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米乐M6APP下载碳化硅设备行业深度报告:多技术并行衬底切片设备加速国产化

发布时间:2023-04-26      来源:网络


  米乐M6在高性能和低能耗半导体器件驱动下,半导体材料经历四次更迭。半导 体材料是制造半导体器件和集成电路的电子材料,是电子信息技术发展 的基础。伴随下游应用日趋复杂化和精细化,高性能及低损耗的半导体 器件需求成为半导体研究的重要方向,驱动半导体材料经历四次更迭: 1)第一代元素半导体材料:硅(Si)、锗(Ge)。20 世纪 50 年代兴起, 取代了笨重的电子管,奠定了以集成电路为核心的微电子工业的基础, 广泛用于信息处理和自动控制等领域。 2)第二代化合物半导体材料:砷化镓(GaAs)、磷化铟(InP)。20 世纪 90 年代兴起,突破硅在高频高压及光电子领域的局限,开拓了移动通信 和以光纤通信为基础的信息高速公路和互联网产业,多用于发光电子器 件以及通信基础设备。 3)第三代宽禁带半导体材料:碳化硅(SiC)、氮化镓(GaN)等。近 10 年逐渐兴起,具备大带隙、大载流子漂移速率、大热导率和大击穿电场 四大特性,全面突破材料在高频、高压、高温等复杂条件下的应用极限, 适配 5G 通信、新能源汽车、智能物联网等新兴产业,对节能减排、产 业转型升级、催生新的经济增长点将发挥重要作用。 4)超禁带半导体材料:氧化镓(Ga2O3)、氮化铝(AlN)、金刚 石以及锑化镓(GaSb)、锑化铟(InSb)等。近 5-10 年被提出,在第三 代半导体基础上实现进一步提效降本,以人工智能与量子计算为驱动力, 目前处于科研与产业化起步阶段。

  高功率+高频率+高温+高电压,第三代半导体(SiC 和 GaN)物理性能 优异。第三代半导体作为宽禁带材料,具有四大特性:大带隙、大载流 子漂移速率、大热导率和大击穿电场,做成的器件对应有四高性能:高 功率、高频率、高温和高电压,制造的装备系统对应有四小优点:小能 耗、小体积、小体重和小成本(暂未实现)。在半导体照明、新一代移动 通信、能源互联网、高速轨道交通、新能源汽车、消费电子等领域有广 阔的应用前景。

  SiC 和 GaN应用各有侧重,SiC 为宽禁带核心材料。SiC 和 GaN 是应用 最广、发展最快的第三代半导体材料,光电子领域主要是 GaN 的应用, 涉及 LED、LD 及光探测器,热门赛道是 Micro-LED 和深紫外 LED。1) 电力电子领域:SiC 适合中高压,GaN 适合中低压,二者在中压领域竞 争(650-1200V,汽车和光伏),热门赛道是 SiC SBD、MOSFET 和 GaN HEMT 等。2)微波射频方面:SiC 基 GaN-HEMT 已占据 5G 基站功率放 大器半壁江山。现阶段,SiC 质量远高于 GaN,占据了近 90%的第三代 半导体电力电子器件市场。

  SiC 不同晶体结构性能各异,4H-SiC 综合性能最佳。SiC 由于 C 原子和 Si 原子结合方式多样,有 200 多种同质异型晶体结构,其中 6H-SiC 结 构稳定,发光性能好,适合光电子器件;3C-SiC 饱和电子漂移速度高, 适合高频大功率器件;4H-SiC 电子迁移率高、导通电阻低、电流密度高, 适合电力电子器件。 4H-SiC 是目前综合性能最好、商品化程度最高、 技术最成熟的第三代半导体材料,是制造高压、高温、抗辐照功率半导 体器件的理想材料。SiC的热、物理、化学性质很稳定:热导率[84W/(m·K) 超过铜,约为硅的 3 倍;禁带宽度约为 Si 的 3 倍,击穿电场强度高于 Si 一个数量级,饱和电子漂移速度是 Si 的 2.5 倍,2000℃时导电性与石墨 相当;耐腐蚀性非常强,表面 SiO2 薄层防止进一步氧化,室温下几乎可 以抵抗任何已知的腐蚀剂。

  继承 SiC 材料优点,SiC 器件兼具高性能和低损耗。SiC 器件基于 SiC 材料,在效能提升和损耗控制上相比硅基器件均有优势,具体体现在: 1)更高的耐压性和耐高温性。SiC 材料击穿电场强度是 Si 的 10 余倍, 能承受更大的工作区间和功率范围。SiC 热导率约为 Si 的 3 倍,更高的 热导率可以带来功率密度的显著提升,同时散热性能更好,散热系统的 设计更简单,或者直接采用自然冷却。 2)更高的工作频率。SiC 材料饱和电子漂移速率为 Si 的 2.5 倍,导通电 阻更低,导通损耗低;SiC 器件(SBD 和 MOSFET)能够克服 IGBT 器 件在关断过程的电流拖尾现象,降低开关损耗和系统损耗,大幅提高实 际应用的开关频率。 3)更低的能耗和更小的尺寸。SiC 材料击穿电场强,可以更高的杂质浓 度和更薄的漂移层,制作导通电阻非常低的耐高压大功率器件。根据 Rohm 测算,理论上相同规格 SiC-MOSFET 导通电阻可降为硅基 MOSFET 的 1/200,尺寸降低为 1/10;使用 SiC-MOSFET 的逆变器的系 统能耗,小于使用同规格 Si-IGBT 逆变器能耗的 1/4。

  SiC材料适用于制造功率器件和射频器件,新能源汽车+光伏驱动功率 器件快速发展。SiC 衬底可分为导电型衬底和半绝缘型衬底,从电化学 性质差异来看,导电型衬底电阻率区间为 15~30Ω·cm,半绝缘型衬底电 阻率高于 105Ω·cm。导电型衬底生长 SiC 外延层后可用于制造各类功率器件,半绝缘型衬底生长 GaN 衬底后可进一步用于制造各类微波射频器 件。近几年,由于新能源汽车、光伏、智能电网等行业兴起,拉动 SiC 功率器件市场快速增长。

  SiC功率器件主要包括二极管和晶体管,有望实现对硅基器件的替代。 功率器件主要用于电力电子设备电能管理,由于 Si 硅材料物理性质限 制,依靠 Si 器件完善来提高装置和系统性能的潜力有限,而 SiC 功率器 件由于出色的高压、高频、高温和低损耗性能,非常具有应用前景。SiC 功率器件按类型主要可以划分为功率二极管和功率晶体管,功率二极管 有三种类型:肖特基二极管(SBD)、PiN 二极管和结势垒控制肖特基二 极管(JBS);功率晶 体管主要包括金属氧 化物半导体场效应 管 (MOSFET)、结型场效应管(JFET)、双极性晶体管(BJT)、绝缘栅双 极晶体管 (IGBT)和晶闸管(Thyristor)。二极管、MOSFET 和 IGBT 是应用最广泛且性能指标先进的功率半导体,SiC-SBD 于 2001 年开始 商用;SiC-MOSFET 于 2010 年开始商用,已经是 SiC 功率器件最大市 场;SIC-IGBT 由于研发起步晚,目前尚未实现产业化。

