Part 01 三代半導體市場

       1.半導體材料發展歷程

      硅基材料是目前電力電子領域應用最為廣泛的半導體材料，也是目前主流邏輯芯片和功率器件的基礎。第一代元素半導體，主要包括以硅（Si）、鍺（Ge）為代表的單質半導體。第二代化合物半導體，主要指二元/三元化合物半導體材料，如砷化鎵（GaAs）、磷化銦（InP），主要用于制作高速、高頻、大功率以及發光電子器件，是制作高性能微波、毫米波器件及發光器件，應用領域主要包括衛星通信、移動通信、光通信、GPS導航等。

      第三代寬禁帶半導體，主要包括碳化硅（SiC）、氮化鎵（GaN）等，優點是禁帶寬度大（>2.2ev）、擊穿電場高、熱導率高、抗輻射能力強、發光效率高、頻率高，可用于于高溫、高頻、抗輻射及大功率器件，也是目前國家大力發展的新型半導體器件。

圖表1 第一代到第三代半導體發展過程及對比

       2.SiC的優勢及器件應用

       SiC作為第三代半導體材料具備諸多顯著優勢。耐高壓：SiC材料可以通過更低的電阻率和更薄的漂移層實現更高的擊穿電壓，相同的耐壓值下，SiC功率模塊導通電阻/尺寸僅為Si的1/10，功率損耗大幅減少。耐高頻：SiC材料不存在電流拖尾現象，能夠提高元件的開關速度，是Si開關速度的3-10倍。耐高溫：SiC材料具有禁帶寬度大（約Si的3倍）、熱導率高（約Si的3.3倍），熔點高(2830℃，約Si的兩倍)的特點，因此SiC器件在減少電流泄露的同時大幅提高工作溫度。

      SiC按電阻性能分為導電型碳化硅功率器件和半絕緣型碳化硅基射頻器件。導電型SiC功率器件主要是通過在導電型襯底上得到碳化硅外延層后進一步加工制成，主要用于電動汽車、光伏發電、軌道交通、數據中心、充電等基礎建設。半絕緣型SiC基射頻器件是通過在半絕緣型碳化硅襯底上生長氮化鎵外延層后進一步制成，主要用于5G通信、車載通信、國防應用、數據傳輸、航空航天。

圖表2 SiC的主要器件形式及應用

       3.SiC市場規模

      據Yole預測，全球SiC功率半導體市場將從2020年的8.88億美元增長到2030年的175.77億美元，復合年均增長率高達34.79%。目前Si仍是主流半導體材料，但第三代半導體滲透率仍將逐年攀升。據Yole預測，Si材料器件未來仍將占據半導體市場的主導地位，預計未來市場滲透率仍超過80%。第三代半導體材料滲透率將會逐年攀升，整體滲透率預計于2024年超過10%，其中SiC的市場滲透率有望接近10%，GaN滲透率將達到3%。

      據浙商證券測算，2025年SiC襯底在新能源車市場的需求量達339萬片，市場空間為129億元，SiC器件的市場空間達429億元。預計2021-2025年，SiC器件在光伏應用領域市場空間由23億元增長至92億元，到2025年SiC襯底需求量超過72萬片。

      受新能源汽車行業龐大的需求驅動，以及光伏風電等領域需求提升，SiC半導體的市場具備較強的確定性。但由于較高的技術壁壘，SiC大規模產業化仍具有較高的難度，有效產能低于報道產能。據華泰證券、浙商證券等預計，目前全球SiC襯底有效年產能不足，SiC襯底供給將于2026年達到飽和。

      在當前有效供給不足、降本需求強烈的情況下，SiC產業鏈的材料創新、國產替代出現了窗口期。在產業鏈上游材料端提前布局，建立新的技術壁壘，成為了面對遠期市場供大于求、利潤擠壓的可行路徑。

      當前制約SiC器件大規模商業化的主要因素是高成本，SiC襯底的降本增效成為關鍵，大尺寸襯底由于成本優勢比較明顯，成為發展趨勢。根據天科合達測算，從4英寸提升到6英寸，單位成本預計能夠降50%；從6英寸到8英寸，成本能夠在這個基礎上再降低35%。根據Wolfsppeed，8英寸晶圓相比6英寸可切出近2倍的裸芯數量。大尺寸襯底的邊緣浪費更低，有效利用率更高，國內外各大廠商均積極布局8英寸SiC襯底，量產進程有望加速。據德邦證券總結，SEMICON China2024展會中，國內SiC襯底/外延廠商均有8英寸產品展出，其中襯底和設備廠商的8英寸產品能力快速提升；國內廠商中，天岳先進、天域半導體已具備一定的8英寸量產能力。

