行业观点|SiC激光切片设备,突破第三代半导体应用的关键一环

     在第三代半导体材料中，SiC碳化硅是商用化规模最大的一种，特别是在车用功率器件方面，SiC碳化硅展现出了优异的性能，能满足现代电子对高温、高功率、高压、高频、抗辐射及低损耗等苛刻工作条件的要求，成为半导体领域最具前景的材料之一。然而，SiC材料制造过程的一些限制和技术壁垒，特别是衬底的制备水平，阻碍了其应用发展。因此，包括中国厂商在内的各家SiC材料生产企业和相关机构都在进行相关研究工作，以期攻克难题。

     SiC功率半导体上游产业为SiC材料；中游产业为SiC器件设计、制造和封装测试；下游为应用行业。碳化硅器件、模组厂商主要来自于美国、欧洲和日本，中国厂商正在迅速崛起。在上游供给紧缺的行业背景下，上下游企业逐渐相互渗透，下游器件厂商通过收购获得衬底供应能力，同时上游材料厂商凭借更稳定、更优质的内部供应发展器件业务，最终主流大厂朝着IDM模式发展。

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      SiC碳化硅的应用领域非常广泛，可以应用在新能源汽车、电力电子、光伏和风能、轨道交通、航空航天和国防、工业应用、消费电子产品等领域。

‍      新能源汽车领域：SiC功率器件用于电机驱动器和车载充电机的PFC和DC-DC次级整流环节，有助于提高效率和续航能力。里程焦虑和充电慢的问题，一直是纯电动车的痛点。为解决续航和充电两方面的需求，各大车企已经将“800V高压充电平台”当作研发标配，并陆续推出“800V+”的车型，预计到2025年，该车型的占比将达到15%左右，“800V+”的高压充电平台将可能成为新能源汽车行业的新趋势。因此，为提升新能源利用效率立下了“汗马功劳”的SiC碳化硅器件，在“800V+”时代，也将收获机遇与挑战。

      2023年，新能源汽车产销量预计已经超过900万辆。根据市场数据统计，我国新能源车从第1辆到第1000万辆，用了27年；而从第1000万辆到突破2000万辆，仅用了17个月。各大车企在2023年的表现也各有千秋，理想、岚图、比亚迪、吉利都相继完成了全年销量目标。2023年，也是新能源车型大爆发的一年，仅在这一年，中国市场就推出了1100余款新能源车型。我国乘用车市场信息联席会预测，2024年新能源汽车市场渗透率将达到40%。预计到2030年，国产新能源车将达到2000万辆/年，每个电驱控制器需要0.5片碳化硅6寸晶圆，假设50%的电驱用SiC，需要等效的6寸SiC晶圆500万片/年。

图：车用电机控制器逆变装置中

器件材料份额趋势

      电力电子领域：SiC功率器件因其高导热率和优异的耐高温、耐高压特性，被广泛应用于电力电子系统中，如电机控制器、DC/DC变换器、车载充电机、压缩机、水泵等。

      光伏和风能领域：SiC功率器件也被用于光伏逆变器和风力发电机中，以适应高电压和大电流的工作环境。其占比有望逐年提升，据CASA预测，2025年光伏逆变器中采用SiC的功率器件占比有望提升至50%。

图：光伏逆变器中SiC功率器件占比预测

      SiC材料主要包括衬底和外延片，相关晶圆厂拿到外延片之后，就可以制造相应的SiC器件了。衬底是所有SiC器件的底层材料，起到物理支撑、导热、导电等作用。外延片是在衬底材料上生长出新的半导体晶层，这些外延层是制造芯片的重要原料。衬底是SiC碳化硅功率半导体产业链中价值最高的核心环节，同时也是制约SiC大规模产业化推进的关键。因为，从碳化硅器件的制造成本结构来看，衬底、外延、前道、研发费用分别占比47%、23%、19%、6%。其中，SiC碳化硅衬底成本占比最大，占比高达47%，远高于Si基器件成本中Si衬底的占比7％。