  SiC-SBD 替代目标为高压(≥600V)的硅基快速恢复二极管(Si-FRD)。 SiC-SBD 与 Si-SBD 结构基本相同,本质是金属和半导体材料接触时, 在界面半导体处的能带弯曲形成肖特基势垒,因此 SiC-SBD 继承了 SiSBD 的优点:TRR 高速性、低恢复损耗、反向电流小、可实现小型化和 高频工作等。由于 SiC 材料耐压、耐高温,SiC-SBD 基本不存在温度依 赖性,还将 SBD 应用范围从 250V 提升到 1200V,部分产品电压达到 1700/3300V。SiC-SBD 仅电子移动产生电流,Si-FRD 利用 PN 结二极管 通过电子和空穴(孔)产生电流,关断速度慢、TRR 特性较差且损耗较 大。现阶段,SiC-SBD 在部分高压硬开关拓扑的应用中(通信/服务器/工 业/汽车 AC-DC 电源换流二极管,变频器/逆变器续流二极管等)对 SiFRD 形成替代,SiC-PiN 和 SiC-JBS 相比硅基器件耐压性、耐高温性和 高频性等更好。英飞凌、罗姆、科瑞和意法半导体产品种类占比达 53%, 国内已实现 600V~1700VSiC 二极管产品批量销售,代表企业为中电科 55 所、泰科天润、世纪金光、国联万众等。

  SiC-MOSFET 替代目标为高压(≥650V)的 Si-MOSFET 和 IGBT。 MOSFET 是通过给金属层(M-金属铝)栅极和隔着氧化层(O-绝缘层SiO2) 源极施加电压,产生电场来控制半导体(S)导电沟道开关的场效应晶体管 (FET)。MOSFET 优点在于开关速度快(几十至几百纳秒)、开关损耗 很小、稳定性高,缺点在于高压环境下电阻增大,传导损耗增大。在 650V 以上高压下,Si 材料导通电阻很大,因此常采用 IGBT 结构调制电导率 以降低导通电阻,缺点是在关断时产生拖尾电流,开关损耗较大。SiCMOSFET 继承了硅基器件的优异特性,关断损耗和导通损耗很小,同时 由于漂移层更薄、导通电阻极低、耐压性更好,不会产生拖尾电流,而 且可以实现高频驱动,有利于电路节能和散热设备及被动设备的小型化。 目前市场上共有 180 余款 SiC-MOSFET 系列产品,科瑞和罗姆产品占比 达 43%,击穿电压 650V~1700V,导通电流超过 100A;国内目前处于起 步阶段,中电科 55 所、泰科天润、世纪金光、基本半导体、国联万众等 企业已推出产品,击穿电压集中在 1200V。

  IGBT 应用非常广泛,SiC-IGBT 限于研发进度尚未实现产业化。IGBT 是 BJT(双极型三极管)和 MOS(绝缘栅型场效应管)组成的复合式半 导体,通过电压驱动控制通断(与 MOSFET 原理类似),IGBT 拥有高输 入阻抗和低导通压降特点,缺点在于高频开关时损耗增大。IGBT 应用范 围一般在耐压 600V 以上,电流 10A 以上频率 1KHz 以上,是电机驱动 核心,广泛应用于逆变器、变频器等,在 UPS、开关电源、电车、交流电机等领域对 GTO、GTR 等形成替代。SiC-IGBT 作为双极器件,在阻 断电压增大时,导通电阻增加很小,非常适合高压大功率领域,现阶段 由于研发起步晚,SiC-IGBT 尚未实现产业化。

  碳化硅产业链上下游清晰,衬底和外延是核心环节,价值量占比达70%。 SiC 产业链主要包括上游衬底和外延制备、中游器件和模块制作以及下 游终端应用。从成本结构上看,根据亿渡数据,传统硅基器件衬底价值 量仅 7%左右,核心为晶圆制造设备,占比 50%;与之相比,SiC 器件中 衬底约占成本 47%,外延约占 23%,器件制造仅占到 19%。

  衬底市场规模增长较快,导电型衬底占多数。碳化硅衬底主要分为导电 型衬底和半绝缘性衬底,主要区别在于电阻率不同,导电型衬底电阻率区间为 15~30Ω·cm,半绝缘型衬底电阻率高于 105Ω·cm。根据 Yole 数 据,半绝缘型碳化硅衬底全球市场规模由 2019 年的 1.52 亿美元增长至 2021 年的 2.10 亿美元,导电型碳化硅衬底市场规模从 2018 年的 1.70 亿美元增长至 2021 年的 3.80 亿美元,增长较快。得益于下游市场的大 量需求,至 2023 年,半绝缘型碳化硅衬底市场将增长至 2.81 亿美元, 导电型碳化硅衬底市场将增长至 6.84 亿美元。

  衬底大型化可增加单批次芯片产量和降低边缘损耗,有望降低制造成本。 目前,单片 6 英寸碳化硅约 900-1000 美元,而单片 6 英寸硅衬底单价在 50 美元以下,相差数十倍,阻碍了碳化硅产业化。碳化硅降本核心在于 扩大衬底尺寸、提升长晶速度和生产良率。根据 Wolfspeed 数据,衬底 单片尺寸从 6 英寸扩大到 8 英寸时,单批次芯片产量从 448 增长到 845, 同时边缘损失率从 14%降低到 7%,大大提高了晶圆利用率。

  成本降低循序渐进,8英寸衬底预计 2024年开始具备优势。衬底扩径对 生产工艺和设备要求更严格,8 英寸衬底还存在诸多技术问题:首先是 8 英寸籽晶的研制,其次要解决大尺寸带来的温场不均匀、气相原料分 布和输运效率问题,还要解决应力加大导致晶体开裂问题。衬底尺寸从 6 英寸发展到 8 英寸,单位面积成本首先会因为良率问题有所上升,随 着技术成熟度上升和竞争加剧而逐渐下降。根据 Wolfspeed 预测,8 英寸 衬底于 2024 年全面达产,单位面积制造成本相比 2022 年 6 英寸衬底降幅超过 60%。根据 PGC Consultancy 的成本预测模型,2023-2024 年碳化 硅 8 英寸衬底开始具备经济型;到 2030 年,使用 8 英寸衬底制作的 1200V/100A MOSFET 器件的成本相比 2022 年使用 6 英寸制作的同规格 器件,有望降低 54%(最好情况降低 57%,最差情况降低 50%)。

  国际厂商转向 8 英寸,国内主流 4 英寸,8 英寸已展开布局。现阶段, 国际主流尺寸为 6 英寸,逐渐向 8 英寸发展,尺寸大型化可使边缘损失 率降低为 7%,提高衬底利用率。2022 年 4 月 Wolfspeed 在美国纽约州 莫霍克谷的全球首条 8 英寸碳化硅制造设施开业。国内由于起步晚、产 业化程度低,目前主要尺寸为 4 英寸,天岳先进和天科合达发展迅速, 三安光电、露笑科技等也正加大布局力度。

