趁着节假日休息，把华泰证券去年的半导体专家十问分享给大家。
2023年10月20日，华泰证券海外科技团队举办了第三代半导体专家交流会，邀请了 BelGaN 创始人周贞宏博士。会上专家主要分析了国内外衬底公司竞争格局与降本增效手段，也讨论了衬底生长和切磨抛设备的国产化替代，以及碳化硅（SiC）衬底的拉晶工艺技术难点。
专家同时也展望砷化镓（GaN）生产工艺优势所带来的高性价比，在未来或能成为SiC替代品。
Q1：日本的三菱电机和电装公司入股 Coherent的SiC 子公司，此合作意义何在？
三菱电机（Mitsubishi Electric） 和电装公司（DENSO Corporation）各自决定投资5亿美元，将分别取得 Coherent旗下SiC业务公司Silicon Carbide LLC 12.5%的非控股权益。
与此同时，Coherent也将与三菱电机和电装公司签订长期供应协议，以应对其6英寸和8英寸晶圆和外延片的强劲需求。三菱电机一直在高速列车、高压工业应用和车规级SiC功率模块领域处于全球领先地位，而电装公司则是全球第二大、日本最大的汽车零部件制造商，同时也在积极推进 SiC 逆变器和电驱技术。Coherent作为一家全球领先的材料、网络和激光公司，于2023年5月将其SiC业务部门分拆成Silicon Carbide LLC，专注于SiC晶片和外延片的生产。
我们认为，这次合作对三家企业都至关重要，实现了共赢局面。在SiC功率器件的生产成本中，衬底价格占据了60%的份额。对于像三菱和电装这样的行业领军者而言，确保衬底供应的稳定性非常关键，以避免潜在的量产风险。同时，II-VI（即 Coherent的前身）在收购Coherent和Finisar时分别投入70亿和32亿美元，急需现金流来扩大产能。在SiC领域，资本运作非常普遍。例如，2009年罗姆收购了 SiCrystal，2019 安芯收购了Norstel 后又将其出售给意法半导体，以及2021年安森美收购了GT Advanced。如果企业不能克服技术难题，且赶上行业龙头高速扩张的步伐，实现良率提升和规模效应降低成本，无论是初创公司还是行业巨头，都可能面临失去客户的潜在风险。
Q2：国内外SiC衬底从工艺和质量层面如何作比？
国内SiC衬底制造企业在质量方面已实现了较大突破，但在工艺上仍存在一些差距。为提高市场份额，一些公司通过政府补贴等方式降低价格。
然而，降低成本和提高效益仍然受限于产能扩充、工艺经验积累、能源利用、技术人才储备和企业运营等因素。在国际市场竞争中，为了取得优势，企业需投入更多资源和资金。
一些大型企业，如三安光电和比亚迪半导体，正积极扩大产能，提高生产效率。然而，对于中小企业而言，在激烈的市场竞争中脱颖而出，需不断获得投资支持，不断提升产能和效益。
可以从以下几个方面考察：
1. 技术来源：国内大约有60家SiC衬底企业，它们的技术和人才主要来自于天科合达和天岳先进。这两家公司都有着丰富的技术积累，是国内SiC技术的重要来源。
2. 质量层面：国内SiC衬底的质量能与国外巨头相媲美，具备一定竞争力。
3. 工艺层面：国内SiC衬底与国外龙头企业在长晶速度上差距较小。国内领军企业每周生长的晶碇厚度为20-30mm，可以切割成20-30片。Wolfspeed 和Coherent等国外企业每十几天可以长出40-50mm的晶碇，可以切割成 40-50片。
4. 长晶设备层面：国内SiC衬底的物理气相传输（Physical Vapor Transport, PVT）长晶设备国产化率较高，性价比较高，拥有竞争优势。