      要降低单个器件的成本，主要有两个途径：一是进一步扩大SiC衬底尺寸，从而在单个衬底上增加器件的数量。目前业界主流的SiC衬底尺寸为4英寸和6英寸，正在向8英寸发展。8英寸比6英寸有明显的成本优势，但是现在还未有大规模的商用案例。二是增加SiC单晶的厚度，由于SiC衬底是从很厚的单晶晶锭上一片一片切割下来的，因此，单晶越厚，能够产出的衬底数量就越多，单个衬底的成本也就越低。

     因此，长晶和切片良率是影响SiC衬底成本的重要因素，因制备的综合良率仅为40%左右。

• 长晶环节：在自然界，SiC单晶极其稀有，不能满足工业化生产需求，只能依靠人工合成制备。衬底制备的长晶环节对工艺要求高，良率偏低，目前国内领先企业良率仅为50%左右；

• 加工环节：由于SiC碳化硅材料的莫氏硬度为9.5，仅次于目前已知最高硬度天然材料金刚石的10，使得加工环节的切割破损率较高，碳化硅加工环节的良率约为70%。

      因此，激光切片机在提升单晶产出的同时，能够减少研磨环节的时间，在衬底环节产出提升25%，对于器件成本能够降低11.74%，是目前较为直接的降本方式。

      未来几年，受益于新能源汽车、光伏等下游应用领域需求的快速增长，SiC功率器件需求快速放量。据Trend Force集邦咨询研究统计，2023年全球SiC功率器件市场产值预计达22.8亿美元，同比增长41.4%。2026年全球SiC功率器件市场产值预计53.3亿美元，年复合增长率35%。主流应用仍为电动汽车及再生能源，电动汽车产值可达39.8亿美元，年复合增长率38%；再生能源达4.1亿美元，年复合增长率19%。

      国内SiC碳化硅衬底产能将快速扩张，2026年规划产能将扩张10倍。根据市场数据统计，目前国内主要碳化硅材料厂商披露的现有碳化硅衬底产能约为61万片/年。根据目前国内已有的碳化硅晶片扩产项目统计，2026年，国内碳化硅衬底产能有望达到592-635万片/年，其中新增规划产能约为532-574万片/年。若保守计算，仅把前6大衬底厂加比亚迪和晶盛机电的产能作为有效产能，到2026年，大约为360万片/年。假设2026年激光切片渗透率能达到50%，单机产能1万片/年，则大约需要180台/年激光切片设备。假设全行业扩产达到预期，大约需要300台/年激光切片设备。该激光切片技术还可以用于金刚石、超薄硅、超薄玻璃、蓝宝石、氮化镓、铌酸锂等材料切割，应用范围广泛。

      在半导体晶圆封装前期工作中，划片刀（Dicing Blade）是用来切割晶圆、制造芯片的重要工具，对芯片的质量和寿命有直接影响。全球划片刀市场已被日本DISCO、日本东京精密、以色列ADT等10家公司垄断，市场份额占据90%以上，其中仅DISCO一家就占据了全球70%以上份额。  

      碳化硅的切割和传统硅的切割方式虽然相似，但由于碳化硅属于硬质材料，其莫氏硬度达到了9.5，是除金刚石以外世界上第二硬的材料，因此切割难度非常大。可能需要几百小时去完成工作，对刀片和系统设备稳定性要求很高。国内切片技术已有所突破，金刚石多线切割设备逐步国产化。国际主流晶锭切片技术多为金刚石多线切割，其中日本高鸟Takatori的切片机设备（金刚石多线切割机）目前占据了 80%以上市场份额，国内衬底厂商中超90%使用砂浆多线切割。

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     金刚石多线切割技术虽然在切割速度和切割良率方面远优于砂浆切割，依然存在一些问题：