  衬底价格昂贵制约发展(近当前硅片的 10倍),2023年 SiC材料渗透率 约 3.75%。根据 EE World 数据,2022 年 SiC 龙头 Wolfspeed 的 6 英寸 导电型衬底单片价格约 1000美元,而12 英寸硅片价格仅100美元左右, 半绝缘型衬底单价则是同尺寸导电型衬底的 2-3 倍。成本高企严重制约了 SiC 材料的产业化,根据 Yole 统计,2023 年半导体材料中 90%以上 仍然为 Si,而 SiC 的渗透率预计仅为 3.75%。 成本高企核心在于优质产能不足和良率较低。衬底是碳化硅产业链中技 术壁垒最大环节,产业集中度较高,优质产能供应不足。目前,导电型 衬底 CR3 高达 89%,Wolfspeed 一家独大,占据 62%市场份额,天科合 达发展较快,占比达 4%。半绝缘型衬底 CR3 高达 98%,Ⅱ-Ⅵ、Wolfspeed 和山东天岳三分天下。成本高企另一原因在于工艺难度较大,良率较低。 SiC 衬底工艺包括原料合成、晶体生长、切抛磨等环节,晶体生长最核 心,难点在于长晶速度慢、生长条件严苛、易产生多型夹杂缺陷等;切 割环节是制约产能释放的主要瓶颈,难点在于 SiC 硬度高、表面质量和 精度要求高等。目前硅片良率可达 90%,而 SiC 方面,Wolfspeed 综合 良率约 60%,国内厂商综合良率约 40%,整体偏低。

  衬底制备是最核心环节,难度集中在晶体生长和衬底切割。从原材料到 碳化硅器件需要经历原料合成、晶体生长、晶体加工、晶片加工、外延生长、晶圆制造和封测等工艺流程。衬底制备是最核心环节,技术壁垒 高,难点主要在于晶体生长和切割;外延生长关键环节,影响最终器件 性能。SiC 晶圆制造与硅晶圆类似,通过涂胶、显影、光刻、减薄、退火 等前道工艺加工成晶圆,经后段工艺制成芯片,用于制造各类器件及模 组,通过验证后即可用于汽车、光伏等应用领域。

  SiC衬底是芯片底层材料,主要技术难点在于晶体生长。衬底是沿晶体 特定结晶方向切割、研磨、抛光,得到的具有特定晶面和适当电学、光 学及机械特性,用于生长外延层的洁净单晶圆薄片。SiC 单晶衬底是半 导体芯片的支撑材料、导电材料和外延生长基片,主要起到物理支撑、 导电等作用。生产碳化硅单晶衬底的关键步骤是晶体生长,也是碳化硅 半导体材料应用的主要技术难点,是产业链中技术密集型和资金密集型 的环节。SiC 单晶生长方法主要有:物理气相传输法(PVT)、高温化学 气相沉积法(HTCVD)和以顶部籽晶溶液生长法(TSSG)为主流的高温溶 液生长法(HTSG)。

  PVT 法技术成熟、原理简单、成本较低,是应用最广、商业化程度最高 的衬底制备方案。目前, Wolfspeed、Ⅱ-Ⅵ、SiCrystal(Rohm 子公司) 和天岳先进、天科合达等企业均采用 PVT 法生产 SiC 衬底。主要技术难 点在于: 1)粉体纯度要求高,主要采用改进自蔓延高温合成法。PVT 法通过SiC 粉料的高温分解与结晶来实现单晶生长,粉体杂质含量低于 0.001%。改 进自蔓延高温合成法是目前工艺最成熟、使用最广的粉体制备方法。 2)长晶速度慢,封闭生长可控性有限。硅棒一般 2-3 天可拉出约 2m 长 的 8 英寸硅棒,PVT 法下 SiC 7 天才能生长约 2cm 晶体。SiC 良品参数 要求高,核心参数包括微管密度、位错密度、电阻率、翘曲度、表面粗 糙度等,但生长过程在密闭高温腔体进行,工艺可控性有限。 3)晶型多样,易产生多型夹杂缺陷。SiC 单晶有 200 多种晶型,一般仅 需一种晶型(如 4H),因此需要精准控制硅碳比、温度梯度、外部杂质 引入以及气流气压等,量产性能稳定的高品质 SiC 晶片技术难度大。 4)扩径难度很大,扩径可提高晶圆利用率降低制造成本,PVT 法下 SiC 扩径难度极大,随着晶体尺寸的扩大,生长难度工艺呈几何级增长。

  HTCVD 法可控性较好,国内已有相关设备下线。HTCVD 法利用硅源 和碳源气体的高温化学反应实现单晶生长,优点在于:1)可通过连续供 源实现晶体稳定持续生长;2)省去粉料合成过程,可以制成一体化设备。 缺点在于 HTCVD 法和 PVT 一样需要高温条件,需要用到多种气体,成 本较高,而且生长过程存在多种附带。目前,意法半导体、丰田集团和 电装集团等已实现 HTCVD 规模化生产碳化硅晶体,国内江苏超芯星已 研制出 HTCVD 碳化硅单晶生长设备。 TSSG法有望成为制备大尺寸、高结晶质量且成本更低的衬底制备方法。 高温溶液生长法通过 Si 和 C 元素在高温溶液中的溶解、再析过程实现 SiC 单晶生长,其中 TSSG 法由于具有生长温度低、易扩径、晶体质量 有高、易实现 p 型掺杂等优点,为业界所看好。目前,液相碳化硅晶体 生长的研发主要集中在日本、韩国和中国,主要包括日本住友金属、丰 田汽车、三菱电机、东京大学和名古屋大学等,韩国陶瓷工程技术研究 所、东义大学、延世大学等,以及中国中科院物理所、北京晶格领域和 常州臻晶半导体等。

  由于 SiC 材料硬度高、脆性大、化学性质稳定,加工难度大。碳化硅晶 锭需要借助 X 射线单晶定向仪定向再磨平、滚磨成标准尺寸的碳化硅晶 棒。晶棒要制成 SiC 单晶片,还需要以下几个阶段:切割—粗研—细研 —抛光,简称切抛磨,切抛磨工艺环节难度相对较小,各家差距不大, 工艺路线基本一样。SiC 切抛磨工艺的挑战在于:(1)硬度大:SiC 单晶 材料莫氏硬度分布在 9.2-9.6 之间,仅比金刚石硬度低 0.5 左右,因此切割速度慢,切一片要 2 天,且易破碎,一般要损失掉一半左右。(2)化 学稳定性高:几乎不与任何强酸或强碱发生反应,室温下能抵抗任何已 知的酸性腐蚀剂;(3)加工机理及缺陷扩散的研究欠缺。

