車的機會。目前8英寸襯底的經濟性已經跑通，Wolfspeed、Rohm和英飛凌等海外頭部廠商的8英寸襯底項目已啟用或在建設中。主流襯底尺寸將從6英寸切換到8英寸的行業(yè)趨勢已較為明確，在這種情況下如果國內設備廠商仍大幅提升6英寸襯底設備產能將面臨“投產即落后”的問題，我們認為設備廠商在本階段應該重點突破和布局8英寸襯底設備產能，以實現彎道超車。1.2.碳化硅材料優(yōu)勢明顯傳統(tǒng)半導體材料應用領域受限，碳化硅材料空間廣闊。目前半導體材料由以硅、鍺為主的第一代半導體材料，發(fā)展到以砷化鎵為代表的第二代半導體材料，以碳化硅、氮化鎵為主的第三代半導體材料。硅基材料為目前應用最普遍的半導體材料，但在高壓平臺的應用上接近發(fā)展極限。砷化鎵材料主要應用于通信領域，由于禁帶寬度不夠大等因素，在高溫、高頻、高功率的應用領域受限。碳化硅材料因其優(yōu)越的性能可以提高器件使用效率，并更好的應用于高壓、高頻、高溫等場景。雖然現階段襯底制備難度大推高了器件成本，隨著技術迭代、產能擴張、尺寸擴徑推動襯底成本下降，碳化硅材料將快速滲透。碳化硅（SiC）由碳元素和硅元素組成，與氮化鎵（GaN）等同為第三代化合物半導體材料。天然碳化硅十分罕見，多為人工制造。碳化硅有200多種晶型，主流晶型為4H-SiC，是碳化硅器件的首選。碳化硅的硬度很大，莫氏硬度為9.5級，僅次于世界上最硬的金剛石，具有優(yōu)良的導熱性能。碳化硅作為第三代半導體具有優(yōu)越的材料特性。和以硅為代表的第一代單元素半導體材料和以砷化鎵為代表的第二代化合物半導體材料相比，碳化硅具有寬禁帶、高熱導率、高擊穿電場強度等優(yōu)越的材料特性，使得以碳化硅制成的半導體器件能夠滿足高溫、高壓、高頻等條件下的應用需求。碳化硅器件替代硅器件為必然趨勢。碳化硅器件相對于硅器件的優(yōu)勢如下：1）耐高溫：碳化硅的禁帶寬度和熱導率均為硅的3倍左右，理論上碳化硅器件能在超600℃的環(huán)境下工作，硅器件的極限工作環(huán)境局限在175℃。2）耐高壓：碳化硅的擊穿電場強度是硅的10倍左右，極大地提高了器件的耐壓特性。3）低損耗：碳化硅擁有約2倍于硅的飽和電子漂移速率與極低的導通電阻，能夠降低能量損耗，如相同規(guī)格的碳化硅基MOSFET較硅基IGBT的總能量損耗可降低70%，提高轉化效率。新能源汽車、光伏等應用場景對高壓平臺的需求逐漸提高，使用碳化硅替代硅來制備半導體器件能夠在高溫高壓環(huán)境下，以較少的電能消耗，發(fā)揮更高的工作效率。1.3.下游應用需求旺盛推動碳化硅器件高速發(fā)展碳化硅產業(yè)鏈包括碳化硅襯底制備、外延生長和器件制造，最終應用于新能源、光伏等領域。根據電阻率的不同，碳化硅襯底可劃分為導電型襯底和半絕緣型襯底。導電型襯底的電阻率在15~30mΩ·cm，可以進一步生產碳化硅外延片，最終制成功率器件，應用于新能源汽車、光伏和軌道交通等領域。半絕緣型碳化硅襯底的電阻率高于105Ω·cm，生成氮化鎵外延片制成射頻器件之后應用于5G通訊、國防等領域。海外廠商在碳化硅功率器件領域市占率較高。受下游新能源汽車和光伏等領域的需求拉動，碳化硅功率器件的市場將迅速拓展。碳化硅功率器件廠商以IDM模式為主，全球市場多由海外企業(yè)占據，根據Yole統(tǒng)計數據，CR5廠商為意法半導體、英飛凌、Wolfspeed、Rohm和安森美，2021年市占率分別為37%/21%/14%/9%/7%，合計占比達到88%。