5. 能源层面：国内领军企业可以在太阳能、风电和水电充足的地区建立厂房，相对于国外企业拥有潜在的成本优势。由于长晶炉内的温度高达2400摄氏度，能耗相当巨大。
6. 技术人才：国内SiC衬底制造领域的技术人才相对分散，许多初创公司的合伙人都来自天科合达或天岳先进。然而，与之相比，国外龙头企业的技术团队更加稳定，其稳定性带来了更多的工艺经验积累。
Q3：国内外长晶炉设备企业如何作比？
国内市场主要田两类公司组成：一类是生产传统Si单晶炉的上市公司，另一类则是专注于SiC长晶炉的初创企业。
上市公司北方华创及晶升股份为国内SiC单晶炉第一梯队厂商，具备国内领先的SiC长晶炉技术。其中，北方华创的SiC单晶炉国内市场份额超过50%，主要依赖天岳先进提供的长晶设备，主要应用于生产 4-6 英寸的半绝缘型 SiC 衬底。而晶升股份则占据了约28%的国内市场份额，是三安光电的主要供应商，其长晶设备主要用于制造6英寸的导电型 SiC衬底未上市公司宁波恒普真空科技公司已向下游SiC厂商交付小批量单晶炉，而其他初创公司包括连城数控、哈尔滨科友半导体、山东力冠微电子装备等。在海外市场，衬底厂商主要以Wolfspeed 为首，多为自主研发长晶炉设备。
Q4：国内市场主要做6寸还是4寸，拉晶难度在于设备还是工艺？
国内SiC长晶主要集中在4寸和6寸晶圆上，国内6寸晶圆去年才刚开始大规模量产，8寸晶圆在国内尚未进入量产阶段，目前只有Wolfspeed和Coherent等少数厂商有一些生产规模。SiC长晶的难点主要在于高温环境下的工艺控制，SiC的熔点约为2700度，相比之下，Si的熔点在1410摄氏度，这需要设备具备承受极高温度并能长时间保持均匀性的特性，对设备提出了极大的挑战。
在生产过程中，温度的控制非常关键，一般无法用探头直接观察长晶的过程，因此很多时候，生产过程就像一个黑匣子，中间出了问题，只能在晶体完全生长后才能发现。因此，保持高成品率对于 SiC 长晶非常关键，即使需要降低晶体长度以减少损失，也是为了确保产品质量。在这方面，拥有多年经验的Wolfspeed和Coherent等厂商在SiC长晶领域具有深厚的技术积累和生产经验。
Q5: 8寸SiC衬底的研发挑战主要在于拉晶的长度难以增长？
长晶技术在SiC材料制备中扮演着关键角色，它直接影响晶圆的质量和生产成本。长晶技术的发展历程从最初的1寸、2寸、4寸逐渐演变到如今的6寸、8寸。安芯在收购Norstel后，利用其4寸长晶技术，成功提升了6寸晶圆的生产能力。与此同时，在将Norstel出售给意法半导体后，意法公司实现了8寸长晶技术的突破。然而，长晶技术的扩产不仅需要大量资金的投入，还需要持续不断地优化工艺和设备。
长晶长度是衡量长晶技术水平的重要指标，它直接影响晶圆的利用率和切割效率。长晶长度受多种因素的限制，包括成本、工艺和材料等。目前，国内的长晶长度通常在20-30毫米左右，而一些国外厂商可达到更高的水平，不过最终结果还是要看实际的成品率。即便长晶长度再高，如果成品率不高，降低成本也将难以实现。为了提高成品率和长晶长度，需要积累大量的经验和数据，且还需要对材料、坩埚、热场和SiC粉等进行不断的优化和升级，以确保在高温条件下的均匀性和稳定性。随着晶圆尺寸的增大，热场均匀性的控制难度也会增加，这也是一个面临的挑战。
Q6: 6寸和8寸SiC衬底的良率如何？