• 加工效率较低：4个晶锭同时作业，切割时间超过100小时；

• 材料损耗率高：使用金刚石多线切割，碳化硅材料损耗率高达50%，经过抛光研经过抛光研磨环节后，切损耗比例则高达75%；

• 耗材费用较大：切割时金刚线磨损严重，需每年保持较大的耗材费用支出，同时多线切割造成晶片的翘曲度较大。

      激光切割为SiC切割的新兴技术，激光切割技术优越性显著，有望成为新一代SiC切割技术。目前，激光在碳化硅领域的应用刚刚起步，尚处在市场导入的初期，国内外厂商均未实现量产。国外机构研发起步较早，头部厂商产业化推进较快。目前市场上的激光切片设备，仅英飞凌和DISCO有少量切片设备。国内西湖仪器、大族激光、德龙激光、米珈来等公司也正在研发激光切片设备。但激光切割技术具有加工时间短、材料损耗小、产出和良率更高等优点，综合成本优势明显，待技术成熟后有望成为主流碳化硅衬底切割技术。

      德国 Siltectra 公司提出了“Cold Split（冷切割）”技术，用超快激光在晶体内部产生微裂纹，而后通过聚合物冷却将晶片与剩余晶锭分离。2017年11月，Siltectra公司在德国德累斯顿建立了一条使用Cold Split技术加工SiC晶体的试验线。英飞凌在2018年11月斥资1.39亿美元收购Siltectra，Cold Split技术也已通过英飞凌公司验证。英飞凌把这项技术用于SiC晶圆的切割上，从而让单片晶圆可出产的芯片数量翻番。

      冷切割技术其原理和优点、缺点如下：

• 原理：冷切割用超快激光在晶体内部产生微裂纹，而后通过聚合物冷却步骤将微裂纹处理为一个主裂纹，最终将晶圆与剩余的晶锭分开。

• 切割对象：可切割各种透明脆性材料，如玻璃、蓝宝石、硅、碳化硅等材料。

• 优点：

• 每片晶圆总切口损失小于90μm；

• SiC晶圆的良率提高到90%；

• 大幅减少了SiC晶圆生产过程中的原材料损耗，可以提供3倍的材料，最终SiC器件产能提高近2倍，可生产更多的器件，成本降低20-30%。

• 缺点：

• 不对外销售；

• 价格高昂。

      国内厂商起步较晚，加速追赶中。除了安睿基金所投资的西湖仪器采用激光隐形切割技术，SiC晶锭切片设备已经成型。其他国内厂商，如中电科2所、大族激光等单位也率先开展试验探索，具备了SiC晶体激光剥离工业与装备研发能力，德龙激光、晟光硅研、乾晶半导体、深圳米珈来等机构也正在积极研发，部分机构已取得了相关专利。‍

• 中电科2所

      2022年8月，中国电科2所的激光剥离设备有机结合激光精密加工和晶体可控剥离，实现了4英寸、6英寸碳化硅单晶片的激光剥离。将晶体切割损耗降低 60%以上，加工时间减少50%以上，并实现晶体加工整线的高度自动化。

• 大族激光

      大族激光正在持续推进与行业龙头客户的合作，为规模化生产SiC激光切片设备做准备，并推出了SiC激光退火设备新产品。2022年5月20日，大族半导体首次发布激光切片(QCB技术)，该技术最高可提升270%的产能，并同期发布了SiC晶锭激光切片机、SiC超薄晶圆激光切片机两款全新设备，目前正在客户处做量产验证。

• 德龙激光

      德龙2022年报披露，预计在“碳化硅晶圆激光隐形分切系统的研发及产业化”项目投入3,500万元，已投入1,137.38万元，用于研发超快激光器技术、激光光束整形技术、碳化硅晶锭隐形分切技术、高精度运动平台及控制技术等核心技术，可实现SiC晶锭分切，自主开发最大切割速度800mm/s，具有明显的领先优势。目前公司已完成碳化硅晶锭激光切片技术的工艺研发和测试验证，并取得了头部客户批量订单。