國內碳化硅器件制造起步較晚，目前二極管技術水平已經接近歐美廠商，泰科天潤、華潤微的產品已經通過車規(guī)級認證；由于結構復雜，工藝技術不成熟，國內企業(yè)尚未實現MOSFET器件的量產。2027年全球碳化硅器件規(guī)模高達63億美元。根據Yole數據，2025年全球功率器件中SiC滲透率將達到11.6%；全球碳化硅器件市場規(guī)模將從2021年的10.9億美元增長至2027年的63億美元，6年CAGR為34%。作為第一大應用領域，汽車SiC市場規(guī)模將從2021年的6.9億美元增至2027年的近50億美元，市場占有率由63%提升至79%，CAGR高達39%，較碳化硅器件市場整體增速高5pct。汽車是碳化硅最主要的應用領域，2027年市場空間將達到50億美元。碳化硅器件在新能源車領域主要應用于電機驅動系統(tǒng)逆變器、電源轉換系統(tǒng)（車載DC/DC）和電動汽車車載充電系統(tǒng)（OBC）等方面。1）逆變器：根據Wolfspeed預測，2026年主驅逆變器搭載SiC的價值量占單車碳化硅價值總量將超80%。800V高壓平臺將成為主流高壓平臺，電驅逆變器使用碳化硅MOSFET將增加成本200美元，但碳化硅MOSFET具有高耐壓、低導通損耗、低開關損耗等優(yōu)點，取代硅IGBT應用于800V高壓平臺的新能源汽車后可以將續(xù)航能力提升5%-10%，單車可節(jié)省400-800美元電池成本，最終降低單車成本200-600美元，搭載碳化硅元器件的逆變器具有綜合成本優(yōu)勢。2）直流轉換器（DC/DC）：基于碳化硅制造的功率器件，具有開關頻率高、功率密度大的特性，能將氫能汽車燃料電池DC/DC變換器的系統(tǒng)平均效率提升超97%，最高效率可達99%。3）車載充電系統(tǒng)(OBC)：對于功率密度要求較高，且原650V器件難以安全工作，SiCMOSFET替代Si-IGBT能讓OBC滿足高功率密度的要求，勝任800V高壓平臺的工作，減少能量損耗，提升效率，總尺寸縮小60%，降低系統(tǒng)成本。能源是碳化硅的第二大應用領域，2027年市場空間將達到4.6億美元。逆變器作為光伏發(fā)電系統(tǒng)的“大腦”，其轉換效率的提高對整個發(fā)電系統(tǒng)起到非常關鍵的作用，而采用碳化硅MOSFET功率器件能夠將光伏逆變器的轉換效率從96%提升至99%以上。目前光伏組件的壽命約為20年左右，硅器件逆變器的壽命不超過10年，光伏組件的全生命周期內至少需要消耗2個逆變器，使用碳化硅器件的逆變器能夠降低超50%的能量損耗，提升50倍設備循環(huán)壽命。2020年碳化硅功率器件在光伏領域滲透率約為10%，隨著光伏電壓等級提升至1500V，碳化硅功率器件將成為必選器件。充電樁領域，碳化硅器件主要應用于充電模塊，價值量占比超50%。目前碳化硅器件在充電樁的滲透率僅為10%左右。在直流樁充電模塊朝著大功率發(fā)展的趨勢下，碳化硅的器件體積小，并能充電樁提高約30%的輸出功率，降低近50%的損耗，從而提高單個充電模塊的功率，降低系統(tǒng)成本，應用前景廣闊。1.4.襯底是碳化硅器件的降本核心碳化硅器件成本是硅器件的4倍左右。