       Part 02

       SiC器件生產與成本分析

       1.SiC器件生產流程

     SiC器件的生產流程主要為：首先，SiC粉末通過長晶形成晶碇；其次，經過切片、薄片、拋光得到SiC襯底；然后，襯底經過外延生長得到外延片；最后，外延片經過光刻、刻蝕、離子注入、沉積等步驟制造成器件。

圖表3 SiC器件制作工藝流程

     襯底是由半導體單晶材料制造而成的晶圓片，可以直接進入晶圓制造環節生產半導體器件，也可以進行外延工藝加工生產外延片。外延是指在經過切、磨、拋等仔細加工的單晶襯底上生長一層新單晶的過程。由于新生單晶層按襯底晶相延伸生長，從而被稱之為外延層；而長了外延層的襯底稱為外延片。

     SiC襯底材料是SiC芯片的核心。襯底的生產流程為：經過單晶生長獲得SiC晶碇后；緊接著制備SiC襯底需要歷經磨平、滾圓、切割、研磨（減薄)；機械拋光、化學機械拋光；以及清洗、檢測等工序。

圖表4 SiC襯底生產流程

     晶體生長主要有物理氣相傳輸法（PVT）、高溫化學氣相沉積法（HT-CVD）和液相外延（LPE）三種方法。PVT法是現階段商業化生長SiC襯底的主流方法。SiC晶體的生長溫度在2000°C以上，對溫度和壓力的控制要求高，目前存在錯位密度、晶體缺陷較高的問題。

     襯底切割將晶錠切割為晶片用來進行后續加工，切割方式影響到碳化硅襯底片后續的研磨等工藝工序的配合。晶錠切割以砂漿多線切割和金剛石線鋸切割為主，現有的SiC晶圓大多使用金剛線切割，但SiC硬度高、脆性高，存在晶片的良率較低、切割線的耗材成本較高等問題。同時，8英寸晶圓的切割時間明顯長于6英寸晶圓，切割線卡住的風險也更高，從而導致良率下降。

     襯底切割技術發展趨勢為激光切割，在晶體內部形成改性層從碳化硅晶體上剝離出晶片，屬于非接觸無材料損失加工，無機械應力損傷，所以損耗更低、良率更高、加工方式靈活、加工的SiC面型更好。國外DISCO、英飛凌等廠商的激光切割設備已投入8英寸SiC的生產，國內廠商大族激的激光切割設備目前進入產品驗證階段，北京中電科已實現6英寸Si單晶片的激光剝離。

     SiC襯底打磨加工包括研磨（減?。伖鈨蓚€環節。SiC襯底的平坦化工藝主要有研磨和減薄兩種工藝路線。

     研磨分為粗磨和精磨環節。主流的粗磨工藝方案為鑄鐵盤配合單晶金剛石研磨液。多晶金剛石微粉和類多晶金剛石微粉被開發后，碳化硅精磨工藝方案是聚氨酯墊配合類多晶精磨液。新的工藝方案為蜂窩研磨墊配合團聚磨料。

     減薄分為粗磨減薄和精磨減薄兩個環節，采用減薄機加磨輪的方案，自動化程度高，有望代替研磨的技術路線。減薄工藝方案的工藝精簡，高精度磨輪的減薄可以為拋光環節省去單面機械拋光（DMP）；采用磨輪加工速度快，加工面型控制能力強，適合大尺寸晶圓加工。同時，相比于研磨的雙面加工，減薄為單面加工工藝，是外延制造和晶圓封裝時，對晶圓的背面進行研磨的關鍵工藝。減薄工藝推廣的難點在于磨輪的研發難度大、制造技術要求高。磨輪國產化程度非常低，作為耗材成本較高，目前磨輪市場主要被DISCO占據。

     拋光用于SiC襯底的光潔化，消除表面劃痕、降低粗糙度和消除加工應力，分為粗拋和精拋兩個環節，碳化硅粗拋多采用氧化鋁拋光液，精拋多采用二氧化硅拋光液。

      2.SiC器件成本分析

     SiC器件價格高企的主要原因是SiC單晶生長緩慢、襯底制造困難、良品率低等。

    在SiC產業鏈中，襯底的價值占比最高。一般來說，上游材料成本占到器件成品的75%，其中襯底約占50%，外延約25%。在一個典型的SiC MOSFET中，襯底的制造成本能占到器件總成本的35%以上而在6英寸SiC襯底制造過程中，包含良率損失的襯底成本占到總成本的70%以上。