  切割是衬底加工中首要关键的工序,成本占总加工成本50%以上。切割 是碳化硅晶棒第一道加工工序,决定了后续研磨、抛光的加工水平,切 片后需要使用全自动测试设备进行翘曲度(Warp)、弯曲度(Bow)、厚 度变化(TTV)等面型检测。切割工艺的演进主要经历了:1)传统的内 圆锯切割和金刚石带锯。2)目前较多提及且较有效的电火花切割、线锯 切割(包括游离磨砂线锯切割和金刚石线锯切割)、激光切割、冷分离工 艺等。3)水导激光切割等具备未来应用前景的新型工艺。 传统锯切工具缺陷多效率低,不适用于碳化硅晶体切割。内圆切割机使 用环形不锈钢内圆刀片,内刃口镀金刚砂颗粒,周边采用机械方式张紧, 切缝宽、翘曲度大、表面质量差、精度低、噪声大而且仅可切割直线表 面。金刚石带锯需要频繁停止和换向,切削速度非常低,一般不超过 2 m/s,机械磨损大,维修费用高,而且受限于锯条宽度,切割曲率半径不 能太小,只能进行单片切割,不能进行多片切割。传统锯切方式材料损 耗大、加工效率低,不适用于工业化碳化硅晶片切割。

  固结磨料金刚线切割成为主导,但存在损耗率及效率问题。20世纪90 年代中期,游离磨料砂浆切割取代传统锯切工艺,并随着光伏行业兴起 而爆发,逐渐广泛应用于半导体行业。游离磨料砂浆切割利用线锯快速 运动,将砂浆中的磨料颗粒带入锯缝达到“滚动-压痕”机制以去除材料, 实现了多片同时切割,产率高且耗损率低,已广泛用于单晶和多晶硅切 割,缺点是存在切割速度低、精度差、晶片厚度不均匀、砂浆回收难造 成环境污染等问题。固结磨料金刚线切割通过电镀、树脂粘结、钎焊或 机械镶嵌等方式将金刚石磨粒固结在切割线上,借助金刚线高速运动完 成切割,根据金刚线运动方式不同可分为单向式、往复式和环形式,往 复式切割单位长度有效利用度高、速度快,成为目前 SiC 晶体切割主流工艺。

  激光切割逐渐兴起,工艺精细效率更高。目前针对 SiC 材料较为有效的 切片方法除了固结磨料金刚线切割,还有电火花切割、激光切割、冷分 离工艺等。电火花切割主要利用脉冲放电的电蚀作用进行切割,但存在 切缝宽、表面烧伤层厚度大等缺点。激光切割是通过激光处理,在晶体 内部形成改性层从碳化硅晶体上剥离出晶片,属于非接触无材料损失加 工,并且具有切割断面质量好、切割效率高、清洁安全无污染等优点。 冷分离切割利用激光在晶锭内部形成角质层点平面,在上表面涂覆特制 分离材料并冷冻,遇冷收缩分离晶圆薄片。

  为提高切片效率,国外企业开始采取更为先进的激光切割技术。2016年 日本 DISCO 开发了新型激光切片技术 KABRA,通过激光连续照射钢 锭,在指定深度形成分离层分离晶片,可用于各类 SiC 铸锭。优势主要 有:(1)显著提高切割效率,现有工艺 3.1h 才能切割 1 片 6 英寸 SiC 晶 圆,而 KABRA 技术仅需 10 分钟。(2)省去研磨过程,因为分离后的晶 圆波动可控。(3)晶圆生产数量相比现有工艺增加了 1.4 倍。2018 年 11 月,英飞凌以 1.24 亿欧元收购晶圆切割初创企业 Siltectra GmbH,后者 开发了冷裂工艺(Cold Split),通过专利激光技术定义范围、涂覆专 用聚合物材料、控制系统冷却诱导应力精准材料和研磨清洗等实现 晶圆切割。冷裂可将 SiC 产能提升 3 倍以上,每片晶圆损失低至 80μm, 而且晶圆减薄仅需几分钟,对晶锭采用冷裂工艺可降低损失比例 50%。

  水导激光切割等新型工艺提供厚材料、低损伤切割新思路。水导激光加 工(Laser MicroJet,简称 LMJ)利用导水激光器将激光聚焦并导入微型 水柱中,水柱可以在稳定范围内加工,而且长有效工作距离特别适合于 厚材料切割。水导激光切割可以利用水流带走热量和切屑,规避传统激 光切割两侧热损伤问题。理论上水导激光切割具备应用前景,但现阶段 由于技术难度较大,相关设备成熟度不高等,尚不适用于碳化硅晶片制造。

  设备端以金刚线切割机为主,激光切割逐渐发展,国产品牌发展迅速。 2016 年以前,光伏切割设备领域占主导地位是以瑞士 Meyer Burger 公 司、HCT 公司,日本高鸟、小松 NTC 等为代表的国际厂商;激光切割 方面则由日本半导体设备巨头 DISCO 主导。近年来国产品牌发展迅速, 国产光伏切割设备已经占据市场主导地位。目前国内碳化硅切割设备主 流为金刚线切割设备,主要集中于高测股份、上机数控、连城数控、宇 晶股份等国内企业;激光切割设备目前试产份额较小,主要集中于德龙 激光、大族激光等国内企业。

  切割片存在损伤层,需要通过磨削、研磨、抛光和清洗环节提高表面质 量和精度。切割片通常采用砂轮磨削和研磨相结合来去除刀痕及表面损 伤层,超声振动辅助磨削和在线电解修整辅助磨削可以提高磨削质量。 研磨分为粗磨和精磨,粗磨使用粒径较大磨粒,可有效去除刀痕和变质 层;精磨使用粒径较小磨粒,可改善表面光洁度和平整度。抛光进一步 消除表面划痕、降低粗糙度和消除加工应力,化学机械抛光工艺(CMP) 是实现 SiC 单晶片全局平坦化最有效的方法,是实现加工表面超光滑、 无缺陷损伤的关键工艺。抛光后需借助 X 射线衍射仪、原子力显微镜、表面平整度检测仪、表面缺陷综合测试仪等设备检测各项参数指标来判 定晶片等级。随后需在百级超净间内,使用清洗药剂和纯水清洗,去除 微尘、金属离子、残留抛光液等沾污物,再借助超高纯氮气和甩干机吹 干、甩干,并封装在洁净片盒内。

  外延层是晶圆上生长的微米级单晶层,极大影响器件性能。SiC器件制 作工艺不同于传统硅基器件,不能直接制作在 SiC 单晶材料上,必须基 于单晶衬底额外生长特定的一层微米级新单晶,再在外延层上制造器件。 外延层主要作用在于消除 SiC 晶体生长和加工过程产生的表面或亚表面 缺陷,使晶格排列整齐,大大改善衬底表面质量。SiC 衬底上可异质生 长 GaN 外延层,主要用于制造中低压高频功率器件(小于 650V)、大功 率微波射频器件以及光电器件;也可同质生长 SiC 外延层,主要用于制 造功率器件。由于宽禁带半导体器件几乎都做在外延层上,所以外延层 质量对器件性能有很大影响。