天然碳化硅材料稀缺，需要人工進行合成，而碳化硅制備環(huán)節(jié)難度大，襯底產出良率較低，導致碳化硅器件的價格是硅器件的4倍左右。雖然性能優(yōu)勢明顯，但是受到成本較高影響，材料滲透率不超過3%，而硅器件滲透率超過95%。但碳化硅器件具有高頻、低損耗、體積小等卓越性能，可以降低下游應用的綜合成本。隨著碳化硅制備技術的成熟、產能擴張等因素，成本將逐步下降，Yole預測碳化硅滲透率在2023年有望達到3.75%。碳化硅襯底在器件成本中占比為47%。硅襯底只占器件成本約10%，而碳化硅襯底在器件成本中占比為47%，為價值量最高的原材料，碳化硅襯底成本占比高的原因為綜合良率僅為40%左右，而硅襯底制備綜合良率超過85.5%，分環(huán)節(jié)來看：1）長晶環(huán)節(jié)，襯底制備的長晶環(huán)節(jié)對工藝要求高，良率偏低，國內領先企業(yè)良率僅為50%左右，而硅料長晶環(huán)節(jié)良率高達90%；2）加工環(huán)節(jié)，碳化硅的硬度大且脆性高，使得加工環(huán)節(jié)的切割破損率高，相較于硅料加工環(huán)節(jié)高于95%的良率，碳化硅加工環(huán)節(jié)的良率約為70%。襯底制備技術迭代有助于提高產能和良率。晶體生長方面，長晶爐的產出率在逐步上升，根據天岳先進數據，長晶爐單臺年產能從2019年的84片提升至2021年的115片，并預計于2026年增長至375片。切片方面，多線切割為切片環(huán)節(jié)的主流技術，并處于金剛線切割替代砂漿切割的進程中；金剛線切割技術能將切割速度提高14倍，產能提升4倍；激光切割作為多線切割的替代方案，具有更高的切割精度和效率。尺寸擴徑、廠商擴產以及制備技術更新有助于碳化硅襯底產量進一步提升，降低襯底成本并加速碳化硅器件的滲透。根據CASA數據，2026年之前SiC襯底價格以每年5%-10%的幅度下降。1.5.碳化硅廠商積極擴產，但仍存在巨大供需缺口預計2025年全球6英寸碳化硅襯底需求將達到677萬片。根據Wolfspeed數據,碳化硅在新能源車和光伏領域應用占比將由2021年的77.1%提升至2027年的86.5%，新能源車和光伏領域將是碳化硅的兩大主要應用場景。我們將重點對這兩個領域進行測算，并以新能源車和光伏領域的應用占比測算全球6英寸碳化硅襯底總需求量。1）新能源車領域：根據中國汽車工業(yè)協(xié)會數據，我們測算2022年1-9月全球搭載碳化硅主驅的車型銷量合計超130萬臺，在全球總銷量681萬臺中滲透率接近20%，隨著碳化硅器件在800V高壓平臺的滲透率逐漸提升，我們預計碳化硅在新能源車的滲透率2025年將達到40%。目前單車6寸碳化硅襯底需求量為0.16片，隨著碳化硅應用范圍拓展至OBC、DC/DC等領域，未來6寸碳化硅襯底需求量將升為0.5片，預計2025年新能源車領域對碳化硅襯底的需求將達到802萬片。2）光伏領域：根據CASA數據，2021年碳化硅在光伏逆變器領域的滲透率為10%，預期2022-2025年分別為15%/20%/30%/50%。目前1GW光伏逆變器的IGBT模塊采購額約2000-2500萬元，碳化硅器件的價格約為硅基IGBT的3-4倍，并呈下降趨勢，我們預計2022-2025年碳化硅器件的價格分別為硅基器件的3.5/3//2/1.5倍，對應價格分別為7875/6750/4500/3375萬元，碳化硅器件市場規(guī)模將分別為29/38/42/60億元。