近日，北京中电科电子装备有限公司（以下简称“北京中电科”）碳化硅全自动减薄机顺利交付，并批量市场销售。

据悉，该设备是碳化硅全自动减薄机最新研发成果的集中体现，重要技术指标和性能对标国际先进水平。

碳化硅减薄机是一款用于碳化硅晶锭、衬底片或芯片背面进行减薄的设备。“碳化硅是一种非常硬的材料，因此其减薄厚度的准确测量与控制非常难把握，对于减薄机的磨削精度要求非常高。”北京中电科相关负责人介绍道，其自主研发的全自动减薄机解决了碳化硅精准减薄难题。

该机器汇集了北京中电科自主研发的核心零部件气浮主轴与气浮载台、超低速亚微米级运动控制技术，晶圆厚度分区域自动控制等多项最新研发关键技术，不仅加工一致性好、面型精度控制能力强、效率高、损伤层小，而且易于实现自动化。


如何实现碳化硅减薄过程的稳定、精准？

北京中电科技术人员打了一个比方：比如一片φ300mm硅晶圆，初始厚度有780微米，要将其磨削至80微米甚至50微米，比头发丝还要细，这在国内很少有设备可以实现。而这款碳化硅减薄机，利用安装在空气静压电主轴上的专用金刚石砂轮，横向高速旋转，纵向以亚微米的速度向下进给，磨削吸附在陶瓷吸盘上的碳化硅圆片表面，达到更平、更薄的效果。最终可以实现碳化硅晶圆100微米以下的超精密磨削，领先国内水平，与国际水平相当。

“铁杵成针”！一直以来，北京中电科深耕半导体衬底材料、晶圆制造、半导体器件、先进封装、MEMS等领域的超精密研削加工技术，以更平、更薄、更可靠为技术导向，开发了技术领先、性能优越和工艺稳定的碳化硅减薄机，为碳化硅材料及器件减薄加工提供了成套工艺解决方案和设备。在新能源汽车、光伏储能、智能电网等应用领域，北京中电科突破高刚度空气静压电主轴、高精度低热膨胀气浮载台、亚微米进给系统等多项关键技术，贯通碳化硅衬底、外延、芯片、模块全产业链量产平台，实现新能源汽车、光伏、智能电网等领域碳化硅减薄机批量供货，有力保障碳化硅功率器件供应链安全，支撑产业链向高端跃升。

“下一步，北京中电科将面向国家重大战略需求，聚焦汽车芯片等领域，继续完善产品谱系、拓展产品类型，实现核心零部件的产业化销售，全力提升碳化硅减薄机产能，进一步推进新能源汽车用碳化硅减薄机关键核心技术攻关及产业化应用，把拥有自主可控核心技术的国产集成电路装备做大做强。”北京中电科相关负责人说。


企业纷纷布局，碳化硅加速产业化

碳化硅是新型电力系统——特高压电网必需的可达万伏千安等级的唯一功率半导体材料，同时也是高铁和新能源汽车牵引、电控系统的“心脏”，可使高铁动力系统体积、重量减小20％，损耗降低20％；新能源汽车电控系统体积重量减少80%，电能转换效率提升20%。氮化镓则是目前能同时实现高频、高效、大功率的唯一材料，是支撑5G通信基站升级换代、6G通信基站优先布局、军用雷达性能得以提高的关键材料。

据不完全统计，2022年美国、英国、意大利、新加坡、日本、法国等国家新布局21个第三代半导体公共研发项目，金额超12.6亿美元。涉及材料、外延、器件、系统等各环节，突出8英寸碳化硅衬底和晶圆制造、车用800V电压平台的碳化硅功率器件及电控系统等。