  化学气相沉积法(CVD)工艺可控性强,是外延生长的主要方法。外延 生长方法包括:蒸发生长法、液相外延生长(LPE)、分子束外延生长 (MBE)、化学气相沉积(CVD)。 CVD 是同质外延批量生产的主要方 法,优势在于可以很好地控制 C/Si 原子比率、反应室温度与压力,精准 控制外延层厚度、背景掺杂浓度和掺杂类型。早期 CVD 法采用无偏角 衬底方式生产外延,但存在严重的多型夹杂缺陷;台阶控制外延法通过 特定偏角斜切衬底,可实现低温条件下(1200℃)复制衬底的堆垛次序 消除多型体共存缺陷。为了提升外延生长速度,TSG 法应运而生,主要采用采用三氯氢硅(TCS)作为硅源,比起常规的硅源它的外延速率会提 高 10 倍以上。

  随着功率器件制造要求和耐压等级提高,SiC外延向低缺陷、高厚度方 向发展。随着器件耐压等级提升,外延厚度随之增加。在 600V 低压领 域,所需外延层厚度约 6µm;在 1200~1700V 中压领域,所需外延层厚 度约 10-15µm;在 10000V 以上高压领域,所需外延层厚度达到 100µm 以上。目前中低压外延技术较成熟,可以满足中低压的 SBD、JSB、 MOSFET 等器件需求;而高压领域还有不少难关需要攻克,主要体现为 缺陷控制方面。目前, Wolfspeed、Ⅱ-Ⅵ、ROHM、英飞凌等国外厂商 多为衬底+外延垂直整合模式,国内衬底与外延分属两个不同环节,代表 厂商为瀚天天成、东莞天域。外延设备则基本由海外企业垄断,意大利 LPE、德国 Aixtron、日本 Nuflare 市场占比高达 87%,国内设备厂家如 中电科 55 所、三安集成、苏州希科等产品逐渐得到认可。

  工艺流程与硅基器件大体类似,材料不同要求特定工艺与设备。碳化硅 器件也包括器件设计、晶圆制造和封测等环节,晶圆制造主要包括涂胶、 显影、光刻、清洗、减薄、退火、掺杂、刻蚀、氧化、磨削、切割等前 道工艺约三百多道工序。由于材料特性的不同,部分工序需要特定设备 和特定工艺,与硅制程设备无法完全通用。主要差异在于: 1)光刻对准:双面抛光的 SiC 晶圆是透明的,光刻工艺难以适应,各设 备传送、取片难以定位,CD-SEM 和计量测量变得复杂。 2)蚀刻工艺: SiC 在化学溶液中呈惰性,只有干法刻蚀可行,需重新 开发掩膜材料、混合气体、侧壁斜率、蚀刻速率、侧壁粗糙度等。 3)掺杂工艺:SiC 扩散温度远高于 Si,高温高能离子注入成为唯一的 SiC 制造掺杂方法,但这会破坏材料的晶格结构,所以还需要在 1600℃的条 件下使用高温退火工艺恢复结构,是否具备高温离子注入机是衡量碳化 硅生产线)MOSFET 栅极氧化:SiC-MOSFET 器件的栅氧质量直接影响沟道的 迁移率和栅极可靠性,导致阈值电压不稳定,需要开发钝化技术,以提 高 SiC/SiO2 界面质量。

  我们认为当前碳化硅市场将是需求激增带来的产能供给扩张,已前瞻布 局的设备厂商有望从中实现订单兑现。根据我们对于供需端的分析,1) 需求端:导电性衬底需求受新能源车需求的催生,光伏应用作为第二大 应用市场前景广阔,我们测算至 2026 年合计有 455.7 万片的新增潜在市 场需求;2)供给端:我们预计伴随国内外各大厂商积极扩产,至 2026 年行业合计产能将达到 839.2 万片,为设备厂商带来广阔增量,对应 2026 年 251.8 亿元的总设备市场空间和 48.0 亿元新增设备空间,切片机设备 按照 14%的价值量占比测算,切片机总市场空间约为 35.3 亿元,新增市 场空间为 6.72 亿元。2026 年预计总产能中,导电型衬底若按照 78.9%占 比,衬底良率 60%计算,导电型衬底有效产能约为 397.3 万片,相较于 需求而言,存在约 58.4 万片的有效产能缺口,对应约 29.2 亿元衬底设 备投资空间与 4.1 亿切片机投资空间。

  耐高压+耐高温+低损耗,碳化硅性能优势主要应用于新能源车、光伏领 域。目前碳化硅电力电子器件已经开始应用于新能源车和光伏逆变器中, 后续有望凭借产业链降本增效,在风能、储能、消费电子等领域得到更 广泛的应用,据 Yole 数据,2021 年碳化硅功率器件下游细分市场中, 新能源车占比最高,达 62.8%,能源领域应用占比达 14.1%,工业领域 和运输领域下游应用占比分别为 11.6%和 7.2%。

  应用场景 1:新能源汽车主驱逆变器需求领航。同样工况下,相较于硅 基功率器件,碳化硅功率器件具备耐高压、耐高温、大功率和高频工作、 低损耗等优良性能,率先在新能源车领域得到广泛应用,应用场景主要 包括车载电机驱动器、车载充电机(OBC)、DC/DC 转换器以及非车载 的充电桩产品。通过搭载碳化硅基的功率半导体器件,新能源车有望实 现电力电子器件的小型化、轻量化和高效化,也能够削减冷却系统成本、 改善车辆电力消耗、增加整车续航里程,从而降低整车成本。

  新能源车应用碳化硅功率器件已具备经济性:按照单电机的纯电动车主 驱 IGBT 器件的价值量约为 1000-1500 元计算,高端车型采用双电机结 构,其单车主驱 IGBT 器件价值量为 2000-3000 元。若 SiC MOSFET 价 格为 Si IGBT 的三倍,则使用碳化硅器件的新增成本约为 4000-6000 元。 据 Wolfspeed 数据,使用 SiC MOSFET 整车可以提升 5%-10%的续航里 程。据 Virtual Capitalist 数据,按照新能源车电池 101$/kWh 计算, 100kWh 电池成本约 10100 $(折合人民币约 70000 元),若通过缩减 5% 电池容量则可降低成本 3500 元,同时考虑到冷却系统成本缩减和损耗 降低带来的电费成本节省,新能源车应用碳化硅功率器件具备良好的经 济性。

  我们预计 2026 年新能源车领域新增碳化硅衬底需求(折合到六英寸) 将达到 347.3万片/年。根据我们上述测算,碳化硅功率器件已具备应用 经济性,且伴随产业链降本增效,新能源车中碳化硅功率器件渗透率不断提升,至 2026 年碳化硅在新能源车主驱逆变器中的渗透率有望突破 至 30%,而车载充电机、DC/DC 转换器中的碳化硅器件渗透率有望在 2026 年达到 70%,为此我们认为新能源车市场是碳化硅衬底需求的主要 推动力。