襯底成本的下降將降低襯底價值量占比，我們預計該占比在2025年降至40%。根據以上假設，我們測算2025年光伏領域對碳化硅襯底的需求將達到42萬片。海外頭部廠商在提高現有6英寸產能的同時積極提升8英寸產產能。Wolfspeed目前碳化硅6英寸襯底產能約為50萬片，Coherent現有6英寸碳化硅襯底年產能約為20萬片，同時Wolfspeed和Coherent均計劃5年內將產能擴張5-10倍。Rohm現有6英寸產能約為20萬片，預計2025年將產能擴展至30-40萬片。海外廠商在提出大幅提高6英寸襯底產能的同時積極拓展8英寸襯底產能，Wolfspeed于2023年4月啟用了全球首家8英寸碳化硅晶圓廠。國內廠商仍著力于提升6英寸襯底產能，8英寸產能落地仍需一定時間。國內廠商現有6英寸襯底產能約為15萬片，天岳先進、東尼電子、露笑科技等廠商積極開展拓產項目，根據不完全統(tǒng)計，現有國內廠商規(guī)劃產能投產后總產能將超過200萬片/年。但目前國內廠商在8英寸碳化硅襯底方面較海外廠商仍存在較大差距，現有產能尚處于實驗室階段。2025年全球碳化硅襯底仍有218萬片的缺口。Wolfspeed、Coherent和Rohm的襯底綜合良率分別為70%/60%/60%左右，并預計在2023-2025年內維持該良率水平。目前國內碳化硅廠商的平均綜合良率約為40%，隨著襯底制備技術的逐漸成熟，市場預計2025年綜合良率可以提升至50%。根據上述現有產能數據以及未來產能規(guī)劃，我們預計全球碳化硅襯底有效產能將從2022年的65萬片提升至2025年405萬片，因此2025年將存在272萬片的產能缺口。2.碳化硅襯底制備環(huán)節(jié)較多，國產化進展有限2.1.襯底制備重在晶體生長和晶錠切割碳化硅襯底的制備首先由高純硅、碳粉在高溫下合成SiC微粉后，通過物理氣相沉積法（PVT）生長成為晶錠，之后加工得到標準直徑尺寸的碳化硅晶體，再經過切磨拋工藝獲得表面無損傷的碳化硅拋光片。2.1.1.原料合成首先將高純硅粉和高純碳粉按工藝配方均勻混合，在2,000℃以上的高溫條件下，于反應腔室內通過特定反應及去除雜質合成碳化硅顆粒后，經過破碎、篩分、清洗等工序制得高純度碳化硅粉原料。粉料是晶體生長的原料，其粒度和純度都會直接影響晶體質量。目前襯底廠商均可自行生產高純度碳化硅粉料。2.1.2.晶體生長PVT法是產業(yè)化合成碳化硅晶體的主流方法。碳化硅晶體生長方法主要有物理氣相傳輸法（PVT）、液相外延法（LPE）和高溫化學氣相沉積法（HT-CVD）。LPE法具有質量高、缺陷少等特點，但目前主要用于實驗室生長的小尺寸晶體，技術還不成熟且多為日本住友獨家掌握。PVT法和HT-CVD法均可用于商業(yè)化生產，PVT法相較于HT-CVD法具有設備簡單、設備價格低、操作容易控制等特點，是用于商業(yè)化生產晶體的主流方法，90%的襯底廠商均選擇PVT法制備晶體。PVT法長晶條件苛刻，工藝還需時間優(yōu)化。PVT法長晶需要在2,300°C以上高溫、接近真空的低壓下的密閉生長腔室加熱碳化硅粉料，通過氣相升華和溫場控制使升華的組分在籽晶表面再結晶得到碳化硅單晶。