8英寸硅晶片的批量生产尚未实现，而且良率情况仍然不明朗。各公司将良率数据视为机密信息，也被视为核心竞争力。对于6英寸硅晶片而言，良率已经超过了50%，相较于前几年有了显著提升。
在晶体生长过程后，硅晶片还需要经历切割和抛光阶段。
8英寸SiC衬底的研发挑战主要集中在衬底生长、切割加工和氧化工艺等方面。
衬底生长需要开发出造用于8英寸晶片的种子晶体，并解决温度分布不均、气相原料分布和输运效率等问题。
切割加工则需要解决大尺寸衬底在切割过程中可能出现的应力、翘曲和开裂等问题。氧化工艺方面需要精确控制气流和温度分布，以提高晶片质量。
切割工艺有多种方法，其中常见的是金刚石平行切割，可以同时切割20-30片晶片，每片之间间隔1毫米。
如果切割线断裂或者卡住，将会严重影响晶片的良率。
切割线的选择至关重要，因为 SiC 是仅次于金刚石的世界第二硬材料。切割线的损耗也是整体成本的一部分，就像是锯木头时所使用的锯片宽度。
因此，一些公司采用了无线切割技术，以增加晶片的数量。例如，被英飞凌收购的德国初创公司Silectra开发了激光切割技术。相较于其他公司的30片，英飞凌能切割出60片，成本降低了一半。切割完成后，SiC 晶片还需要经过抛光工序，如果控制不当，晶片容易碎裂。金刚石的使用量、浓度和粘度等都是经验问题。最终的产品是适用于外延生长的硅晶片。从晶体生长到最终产品，需要经过多道工序，每一道工序都会影响成本和良率。
Q7：国内切片设备公司作何评价？
国内已有一些公司在激光切片技术领域取得了进展，并正致力于产业化。切割、磨削和抛光设备在半导体制程中扮演着关键角色，涉及到硅片制造、晶圆制造和封装等关键工序。
国内的切割、磨削和抛光设备市场规模约为30亿元，主要由国际巨头如日本的DISCO等公司垄断。国内厂商的参与相对较晚，在技术要求较高的晶圆减薄、划片等工具方面，与行业龙头相比仍存在较大差距。然而，随着国内晶圆厂的快速发展以及对供应链自主可控性需求的增加，国内切割、磨削和抛光设备的本土替代品有望加速推出。这方面的技术突破更多集中在芯片生产领域。
在线切割工艺方面，8英寸晶圆的割时间明显长于6 英寸晶圆，且线卡住的风险也更高。
因此，8英寸晶圆的价格远高于6英寸，其面积约为6英寸的1.8倍左右，因此市场价格应该是6英寸的翻倍以上。以6英寸晶圆为例，价格大约为800美元，而8英寸晶圆则高达2000美元。
从经济角度来看，目前，6 英寸晶圆较为划算，市场供应也更加充足。但在国内市场，6 英寸晶圆即便亏本也仍在销售，因此8英寸晶圆离实现量产还有较大距离。
在全球范围内，除了Wolfspeed外，其他厂商都仍处于研发阶段。
Q8：后续6英寸衬底可以通过哪些方式降本增效？
降低半导体生产成本的关键在于实现规模效应。规模扩大不仅提高了生产效率，还降低了设备运营成本。规模效应在半导体产业中起着至关重要的作用。此外，还有其他因素影响成本，包括产品合格率、采用的技术路线、耗材的使用以及能源成本等。在一些地区，电价较低，但可能会面临人才匮乏的挑战。因此，这些公司的竞争力主要受制于这些因素。
Q9：如何看待SiC衬底下游应用，特别是车规级器件的应用和上量？
SiC技术主要分为两类产品：二极管和MOSFET。
在二极管领域，国内市场竞争激烈，行业龙头三安光电实现了从材料到制造的全产业链布局。
而在MOSFET领域，全球市场仍由海外巨龙垄断，国产替代趋势明显。海外巨头包括英飞凌、安森美、意法半导体等，国内华润微、士兰微已进入全球MOSFET器件市占率前十名。电动汽车对器件的可靠性要求高，需要经过长期的验证和测试。根据PntPower分析，特斯拉Model 3的主驱逆变器中共使用了48个MOSFET，如果其中一个出现故障，整车需要进行返修，这将导致较大的损失。与此不同，消费类快充器件则更容易更换。因此，国内厂商通常从车载充电器OBC入手，逐步拓展市场。