  预测假设: 1)根据第三代半导体产业技术创新战略联盟 CASA 报告,到 2026 年车 用主逆变器第三代半导体功率器件的渗透率将达到 20%-30%,我们假设 2022-2026 年碳化硅功率器件在新能源车主驱逆变器中的渗透率分别为 15%/20%/27%/32%/35%,2022-2026 年碳化硅功率器件在新能源车其他 车载部件(含车载充电机、DC/DC 转换器)中的渗透率分别为 30%/40%/50%/60%/70%。 2)以特斯拉 Model 3 作为参考,其主驱逆变器采用了 24 个碳化硅模块, 每个碳化硅模块包含 2 个碳化硅裸晶,共计 48 颗 SiC MOSFET。以 Wolfspeed 官网 22kW 双向 OBC 拓扑结构为参考,其采用了 14 颗 SiC MOSFET。以 Wolfspeed 官网 6.6kW DC/DC 转换器拓扑结构为参考,其 采用了 4 颗 SiC MOSFET。以安森美 25 kW 快速电动汽车充电桩模块为 参考,其中用到了 14 颗 SiC MOSFET。 3)根据 Wolfspeed 数据,四英寸、六英寸、八英寸碳化硅衬底能够生产 32mm2 裸晶颗数分别为 199、448、845 颗,所有衬底需求折算为 6 英寸。 4)假设 2022-2026 年单车主驱碳化硅裸晶(32mm2 )耗量分别为 48、50、 54、60、64,新能源车其他部件碳化硅裸晶(32mm2 )耗量分别为 18、18、 20、25、30。 5)假设 2022-2026 年,碳化硅功率半导体器件制造良率缓慢提升,分别 为 60%、62%、64%、66%、68%。

  应用场景 2:受益于光伏电站电压、电流等级提升,碳化硅器件应用前 景广阔。近年来光伏电站直流侧电压等级逐渐从 1000V 提升到 1500V, 未来光伏电站电压等级有望进一步提升至 1700V,系统电流也将逐步达 到 20A 的大电流。未来光伏电站高电压、大功率的场景下,若采用硅基 IGBT 器件,系统的拓扑结构会更加复杂、且消耗更多的电子器件,逆变器的体积和重量会进一步增加。通过搭载碳化硅功率器件,光伏逆变器 转化效率能从 96%提升至 99%,能量损耗降低一半以上,极大延长设备 的使用寿命,降低系统冷却要求,缩小设备的体积,减轻系统的重量。

  我们预计 2026年光伏领域新增碳化硅衬底需求(折合到六英寸)将达 到 108.4 万片/年。据 CASA 预测,碳化硅功率器件在光伏逆变器领域的 渗透率有望在 2025 年达到 50%,带来碳化硅衬底需求的快速增长,我 们认为光伏市场是碳化硅衬底需求的重要推动力。

  根据产能梳理,我们预计至 2026年碳化硅衬底名义产能达 839.2 万片, 对应设备总市场空间 251.8 亿元,当年市场空间 48.0 亿元。2023-2026 年,预计国外龙头企业 Wolfspeed、Coherent 有望凭借先发优势,碳化硅 衬底产能将率先突破百万片;国内厂商也在陆续扩产,其中东尼电子、 天科合达产能扩张较快。根据 Yole 市场空间预测数据,2026 年全球导 电型碳化硅衬底市场规模约占衬底总市场规模的78.9%,假设衬底良率为 60%,我们折算出 2026 年导电型衬底有效产能约为 397.3 万片,相比于 455.7 万片的需求,仍存在约 58.4 万片的有效供给缺口,对应约 29.2 亿 元设备投资空间。

  2022 年天岳先进上海临港工厂募资项目,每 10 万片衬底产能的设备投 资约为 4 亿元。结合 2021 年晶盛机电定增公告,其碳化硅衬底晶片项 目中,每 10 万片衬底产能设备投资约为 6 亿元。考虑技术快速迭代带 来的设备投资下降,我们估计 2023-2026 年每 10 万片碳化硅衬底设备投 资额分别为 3.8/3.5/3.2/3 亿元。参考晶盛机电公告,其年产 40 万片及 以上 6 英寸碳化硅衬底晶片项目中,设备购置及安装成本中,晶体生长 炉成本占比 50.6%,切片机成本占比 14.3%,原料合成炉成本占比10.1%, 粗抛光机成本占比 5.7%;其他支出占比 19.2%。

  1)Wolfspeed:根据 Wolfspeed 2021 年投资者日资料,预计 2022 年公司 产能达到 16.7 万平方英尺,按照 6 英寸衬底 176.71 平方厘米折算,年 产能规划约为 87.8 万片;预计 2024 年公司产能达到 24.2 万平方英尺, 对应 2024 年产能规划约为 127.2 万片。公司提出 65 亿美元扩产计划, 在建项目包括位于北卡罗来纳州占地 445 英亩的碳化硅材料工厂(一 期项目预计于 2024 年末竣工)以及 2023 年 2 月宣布的德国萨尔州工 厂。我们预计 Wolfspeed 2023-2026 年衬底产能(折合为 6 英寸)为 107.5/127.2/147.2/167.2 万片。

  5)安森美:安森美 2021 年收购 GTAT 开始布局衬底。2022 年 7 月,安 森美在京畿道富川市投资 10 亿美元,建立一个新的研究中心和晶圆制 造厂,拟于 2025 年竣工。2022 年 8 月,安森美在新罕布什尔州哈德逊 的碳化硅工厂剪彩落成,该基地将使安森美 2022 年底 SiC 晶圆产能同 比增加五倍。2022 年 9 月,安森美在捷克罗兹诺夫扩建的碳化硅工厂落 成。据此我们预计安森美 2023-2026 年衬底产能(折合为 6 英寸) 8/12/16/20 万片。

  6)天岳先进:2021 年公司衬底产能约为 6.7 万片,其中半绝缘衬底仍以 4 英寸为主。公司 2022 年上市募集资金 20 亿元用于其上海临港新工厂 的建设,新工厂建设周期为 6 年,拟于 2026 年实现满产,实现 6 英寸导 电型碳化硅衬底年交付超过 30 万片,一期项目原定于 2022 年三季度投 产,受疫情影响有所延误。结合公司最新公告,我们预计天岳先进 2023- 2026 年衬底产能(折合为 6 英寸)10/20/28/36 万片。

  7)天科合达:公司目前北京大兴一期工厂已经开始进入全面达产阶段, 预计 2023 年深圳工厂产能逐渐爬坡,当前正拟募资新建北京大兴 2 期 和徐州 2 期的扩产项目。结合公司业绩指引,我们预计天科合达 2023- 2026 年衬底产能(折合为 6 英寸)21/40/60/80 万片。

  8)东尼电子:公司于 2021 年 12 月宣布定增项目,建设周期为 3 年,满 产之后实现年产 12 万片产能碳化硅半导体材料。2021 年 1 月,公司与 下游客户签订重大销售协议,根据公告内容,我们预计东尼电子 2023- 2026 年衬底产能(折合为 6 英寸)13.5/30/60/70 万片。