該環(huán)節(jié)對工藝要求極高，目前面臨的主要技術挑戰(zhàn)包括：1）在高溫且密閉腔室內進行反應，極易發(fā)生不同晶型之間的轉化，難以得到所需的特定晶型；2）生長速度僅為0.2-0.3mm/h，7天才能生長2cm左右，而硅棒拉晶速度可達30-150mm/h，只需2-3天便可拉出約2m的8英寸硅棒；3）難以控制碳化硅晶體內部雜質濃度；4）由于坩堝內部溫度分布不均引發(fā)的缺陷。在此領域深耕35年的Wolfspeed技術領先，所生長出的晶錠厚度為5-6cm。國內對長晶環(huán)節(jié)所涉及到材料學、物理、化學等領域的配比以及對熱場設計等參數控制的經驗不足，所生長出的晶錠厚度僅為2cm，且良率僅為50%，因此仍需較長時間來累積經驗。2.1.3.晶錠加工首先將碳化硅晶錠使用X射線單晶定向儀進行定向，之后通過精密機械加工的方式加工成標準直徑尺寸和角度的碳化硅晶錠。2.1.4.晶錠切割切割是加工碳化硅最關鍵的工藝，占整個加工成本的50%以上。該過程需要使用切割技術及設備將碳化硅晶錠切割成厚度不超過1mm的晶片，要求翹曲度小、厚度均勻、良率高。由于碳化硅硬度大、易脆裂的特性，晶錠切割難度大、磨損率高。碳化硅的切割技術包括砂漿線切割、金剛線切割和激光切割三種，其中金剛線切割技術是主流。2.1.5.晶片研磨、拋光、清洗晶片研磨通過不同顆粒粒徑的金剛石研磨液將晶片研磨到所需的平整度和粗糙度，去除切割過程中造成的碳化硅切片表面的刀痕以及表面損傷層。晶片拋光的目的是進一步提高晶片的表面質量，得到表面無損傷的碳化硅拋光片。碳化硅晶片拋光主要有機械拋光和化學機械拋光方法，其中化學機械拋光方法是目前實現碳化硅晶片全局平坦化最有效的方法。晶片清洗碳化硅晶片表面的污染物。以清洗藥劑和純水對碳化硅拋光片進行清洗處理，去除拋光片上殘留的拋光液等表面沾污物，再通過超高純氮氣和甩干機將晶片吹干、甩干。2.2.設備國產化率仍有較大提升空間碳化硅襯底產業(yè)鏈主要包括碳化硅粉料合成爐、單晶生長爐、切片機、研磨機、拋光機設備。由于碳化硅材料對儀器的精度和穩(wěn)定性要求高，切片機、研磨機和拋光機設備依然以進口為主，正在逐步國產化。2.2.1.碳化硅粉料合成爐碳化硅粉料合成爐用于原料合成環(huán)節(jié)，以制備高純度粉料。此環(huán)節(jié)工藝和設備相對簡單，價值量較低。國外主要廠商包括Wolfspeed、Aymont等，合成粉體純度可達99.9995%。國內主要為中國電科二所、山東天岳、天科合達和中科院硅酸鹽所等，平均粉體純度為99.999%。2.2.2.單晶生長爐單晶生長爐用于晶體生長環(huán)節(jié)，基本實現國產化。單晶生長爐是使用PVT法長晶的主要設備，由于長晶環(huán)節(jié)對工藝的要求高，目前長晶爐單臺產能效率較低且提升速度緩慢。以天岳先進為例，2021年其長晶爐的單臺年產能約為115片，同比增速僅為3.6%。長晶環(huán)節(jié)的壁壘主要體現在工藝而非設備，并且長晶爐成本可控，價值量不超過100萬元，因此該設備多為襯底制造廠商自主研發(fā)。2.2.3.切片機切片機用于碳化硅晶錠切割，由于碳化硅硬度大、易脆裂的特性，晶錠切割難度大、易磨損，對設備穩(wěn)定性的要求非常高。國際主流切割技術多為金剛線多線切割，其中日本高鳥的金剛石多線切割機占據80%以上市場份額。國內襯底廠商中超90%使用砂漿切割，金剛線多線切割機目前國產化率低，處于逐漸替代砂漿切割的過程中，高測股份于2022年率先出貨12臺首款高速碳化硅金剛線切片專機。