近年来，新能源汽车、充电桩、智能装备制造、光伏新能源等新兴应用领域成为功率半导体产业的持续增长点，SiC MOSFET 和 IGBT 等功率半导体获得了前所未有的关注。
在全球碳化硅功率市场高景气的背景下，供应不足是目前碳化硅产业发展的首要问题，于是扩产放量成为了整个行业的共识，国内外大厂都在争先恐后的投资扩产。
英飞凌要在2030年占据全球30%的碳化硅市场份额；安森美计划将碳化硅晶圆产能扩大4倍；罗姆则打算到2025年碳化硅产能增至2021年时的6倍；Wolfspeed更是想到2026年实现导电型衬底的产能超百万片；国内企业同样激进，据不完全统计，如今至少有超40个碳化硅项目在建设，包括了衬底、外延和器件、模块等环节，国内碳化硅产业链正在加速完善、成长。
虽然碳化硅产能扩建一片红红火火，但想要大规模起量乃至获得高额收益，至少要等到2025年以后了，如今都不过是在烧钱布局罢了，最先从中受益的反而是设备厂商，由于碳化硅的扩建扩产，相关设备市场皆呈现供不应求的状态，Insemi预计2025年碳化硅衬底规划产能达636.2万片，对应约200亿的设备总市场空间。
碳化硅产业链可以分为衬底、外延、芯片、封装四个环节，其中衬底占总成本达47%，外延占比23%，上游衬底和外延加起来占了70%的成本，这两个环节的专业性都非常强，对相关技术和设备的要求很高，是影响碳化硅产能上限的决定性因素。
过去很长一段时间，这些关键设备都严重依赖进口，近年来在市场需求的拉动下，国产碳化硅设备发展迅速，“卡脖子”现象得到明显缓解，设备的国产化有利于推动碳化硅成本的下降，提高国内企业的市场竞争力，加速追赶上国际先进水平，下面艾邦半导体就详细分析衬底、外延相关设备的国产化进展。
长晶炉实现国产替代，切磨抛设备仍需发力
碳化硅衬底制备目前主要以高纯碳粉、硅粉为原料合成碳化硅粉，采用物理气相传输法（PVT 法），在单晶炉中生长成为晶体，随后碳化硅晶体经过切片、研磨、抛光、清洗等步骤制成单晶薄片作为衬底。
碳化硅晶体的制备有两大难点，其一是碳化硅晶棒生长速度慢，约2cm的晶棒需要7-10天的生长时间；其二是碳化硅晶体生长对各种参数要求高，需要精确控制硅碳比、生长温度梯度等参数，并且生长过程很难监控，对工艺要求非常高。
基于上述情况，如今碳化硅晶体制备难点更在于工艺而非设备本身，碳化硅长晶炉与传统硅晶有相同性，结构不算复杂，单价不到100万/台，已经基本实现国产化，而工艺上每家衬底厂商都有细微差别，也是核心技术所在，因此许多衬底厂商都选择自研长晶设备，让工艺与设备更加契合，当然也有部分厂商选择外购模式。
目前国内的碳化硅长晶炉设备供应商主要有北方华创和晶升股份，两者在国内占有的份额超过70%，考虑到与工艺的契合性，衬底厂商一般不轻易改变长晶炉的购买渠道，其他企业想要插入进来并不容易，不过如今碳化硅产业疯狂扩产或有新的机遇。
图源：北方华创
切割是碳化硅衬底制备的首要关键工序，决定了后续研磨、抛光的加工水平，成本能占到50%以上，这是因为碳化硅属于硬质材料，硬度仅比金刚石低，切割难度非常大，目前主流的工艺是线锯切割，也有一些厂商在试验激光切割。
目前碳化硅切割设备主要被日本高鸟垄断，占据了70%以上的份额，在连续收到订单的情况下，交付时间已延长到13-14个月，为了应对更多的订单需求，高鸟已与中国公司和日本本土公司签订了联盟协议，将在中国建立生产工厂。
国内企业上机数控此前表示，公司在碳化硅切割领域取得了较大突破，自行研发的碳化硅切片设备获得成功，开辟了“碳化硅设备国产替代进口”的先河，在国产碳化硅切片机市场占有率超90%。
宇晶股份近日在调研中表示，公司加大对碳化硅切、磨、抛关键技术的攻克，设备的精度已经达到行业一流水平，公司生产的碳化硅切割、研磨、抛光设备主要用于加工单晶碳化硅抛光片，目前公司生产的碳化硅切、磨、抛设备已实现批量销售。
高测股份主要从事高硬脆材料切割设备和切割耗材的研发、生产和销售，今年5月称，公司已有30 余台来自碳化硅衬底企业的订单，推出的8寸碳化硅金刚线切片机也在上半年已形成批量订单。
今年6月，力凯数控表示最新研发的DA300碳化硅多线切割机已达成10台意向订单，预计销售额达3000万元，据悉，该切割机收放线轮运转速度可实现2400米/分钟，采用硅料向下进给方式，伺服同步控制线网进行高速切割，可实现8小时切割一刀，一次性产出100片晶片。
实际上，国内外碳化硅切磨抛环节技术路线差距并不大，主要还在设备的精度和稳定性上，这对衬底加工的效率和产品良率有关键影响，目前国内企业相比国外还有差距，因此碳化硅切磨抛装备仍以进口为主，导致国内厂商生产成本居高不下，碳化硅切磨抛设备的国产替代需求迫切，还需相关厂商共同努力。