从可靠性的角度来看，发动机内的器件出现问题会导致汽车无法行驶。因此，海外大厂在这方面具有先发优势，已与多个海外车型建立了合作关系。与此同时，中国汽车制造商比亚迪也主要采用了海外大厂的器件。相较之下，国内厂商仍处于送样测试阶段，尚未证明能否满足车规级产品的大规模生产需求和可靠性标准。
Q10：GaN是否在未来可能替代SiC的地位？
GaN相对于SiC进入市场较晚。在2018年，特斯拉采用了SiC技术，而到了2021年，GaN技术才进入了手机快充领域。在GaN技术的量产中，目前主要采用平面工艺，而垂直结构的研发仍在进行中，尤其是在高压场景下，比如1200V。
相较而言，平面结构的器件面积较大，同时也存在一定数量的缺陷。相比之下，垂直结构更为可靠，而且占用空间更小。因此，许多器件制造商将重点放在了垂直结构的SiC技术上，包括英飞凌、罗姆和博世等公司。与此不同，意法半导体和安森美半导体选择采用平面结构的SiC技术。而GaN技术主要以平面结构內主。
未来的市场格局仍需特续观察，但在晶棒生产上GaN相较于SiC挑战更小。GaN与Sic长晶的主要差异在于长晶技术和能源消耗成本。
在长晶方面，GaN 可以利用现有的硅（Si）工艺和设备，在普通的硅衬底上生长。而SiC则需要来用高纯度的SiC衬底，大幅提高了材料成本。
此外，GaN的生产速率高于SiC，因此拓宽晶圆尺寸相对更为容易。从能源消耗的角度看，使用物理气相运输法（PVT）生长 SiC 晶圆需要将长晶炉内温度升至 2500摄氏度，而采用氢化物气相外延法（Hydride Vapor Phase Epitaxy, HVPE）生长GaN晶圆的温度则在 1000摄氏度以内，这种能耗差异也导致了性价比上的差异。
国内厂商英诺赛科在GaN量产工艺上取得进展，我们认为，GaN的价格与Si的价格相近，所以未来硅被GaN替代的速率会加快。
预计在2028到2030年之间，GaN技术将开始量产并逐步应用于汽车领域。英飞凌曾投资近10亿美元收购了GaNsystem，并获得宝马价值1亿美元的订单。GaN技术具有SiC技术的性能，且价格更接近传统硅基技术。
然而，要验证GaN技术的可靠性和稳定性还需要花费相当长的时间。目前，各个市场都在持观望态度。
特斯拉也正在探索降低SiC用量的方法，包括从平面结构转向垂直结构、采用SiC和硅基IGBT 的混合方案，以及开发GaN技术。特斯拉已在Starlink项目中使用了GaN技术，用于功率和射频控制，下一步可能会将其应用于汽车领域。
GaN技术在汽车应用中的价格优势明显，可做到与硅基技术相媲美甚至更低。这是因为GaN 器件相较于硅基器件面积更小，成本主要集中在氮化镓外延层。
随着生产规模的扩大，GaN技术的价格预计会进一步降低。例如，英诺赛科提供的 GaN 产品在性能上与SiC相当，但价格却相对较低。硅基器件被GaN 技术替代的速度可能会加快，这也是英飞凌收购 GaNsystem的原因之一。
从投资角度来看，建议密切关注国际大型企业和初创企业在氮化镓技术领域的动态。毕竟，氮化镓技术仍处于初级阶段，因此存在许多投资机会。虽然氮化镓技术是一种风险投资，但在时机成熟时，可能会迎来跨越式发展。
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