  9)露笑科技:公司 2022 年底衬底产能规划为 5000 片/月,2023 年 6 英 寸导电型衬底产能规划为 20 万片。公司合肥二期项目设计产能为年产 10 万片 8 英寸碳化硅衬底,按照项目期两年估计。我们预计露笑科技 2023-2026 年衬底产能(折合为 6 英寸)20/20/30/35 万片。

  10)同光晶体:2021 年 9 月,同光晶体年产 10 万片 4-6 英寸碳化硅单 晶衬底项目投产。我们预计同光晶体 2023-2026 年衬底产能(折合为 6 英寸)10/10/10/10 万片。

  11)烁科晶体:2022 年末公司月产能约为 8000 片,4 英寸半绝缘为主 6 英寸小批量供应、8 英寸导电型小批量生产。公司产能规划到 2025 年实 现年产 30 万片的产能。我们预计烁科晶体 2023-2026 年衬底产能(折合 为 6 英寸)12/20/30/40 万片。

  12)三安光电:2022 年公司半年报披露其月产能为 6000 片,其湖南三 安半导体项目预计 2025 年达产,规划配套年产能 36 万片。我们预计三安光电 2023-2026 年衬底产能(折合为 6 英寸)16.8/26.4/36/46 万片。

  13)国宏中能:公司年产 4-6 英寸导电型和半绝缘衬底片 11 万片 SiC 衬 底片项目 2021 年 1 月启动试生产,2021 年 6 月项目一期工程投产。我 们预计国宏中能 2023-2026 年衬底产能(折合为 6 英寸)7/9/11/11 万片。

  14)中科钢研:公司目前南通、青岛均有衬底产能,南通工厂设计年产 能为 4 英寸 N 型碳化硅晶体衬底片 5 万片、6 英寸 N 型碳化硅晶体衬底 片 5 万片、4 英寸高纯度半绝缘型碳化硅晶体衬底片 1 万片。青岛工厂 年产能为 5 万片 4 英寸 SiC 晶体衬底片,5000 片 4 英寸高纯度半绝缘型 SiC 晶体衬底片。我们预计中科钢研 2023-2026 年衬底产能(折合为 6 英 寸)9/9/9/9 万片。

  15)世纪金光:公司年产 3 万片 6 英寸碳化硅单晶衬底项目已于 2022 年 9 月投产。2021 年 7 月,公司宣布将在金华建设年产 22 万片 6-8 英寸碳 化硅芯片产线,项目分三期完成建设,按照建设期 6 年估计,我们预计 世纪金光 2023-2026 年衬底产能(折合为 6 英寸)5/10/13/17 万片。

  16)微芯长江:碳化硅项目厂房于 2021 年竣工,该项目预计达产后可实 现年产 4 英寸衬底 5 万片、6 英寸衬底 20 万片,我们预计微芯长江 2023- 2026 年衬底产能(折合为 6 英寸)10/22/25/30 万片。

  17)科友半导体:公司 2022 年 6 英寸碳化硅单晶衬底产能约为 4-5 万 片,后续预计项目全部达产后可形成年产 10 万片 6 英寸碳化硅衬底的 生产能力,2023-2024 年产能规划为 20~30 万片碳化硅衬底的产能,公 司已经在 8 英寸技术中有所突破。我们预计科友半导体 2023-2026 年衬 底产能(折合为 6 英寸)10/15/20/30 万片。

  18)中国电科:2020 年 2 月,中国电科(山西)碳化硅材料产业基地在 山西转型综合改革示范区正式投产。项目设计产能为年产 10 万片 4-6 英 寸 N 型(导电型)碳化硅单晶晶片、5 万片 4-6 英寸高纯半绝缘型碳化 硅单晶晶片。我们预计中国电科 2023-2026 年衬底产能(折合为 6 英寸) 15/15/15/15 万片。

  19)天达晶阳:公司扩产项目分为两期,第一期为年产 4 英寸碳化硅晶 片 1.2 万片,使用单晶生长炉 54 台,第二期年产分别为 4-8 英寸碳化硅 晶片 10.8 万片。当前一期项目已经完成。我们预计天达晶阳 2023-2026 年衬底产能(折合为 6 英寸)1/5/10/12 万片。

  20)博兰特:2020 年公司 7 月公司年产 15 万片第三代半导体碳化硅衬 底项目开工。按照项目期 4 年估计,我们预计博兰特 2023-2026 年衬底 产能(折合为 6 英寸)1/5/10/15 万片。

  21)中电化合物:当前公司衬底产能约为 2 万片,2022 年公司提出拟分 两期建成年产 8 万片 4-6 寸碳化硅衬底及外延片、碳化硅基氮化镓 N 外 延片生产能力,按照项目期 4 年估计。我们预计中电化合物 2023-2026 年衬底产能(折合为 6 英寸)2/2/4/6 万片。

  此外,优晶、溢泰半导体、晶格领域、超芯星、荃芯半导体等公司均在 衬底环节有所布局,但无具体产能规划,未纳入统计范围。

  高测股份主要从事高硬脆材料切割设备与耗材的研发、生产与销售。高 测股份成立于 2006 年,产品主要应用于光伏行业硅片制造环节。公司的 主要品类有切割设备与切割耗材,切割设备包括单/多晶截断机、单/多晶 开方机、磨倒一体机、金刚线切片机等;切割耗材为金刚线。公司持续 研发新品,推进金刚线切割技术在光伏硅材料、半导体硅材料、蓝宝石 材料、磁性材料等更多高硬脆材料加工领域的产业化应用。

  近三年归母净利润增速迅猛,切割装备与切割耗材在营业收入中占比最 大。公司切割设备 2022 年营业收入 14.74 亿元,同比增长 50.41%,营 业收入占比 62.57%,受代工服务占比提升影响,较 2021 年占比减少 20.92%;公司切割耗材 2022 年营业收入 8.4 亿元,同比增长 188.15%, 营业收入占比 23.74%,较 2021 年占比增加 5.12%。公司 2022 归母净利 润为 7.89 亿元,同比增长 356.66%。

  产能持续增长,2023 年金刚线万千米,硅片切割产 能预计可达 38GW。 1)在金刚线 年全年金刚线 万千米, 同比增加 300%,2022Q1“单机十二线”技改活动已全部完成,2022 全年 金刚线产能大幅提升,“壶关(一期)年产 4000 万千米金刚线项目”顺利 推进,预计 2023 年达产。 2)在硅片切割方面:募投项目“乐山 6GW 光伏大硅片及配套项目”及“乐 山 12GW 机加及配套项目”已于 2022 年 12 月完成建设并完全达产,“建 湖(一期)10GW 光伏大硅片项目”已于 2022 年内完成建设并达产;此 外,2022 年公司还启动了“建湖(二期)12GW 光伏大硅片项目”的投资 建设,并签署了“滑县 5GW 光伏大硅片项目”的投资协议,预计 2023 年 均可达产。