圖表5 SiC芯片成本拆分

       SiC襯底單價較高，但售價隨著出貨量提升而逐步下行。2021年，天岳先進的平均銷售價格為6767元/片，較2020年同比下降25%。考慮到目前國產6英寸襯底還未大批量生產，所以預計還會有降價空間。另一方面，半絕緣型SiC襯底由于市場供 應商較少，且下游有部分軍事裝備應用，所以目前售價較高。當前SiC襯底售價較高是良率水平低、晶圓尺寸小、自動化程度低等多因素導致的。隨著各廠商提升工藝、往更大尺寸SiC晶圓發展，預計SiC襯底售價將逐步下行。

      SiC器件降本主要通過三大途徑：降低襯底成本，主要通過8寸向12寸升級、持續優化熱場；改進設計、器件制造、封裝等生產技術；設計更小尺寸芯片，使得單位晶圓產出更高。根據PGC統計，假設以2021年6寸SiC MOSFET 1200V/100A的成本為1個單位，2025年成本有望降至0.8以下，8寸的成本有望降至0.68附近。2021年SiC MOSFET為Si器件成本的3倍，到2025年有望降至2.5倍附近。

圖表6 2022-2030年SiC成本下降預測

       3.SiC生產設備分析

      從設備上分析生產成本，單晶爐為SiC生產的核心設備。根據浙商證券測算，單晶爐在設備投資額價值量占比約25%，CMP拋光機和研磨機分別占設備投資額25%和10%。

       晶體生長爐國內主要廠商包括晶盛機電、北方華創等。目前部分廠商在6-8英寸已實現國產替代，但12英寸與國際水平仍存在差距，未來需伴隨國內滬硅、中環、金瑞泓等國內半導體硅片廠的成長、逐步突破。晶體爐與其他設備不同，其不能通過技術改造來完成產品的更新換代，一旦硅片尺寸發生顯著變化，晶體爐必須完全更新換代。隨著大尺寸光伏硅片逐漸成為主流，國產晶體生長設備企業會顯著受益，有望進一步降低設備成本。

      CMP設備廣泛應用于半導體產業鏈中硅片制造、集成電路制造、封裝測 試環節，其中最主要的是集成電路制造環節。在硅片制造環節，在完成拉晶、硅錠加工、切片成型環節后；在拋光環節為最終得到平整潔凈的拋光片需要通過CMP設備及工藝來實現。在集成電路制造環節，芯片制造過程可分為薄膜淀積、CMP、光刻、刻蝕、離子注入等工藝環節。

      晶圓減薄機是半導體制造的重要設備之一，用于實現晶圓的切割與研磨，一般由粗磨系統、精磨系統、承片臺、機械手、料籃、定位盤、回轉工作臺等部分組成。

      2021年全球半導體晶圓劃片切割、減薄設備市場合計約26億美元。根據SEMI數據，2021年全球封裝設備市場規模約70億美元。劃片機在封裝設備市場份額約為28%，2021年全球劃片機市場份額約20億美元。根Marketresearch數據，2021年全球晶圓減薄設備市場規模約6.14億美元。

      據QYR的統計及預測，全球減薄機市場規模呈現穩步擴張的態勢，2022年全球市場規模約8.2億美元，2018-2022年年復合增長率CAGR約為18.7%，預計未來將持續保持平穩增長的態勢，到2029年市場規模將接近13.2億美元，未來六年CAGR為6.5%。

      劃片刀和減薄砂輪是半導體晶圓加工所用的主要金剛石工具。根據《半導體加工用金剛石工具現狀》，國內半導體用金剛石工具市場中減薄砂輪、劃片刀分別占比26.5%、55.0%。國內半導體金剛石工具市場規模約30億元。根據上海新陽公告，2018年國內晶圓劃片刀年需求量為600-800萬片。根據IC insights及 Knometa Research，2018-2021年中國大陸晶圓產能復合增速約9.6%。根據華創證券測算，假設晶圓劃片刀需求量復合增速與同期中國大陸的晶圓產能復合增速保持一致，得到2021年國內晶圓劃片刀的市場規模約為16億元；2021年國內半導體用金剛石工具的市場規模約29.3億元，減薄砂輪的市場規模約為7.8億元。此外，根據QYResearch數據，2020年全球CMP拋光墊修整器的市場規模約15億元，預計2026年將達到18億元，年復合增長率3.1%。

      CMP設備市場行業高度壟斷，海外龍頭半導體設備企業起步較早，美國應用材料和日本荏原近乎壟斷全球CMP設備市場。據華經產業研究院引用的Gartner數據，2020年美國應用材料和日本荏原合計擁有全球CMP設備超過90%的市場份額。