外延设备壁垒较高，国产替代空间巨大
在碳化硅晶体的生长过程中，会不可避免地产生缺陷、引入杂质，因此碳化硅衬底无法直接使用，需要在其上生长一层薄膜来加工，这就是外延层，所有的器件基本上都是在外延上实现的，处于承上启下的关键位置，而外延的品质和设备息息相关，决定着后续芯片器件产品的质量和良率问题。
外延环节技术壁垒相对较高，对第三方厂商成熟设备具有较强依赖性，目前碳化硅外延设备由德国的Aixtron、意大利的LPE、日本的TEL和 Nuflare所垄断，占据了超80%的市场份额，四家企业也有各自的特点，Aixtron的设备产能较大，LPE的单片机生长速率快，TEL和Nuflare的设备采用双腔体工艺，对提高产量有一定的作用。
在碳化硅的扩产潮下，如今外延设备产能非常紧缺，国内企业想要购买更为不易，日本TEL一般不供应国内，Nuflare也多数交付给Wolfspeed和II-VI，Aixtron和LPE的产品也有英飞凌、罗姆等一众巨头在抢购，一系列因素让碳化硅外延设备交付周期甚至能拉长到2年，实现外延设备国产化刻不容缓。
现阶段，国内已有多家企业实现了对碳化硅外延设备的规模出货，包括晶盛机电、北方华创、纳设智能、中电科48所等。
今年2月，晶盛机电发布了6英寸双片式SiC外延设备，该设备采用上下层叠加的方式，单炉可以生长两片外延片，且上下层工艺气体可以单独调控，温差≤5℃，有效弥补了单片水平式外延炉产能不足的劣势。晶盛机电三季度财报显示，前三季度归母净利润达35.1亿元，同比增长75%，主要系设备验收顺利+材料持续放量增厚业绩，截至三季度末，公司存货为156亿元，同比增长37%，合同负债为111亿元，同比增长42%，表明公司在手订单充沛。
北方华创此前在调研中表示，目前公司包括外延炉等碳化硅设备在手订单充足，已实现近200台的销售，占据市场半壁江山。北方华创三季度财报显示，报告期内实现营业收入145.9亿元，同比增长45.7%，其中电子工艺装备收入129亿元，同比增长63.43%；截至三季度末，公司存货和合同负债分别为173和94亿元，环比上季度增长4%和9%，反映公司新签订单较好。
纳设智能在2022年2月成功出厂了高温化学气相沉积设备，同年11月，其SiC外延炉就获得了国内厂商数十台复购订单，今年8月，纳设智能表示，公司已累计获得10+个客户超过 150台 6吋SiC外延设备订单，订单金额累计数亿元。
中电科48所是国内最早实现SiC外延设备批量出货的厂商之一，据早先消息，在6英寸SiC外延机型方面，中电科48所收获了国内第三代半导体装备行业的第一大订单；今年10月，中电科48所表示，在连续数月实现月产20台套产能验证后，制造部汲取批产经验，及时调整装调节奏、优化生产管理，顺利完成20台套SiC外延设备的产出及发货。
碳化硅降本势在必行，相比于6英寸，8英寸碳化硅晶圆的边缘损耗更小、可利用面积更大，未来通过产量和规模效益的提升，成本有望降低50%以上，如今8英寸的碳化硅衬底和外延材料量产已呼之欲出，事实上今年我国已进入“8英寸时代”，各大设备公司接连发布8英寸设备研发成功的消息。
今年6月，中电科48所发布了自主研发的8英寸SiC外延设备，该设备实现了大尺寸外延材料生长所需的均匀、稳定温流场分布，目前已在国内头部企业上线验证。同样6月，晶盛机电发布8英寸单片式碳化硅外延生长设备，该设备可兼容6、8英寸碳化硅外延生产，外延的厚度均匀性1.5%以内、掺杂均匀性4%以内，达到行业领先水平；8月，纳设智能成功研制8英寸碳化硅外延设备，目前已交付客户进行现场验证。
伴随着对碳化硅外延片国产化的强烈市场需求，经过多年发展，国内企业在6英寸碳化硅外延生长炉上已经实现逐步放量，并开始延展至对8英寸外延设备的验证，发展速度较快，有望赶上即将到来的8英寸碳化硅时代机遇。
综合来看，国内碳化硅关键设备产业已经逐步发力，大部分设备类型都已有国产替代方案，在碳化硅产业爆发的情况下，未来碳化硅设备市场也将不断增大，预计此轮利好将持续2-3年，在此期间碳化硅设备需求将持续增长，将为国内设备厂商带来巨大的发展机遇，同时大尺寸设备的研发推进以及国产替代步伐的加快，也让碳化硅增产降本指日可待，推动碳化硅器件的规模化应用。
参考资料：
1、【申万宏源】碳化硅：国内衬底厂商加速布局
2、杨 金等.第三代半导体SiC芯片关键装备现状及发展趋势
原文始发于微信公众号（艾邦半导体网）：2025市场达200亿，碳化硅关键设备企业迎历史机遇