在新能源汽车、光伏、储能等需求带动下，第三代半导体产业高速发展，2022年全球碳化硅、氮化镓功率半导体市场规模约23.7亿美元。

从国际应用范围来看，碳化硅主要应用于新能源汽车、智能电网领域。碳化硅单晶衬底方面，目前半绝缘型衬底以4英寸为主，导电型衬底以6英寸为主，8英寸导电型、半绝缘型衬底已开发出样品。面向车用的碳化硅金属氧化物半导体场效应晶体管（SiC MOSFET）和碳化硅功率模块是企业当前开发的重点。氮化镓则主要应用于消费类电子市场。氮化镓衬底以2至4英寸为主，日本住友化学、三菱化学占全球85%市场份额，商业化的氮化镓同质外延仍以2英寸为主，3英寸处于研发阶段。蓝宝石基氮化镓外延材料应用以LED为主，LED芯片市场占光电市场90%以上，植物照明、车用和显示屏应用市场均呈现较大幅度扩展，主要器件企业包括日亚化学、欧司朗、三星等；硅基氮化镓外延材料主要应用于消费类电子、新能源汽车等领域，商业化产品以6至8英寸为主，12英寸产品已开发正推进规模化应用，主要企业包括英飞凌、安森美、意法半导体、松下等。

从国际技术发展水平来看，碳化硅方面，8英寸衬底开始产业化，车规级功率器件是当前开发重点，多家厂商已推出大功率模组及高温封装产品，碳化硅器件正向耐受更高电压、更高电流密度、更低导通压降、更高开关频率方向发展。目前商业化SiC MOSFET产品电压集中在650V、1200V、1700V，部分新品耐压等级已提高至2000V，越来越多应用于牵引主逆变器、车载充电机以及高低压DC-DC转换器中。氮化镓方面，国际上已制备出6英寸单晶衬底，功率器件向小型化、高功率密度、耐辐照方向发展，耐压1200V的商业化产品和垂直型功率器件已实现小批量供货。以氮化镓射频为例，2022年美国Integra公司宣布100V氮化镓射频器件开始出货，意法半导体和美国Macom公司已生产出硅基氮化镓原型，多家企业推出氮化镓毫米波产品。

从装备和辅材发展来看，一方面，8英寸碳化硅设备有望带动产业链成本下降。2022年德国爱思强股份有限公司发布8英寸碳化硅外延设备，相比竞争对手有10%至15%的成本优势，预计2023年推动成本下降25%。另一方面，耐高温材料、高效散热材料开发速度加快。日本田村公司已开发出用于第三代半导体器件的无铅焊料接合材料，计划2023年实现量产。

面对不稳定不确定的外部环境，第三代半导体始终保持高速发展态势。以车用为首的下游市场将进入高速增长期，上游晶圆供不应求，未来几年8英寸技术将推动产品性能不断提升、成本逐步下降，国产材料和芯片在客户端的认可度不断提高。


国内外衬底厂商放量在即，带来巨大设备空间

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。

碳化硅晶圆和器件的制备基本工艺流程同硅基半导体基本一致，但部分工艺段使用专用设备，部分需要在硅设备基础上加以改进。根据我们梳理，目前长晶设备已基本实现国产化，其他各工艺环节设备国产化率在0％-20％之间。国产替代空间广阔。集成电路产业链自主可控是国家多次强调的大趋势，伴随《关于做好2023年中央企业投资管理进一步扩大有效投资有关事项的通知》等一批积极的政策出台，碳化硅设备将加快国产化步伐。

衬底环节是碳化硅器件制造中最核心、最困难的环节。碳化硅衬底价格高是制约碳化硅应用落地的主要原因。由于切片环节良率较低，切抛磨环节约占衬底总成本的2/3，切磨抛设备是衬底加工最核心的设备，国产化率约20％。

根据我们测算，预计2025年中国车用6英寸SiC晶圆抛磨设备市场空间约为50.9亿元。在器件封装环节，由于纳米银烧结工艺具备可实现高温服役、高热导率、高导电率、高可靠性几大优势，契合三代半导体封装需求，纳米银烧结设备成为碳化硅封装固化工艺的最核心设备，截至2022年未实现国产化。根据我们测算，预计2025年国内纳米银烧结设备市场规模为30亿元。