激光切割技術設備多為進口，價格昂貴，國內大族激光、德龍激光和英諾激光正在積極研發(fā)，國產化后有望大幅降價。2.2.4.研磨機、拋光機研磨機與拋光機分別用于晶片研磨和拋光環(huán)節(jié)，設備多為進口。研磨機和拋光機與硅材料設備類似，但需根據碳化硅材料硬脆的特征做相應的調整，如研磨機需要采用專用的研磨液，拋光機需采用專用的拋光墊和拋光液。研磨機和拋光機的主要廠商基本重疊，國際以日本不二越、韓國NTS、美國斯德堡等領先，國內廠商主要有中電科四十五所、湖南宇晶、蘇州赫瑞特等。由于國內設備難以達到做到高精度精磨拋光要求，目前設備以進口為主。3.經濟性呼吁碳化硅襯底切割技術迭代迭代晶錠切割技術是目前襯底環(huán)節(jié)提高產能的主要途徑。通過長晶環(huán)節(jié)提高良率仍需要較長時間的經驗累積，攻克晶錠切割環(huán)節(jié)切割速度慢和切片良率低這兩大關鍵問題后可以實現快速降本。目前傳統(tǒng)多線切割技術包括砂漿線和金剛線切割技術，并以金剛線切割技術為主流迭代方案；而激光切割因加工效率高、材料基本無損，有望成為金剛線切割技術的理想替代方案。多線切割技術：多線切割技術是脆硬材料切割的一種工藝，在工業(yè)中廣泛利用。該傳統(tǒng)技術發(fā)展歷史悠久，1960年代開始利用線的往復運動來切割水晶片，1970年代開始切割1-2英寸的硅片，1980年代采用涂有金剛石粉的內圓切割機切割超硬材料。隨著半導體行業(yè)快速發(fā)展，客戶對于降低切割成本、提高生產效率的要求越來越高，多線切割技術的應用也逐漸成熟，砂漿線切割技術已經應用于絕大部分碳化硅襯底廠商，金剛線切割技術也成為了主流迭代方案。激光切割技術：雖然對激光的研究早在1916年就已經開始，并于1960年代開始應用到外科手術、遙感勘測等領域中，但是1990年才應用到集成電路和汽車制造等制造業(yè)中。目前激光切割碳化硅上仍是較新的技術，能夠解決碳化硅廠商采用傳統(tǒng)切割方法無法解決的高質量生產問題。部分企業(yè)正在推動金剛線切割迭代，激光切割有望逐步滲透。在傳統(tǒng)多線切割技術中，由于金剛線切割和砂漿線切割各有優(yōu)缺點，并考慮到各企業(yè)后續(xù)環(huán)節(jié)工藝的不同，在砂漿線和金剛線的選擇上有一定差異。最先投入生產的砂漿線切割工藝成熟度高，約90%的碳化硅襯底廠商仍以砂漿切割為主，相關廠商包括宇晶股份等。但是砂漿線切割速度低、切割良率低，并且存在污染的可能性，不利于碳化硅襯底廠商實現進一步降本。部分廠商正在逐步過渡到第二代的金剛線切割技術，金剛線切割技術的切割速度和切片良率均優(yōu)于砂漿切割，有效降低了生產成本，目前高測股份和東尼電子等企業(yè)正在推動金剛線切割技術發(fā)展。然而金剛線切割技術存在材料損耗較高和切割線使用壽命較短等問題。加工效率高、材料基本無損的激光技術有望逐步替代金剛線切割技術，成為第三代主流切割技術。3.1.金剛線正逐步替代砂漿線切割技術傳統(tǒng)砂漿線切割技術應用成熟。砂漿切割為游離磨料切割，以砂漿為磨料附著在鋼絲線的表面，利用鋼線的高速運動將砂漿帶入鋸縫，讓該磨料顆粒與切割材料進行摩擦從而達到切割效果，其中砂漿主要由10-15μｍ的碳化硅或金剛石和礦物油或水按一定比例混合而成。該切割方法工藝成熟度較高，因此約90%的碳化硅襯底廠商仍以砂漿切割為主要切割技術，包括宇晶股份等。