  切割设备、金刚线、硅片切割技术等方面不断发展,技术具备领先市场 竞争优势。 1)碳化硅切割设备方面:国内首款高线速碳化硅金刚线可获得和砂浆切割相同的晶片质量,同时大幅提升切割效率, 显著降低生产成本,行业内独家实现批量销售,实现国产替代,同时公 司已推出适用于 8 寸碳化硅衬底切割的碳化硅金刚线)金刚线方面: 公司已经实现 40μm、38μm、36μm 及 34μm 线型金刚线μm 线型金刚线批量测试,同时积极开展更细线型 及钨丝金刚线的研发测试,推动行业切割工艺持续进步。 3)硅片切割方面:公司创新性推出适配更薄硅片切割的半棒半片切割技 术路线μm 硅片半片,并已具备 210mm 规格 120μm 硅片半片的量产能力,同时在行业内首次推出 80μm 超薄硅片半片样片。

  专注于超微细合金线材及其他金属基复合材料的应用研发、生产与销售。 东尼电子成立于 2008 年 1 月,主要产品为超微细导体、复膜线等电子 线材,并在传统切割钢线的基础上实现了超细金刚石切割线的应用研发, 产品类型不断丰富并逐步向高附加值的新兴领域扩展。公司超微细导体、 复膜线目前主要应用于消费类电子产品,并逐步向新能源汽车、医疗器 械、智能机器人等领域拓展;金刚石切割线则主要应用于硅和蓝宝石等 硬脆材料切割领域。

  近五年归母净利润波动较大,消费电子板块为公司最主要营业收入来源, 光伏板块营业收入占比逐年提高。光伏板块主要产品为金刚线切割线与 太阳能胶膜,光伏板块近三年营收占比逐渐从 2020 年的 4.39%增大至 2022 年的 23.73。消费电子营收虽未公司主要营收来源,但近三年其营 收占比从 2020 年的 87.63%下降至 56.83%。公司近 5 年归母净利润波动 较大,2022 年实现归母净利润 1.08 亿,同比增长 227%。

  光伏板块产能持续上涨,金刚线经过持续技术改造,订单量增加。随着 2019 年单晶份额的提升及金刚线切割性能的提高,单片耗线量大幅降低, 金刚线总需求量大幅下滑。加之众多金刚线生产企业扩产,导致公司金 刚线产品产能过剩且同质化严重,2020年公司金刚线万KPCS, 同比下降 67.17%。随后,公司对金刚线进行了持续技术改造,金刚线 光伏板块产能不断提升,2022 总计产能 477 万 KPCS,同比增长 111.45%。

  引进日本钨丝技术,自主研发光伏领域钨丝金刚线。经过多年的研发, 公司已经掌握了超微细合金线材相关的全套设计技术、工艺制作技术、 检测测试技术、精密制造技术等核心技术,具有独立开发新款产品的能 力。在微细合金线材生产的关键技术——拉丝技术方面,公司已有能力 将铜材及合金材料拉需直径仅为 0.016 毫米的细丝,相当于人头发丝1/5, 且在大长度拉拔后仍能保持材料具有高度的稳定性及一致性,目前国内 仅有极少数企业可以达到这一技术水平。金刚线产品方面,公司已经取 得了金刚线相关专利,且不断对金刚石切割线产品进行技术设备改造, 并且引进日本钨丝技术,着力研究钨丝金刚线. 德龙激光:聚焦激光加工设备,推出碳化硅激光切割设 备

  公司主营业务为精密激光加工设备及激光器的研发、生产、销售,并为 客户提供激光设备租赁和激光加工服务。德龙激光是一家技术驱动型企 业,成立于 2005 年,致力于激光精细微加工领域,凭借先进的激光器技 术、高精度运动控制技术以及深厚的激光精细微加工工艺累积,聚焦于 半导体及光学、显示、消费电子及科研等应用领域,为各种超薄、超硬、 脆性、柔性、透明材料及各种复合材料提供激光加工解决方案。公司通 过自主研发,目前已拥有纳秒、超快(皮秒、飞秒)及可调脉宽系列固 体激光器的核心技术和工业级量产的成熟产品。目前,公司产品批量应 用于碳化硅、氮化镓等第三代半导体材料晶圆划片、MEMS芯片的切割、 Mini LED 以及 5G 天线等的切割、加工等。

  精密激光加工设备是公司的主要营业收入来源,22Q3公司归母净利润 3465.96 万,同比下降 60%。精密激光加工设备板块一直以来都是公司 的主要营业收入来源,2019 年-2021 年在总体营业收入中占比不断上升, 分别达到 65.81%、71.49%、73.46%;激光器在公司营业收入中占比第二, 2019-2022 年占比也逐年提升,分别是 7.34%、8.76%、10.39;激光加工 服务与激光设备租赁服务在公司营收中占比不断下降。2018-2021 年,公 司归母净利润逐年提升,从-744.94 万上升到 8771.37 万,2022Q3 公司 归母净利润为 3465.96 万,同比下降 60%。

  碳化硅晶锭激光切片技术已完成工艺研发和测试验证,正积极开拓市场; 此外,碳化硅激光切割技术两项实现,一项在研,在研项目在总体技术 指标上已基本赶上国外先进水平。激光应力诱导切割技术是针对半导体、 光学等透明脆性材料专门开发的核心激光加工工艺技术,适用于硅、砷 化镶、碳化硅、氮化镍、蓝宝石、石英等材料。与传统的机械刀轮切割 比较具有切割效率高、材料损耗小、崩边小、无粉尘等优势。公司以该 核心技术为依托形成了晶圆激光应力诱导切割设备、玻璃晶圆激光切割 设备、碳化硅晶圆激光切割设备等系列产品。精密运动模组及控制技术 可提升平台定位精度,满足激光加工轨迹的精确控制,平台定位精 度 0.5μm、平台动态起伏小于 0.5μm、激光加工轨迹控制精度 3μm, 适用于半导体、显示面板、消费电子等多个领域的激光精细微加工设备。 “面向 5G 应用的半导体晶圆高速、高精度激光智能切制设备的研发及 产业化”是公司目前重大在研项目,该项目针对我国半导体晶圆激光的卡 脖子难题,有三点创新之处:(1)解决了切割材料切割过程中会产生不 同程度的崩边问题;(2)对芯片进行高速、高效、高精度切制;(3)对 大尺寸 5G 半导体品圆切过程进行高精度运动控制。该项目在总体技术 指标上已基本赶上国外先进水平。

  精密激光加工设备项目扩产后产能预计新增 380台。精密激光加工设备 项目拟利用公司成熟的工艺流程进行扩产建设,建成后,预计将实现年 新增 380 台精密激光加工设备的生产能力,其中应用于半导体及光学 领域的 150 台/年,消费电子领域的 150 台/年显示面板及科研领域各 50 台/年、30 台/年。产能扩充计划的有序实施将进一步提升公司产品的市 场占有率,巩固并提高公司的核心竞争力。