• 深圳米珈来

      成立于2020年8月，公司致力于激光精细微加工领域，聚焦于以碳化硅及氮化镓为代表的第三代半导体相关材料的切割技术。主要产品为碳化硅晶锭激光切片机和碳化硅晶圆激光划片机。意向销售对象为国内碳化硅领域的衬底厂商、封装厂商、IDM 厂商。日本子公司负责设计研发，深圳米珈来负责采购、设备组装、销售和售后。

• 晟光硅研

      晟光硅研成立于2021年2月，主营业务为半导体材料及专用设备的研发和销售，主要产品包括围绕第三代半导体晶圆材料的滚圆、切片、划片等设备。公司发明了微射流激光切割技术并申请了相关专利，技术路线为水导激光技术，已成功完成6英寸碳化硅晶锭的滚圆、切片及划片测试。

• 乾晶半导体

      2021年，乾晶半导体、杭州国际科创中心先进半导体研究院、西湖大学科研团队，利用超快激光成功实现了碳化硅晶片的剥离，取得了激光剥离晶体切片技术突破，并申请相关发明专利。

      SiC碳化硅切割技术对于第三代半导体碳化硅，突破技术限制，广泛进行商业化应用具有重要性。而SiC晶圆的制作需要进行多个步骤，其中切片是SiC由晶锭转化为晶片的第一道工序，决定了后道加工的整体良率。未来，SiC产业链不断突破技术限制，具有以下发展趋势：

1. 碳化硅衬底沿着大尺寸化发展，推进单个器件成本下降‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍

      扩大SiC衬底尺寸，从而在单个衬底上增加器件的数量，可以降低单个器件的成本，因此碳化硅正从6英寸向8英寸过渡中。与硅基晶圆发展路径相同，未来碳化硅衬底也将持续提升晶片尺寸，降低单位面积芯片成本，推进碳化硅器件的成本下降。根据Wolfspeed数据，在相同尺寸的芯片下，8英寸衬底片可切出的芯片数量相比6英寸衬底片提高约90%，同时降低约7%的边缘浪费，带来生产力和效率的大幅提升。

2. 切割技术优化大幅提高效率，激光切割技术不断迭代，隐形切割技术更为领先。

      切割技术优化可大幅提高产能和降低损耗。目前常用的金刚石多线切割工艺通常损耗率高达50%，经过抛光研磨环节后，切损耗比例则高达75%。激光切割技术目前主要有激光烧蚀法、水导激光技术、KABRA技术和冷切割四大技术。激光烧灼法为传统的激光技术，属于表面热切；水导激光技术也属于表面切割，不过在切割同时利用水流降温；KABRA技术和冷切割均属于激光隐形切割，可大幅减少材料损耗和提高切割速度，是更为领先的激光切割技术。若激光隐形切割应用顺利，可有效提高效率和降低损耗，单台设备切割年产量提高近3倍，材料损耗控制在30%以内。

3. 技术升级带动衬底成本优化

      受益于衬底制备技术持续进步，碳化硅衬底成本将有望得到优化。根据英飞凌数据，2023年至2027年衬底价格将得到显著下降。未来随着衬底尺寸从6寸向8寸提升，持续优化良率以及相关生产切割技术的升级，碳化硅的材料成本有望显著下降，将有效降低整体器件价格，提升碳化硅功率器件的市场渗透率。

4. 切割设备向自动化和智能化发展

     设备向自动化和智能化发展，可有效提高效率。碳化硅制造环节涉及大量的高精密工序，对作业环境要求比较高。提高碳化硅切割过程的设备自动化和智能化，可以提供加工精确度，降低人工操作对晶片表面造成污染，同时减轻工人的劳动强度，减少人为操作失误，提高工作效率，降低成本。

      综上，未来的竞争，激光隐切割技术依然有着独特的优势，若能突破技术瓶颈的同时，有效降低成本，则抓住了SiC产业链突破的关键机遇。