但砂漿切割存在很多缺點，包括：1）切割速度低：平均切割一刀需要約150小時；2）切割良率低：游離磨粒對鋼線具有磨削作用，導致所切割出來的碳化硅襯底片厚度不均勻，其切口、損傷層和翹曲度分別達到150/15μｍ/24μｍ；3）砂漿液循環(huán)利用較難，且可能存在污染環(huán)境問題，導致碳化硅襯底的加工成本較高。金剛線相較于砂漿線切割優(yōu)勢明顯。利用附有磨料顆粒的鋼絲線對碳化硅晶錠進行高速往復式削切的多線切割技術，相較于砂漿線切割技術的游離磨料，金剛線切割技術采用將電鍍、樹脂粘接等方法對耐磨性強的金剛石顆粒進行固定形成金剛石切割線，優(yōu)勢在于：1）金剛線的線徑和破斷力高，不易損傷硅片，同時能降低硅片損失率，其切口和損傷層均小于砂漿切割；2）采用金剛線切割的硅片表面更光滑、厚度更均勻，其翹曲度遠小于砂漿切割，切割良率更高；3）金剛石比砂漿磨料參與磨削切割的機會大，能減少磨料之間的相互作用，并且金剛石的運行速度更快、硬度更高，金剛線的切割速度更快。金剛線切割技術仍存在一些問題。雖然金剛線切割技術在切割速度和切割良率方面遠優(yōu)于砂漿切割，但是仍存在一些問題：1）加工效率較低，碳化硅晶錠長度較短，使用多線切割技術需要先將多個晶錠進行拼接，降低了加工效率；2）材料損耗率高，加工過程中切割線會將部分碳化硅材料削磨成碎屑從而產生鋸口損失，并且高速運動會在表面形成粗糙切痕，材料損耗率高達50%；3）設備及耗材壽命短，切割時金剛線磨損嚴重，影響切割線的使用壽命以及晶片的翹曲度；4）耗材成本高，單位成本高于油砂線，頻繁更換易磨損的金剛線會增加加工成本。3.2.激光切割技術更適合碳化硅襯底切割激光切割技術早期已經應用于硅晶錠的切割，在碳化硅領域的應用剛起步，目前主要有水導激光加工、DISCO技術和冷切割三大技術。由于激光切割技術目前尚不成熟，但具有加工時間短、材料損耗小、產出和良率更高，綜合成本優(yōu)勢明顯，待技術成熟后有望成為主流碳化硅襯底切割技術。水導激光切割技術在切割質量方面更具優(yōu)勢。技術首先讓激光經過凸透鏡聚焦后通過石英玻璃窗體進入到耦合水腔，調整聚焦透鏡與小孔噴嘴之間的距離使激光焦點剛好處于噴嘴上表面中心，然后讓激光束在進入穩(wěn)定的水射流后發(fā)生全反射，使得激光沿水流方向傳播，從而通過高壓水射流引導加工材料表面進行切割。該技術具有以下優(yōu)勢：1）水流能冷卻切割區(qū)，降低材料熱變形和熱損傷程度；2）切割速度明顯加快；3）噴射的水流帶走加工碎屑及污染物；4）水束光纖的工作距離大，且無需激光聚焦；5）較小的水流直徑縮短切縫寬度，提高了加工的精度，切割截面更為光滑。因此，水導激光切割技術將成為切割提高產能及良率的有效途經。水導激光技術應用范圍有限，只適用于小尺寸碳化硅晶錠切割。國際以專門從事水導激光研發(fā)和產業(yè)化的瑞士Synova公司的技術領先，國內技術相對落后，英諾激光、晟光硅研等企業(yè)正在積極研發(fā)。但水導激光技術的應用仍具一定挑戰(zhàn)性：1）對噴嘴的要求高，需要得到均勻的水柱，國內與領先的瑞士Synova公司的技術差距還較大，且目前難以滿足2英寸以上的碳化硅襯底切割要求；2）耦合難度較大，需要保證激光束最大限度地進入噴嘴口，并盡可能實現全反射，對工藝的精度要求較高；3）由于水對不同波長的激光吸收程度不同，激光波長受限，波