圖表7 半導體硅片設備價值量占比

       4.SiC耗材成本分析

      我國半導體制造材料的整體技術水平與國外差距較大，存在巨大的國產替代空間。設根據國盛證券測算：假設2021年中國電子半導體材料營收規模150億人民幣，在全球市場中占有率僅4%；在中國所需的產值約119億美元的市場需求中，也僅占19%。      

      根據SEMI統計，2021年全球半導體材料市場規模同比增長15.9%達到643億美金新高。其中晶圓制造材料和封裝材料市場規模分別為404億美金和239億美金。晶圓制造環節中的硅片、化學品、CMP和光掩膜環節是增速最快的幾大領域，而硅片也是晶圓制造中成本占比最高的環節，市場規模超過130億美金。

圖表8 半導體原材料分布情況

      對于SiC的生產制造，切割、磨削、拋光的耗材成本是生產成本的重要部分。根據安芯投資統計，切割環節的耗材為金剛石砂漿，約70%的襯底廠家的切割耗材為采購金剛石微粉后自行配置，而剩下的30%廠家則為直接采購。根據天科合達報告，切割用金剛石粉的成本占SiC原材料成本的7.53%；研磨用的研磨液的成本占SiC原材料成本的15.5%；拋光材料約占SiC原材料成本的7%。

      Part 03研磨減薄機與拋光設備市場競對分析

     全球主要減薄機生產商包括日本DISCO、日本TOKYO SEIMITSU、日本KOYO SEIKO、德國G&N等，全球前三廠商占有85%的市場份額。其中日本DISCO與TOKYO SEIMITSU 2022年合計市占比超65%，市場集中度較高。

      根據《半導體加工用金剛石工具現狀》，中國約90%的半導體加工用劃片刀和減薄砂輪來自進口，高端半導體加工企業所用金剛石工具基本被國外產品壟斷。國外半導體用金剛石工具廠商主要為日本DISCO、日本旭金剛石、東京精密、韓國二和(EHWA)及美國UKAM等。

       1.研磨減薄設備

       (1)日本迪思科株式會社 DISCO Corporation

       DISCO成立于1937年，是專注于“切、磨、拋”技術的全球知名半導體設備廠商。產品主要為半導體設備切割機、研磨機、拋光機及其他半導體加工后道切割和研磨設備；精密加工工具切割刀片，研削、拋光磨輪等。其中耗材業務（精密加工工具和維修業務）比重的不斷提升，平衡了公司的業績波動。

圖表9 半導體原材料分布情況   

      DISCO在晶圓劃片刀和減薄砂輪市場具有絕對份額。2021財年DISCO來自中國大陸地區的收入為49億元，根據國創證券測算，假設其中耗材的占比與公司總體業務中耗材的占比23%一致，則2021年DISCO在中國大陸的劃片刀和減薄砂輪營收約11億元，在中國大陸23.8億元的市場中占比47%。

      (2)江蘇京創先進電子科技有限公司

      京創先進成立于2013年，是一家專業從事半導體精密切、磨、拋設備研發、生產、銷售及服務的高新技術企業，2023年獲得B+輪融資。

      京創先進已成功實現12英寸全自動精密劃片機產業化的自主創新，并在劃切設備主航道提供從6-12英寸的半自動到全自動的各類劃片設備、滿足半導體集成電路、GPP/LED氮化鎵等芯片、分立器件、LED封裝、光通訊器件、聲表器件、MEMS等芯片的精密劃切需求之外，產品線已拓展至JIG SAW設備、減薄設備等多個半導體專業設備領域。

      (3)北京中電科電子裝備有限公司

      北京中電科主要產品有減薄、劃切設備。減薄設備2022年實現合同額1.2億元，2023年全系列產品產值將突破2億元。自主研發的國產高端8/12英寸晶圓減薄機實現了批量化應用，已有20多臺不同型號設備用于集成電路材料加工、芯片制造、先進封裝等工藝段的產品量產；將快速形成年產100臺減薄機的交付能力。此外，還將陸續推出12英寸減薄拋光一體機的產業化機型和8英寸SiC減薄研磨（CMP）機。

       (4)深圳市夢啟半導體裝備有限公司

      深圳夢啟成立于2021年，是經深交所主板上市公司長盈精密投資控股的子公司。主要業務為芯片研磨設備和空氣軸承，包括全自動高精密晶圓減薄機、高精密拋光機、全自動高精密倒角機等硬脆材料的加工裝備、以及高精度氣浮主軸部件系列產品的研發、生產和銷售。

      公司具備打破國外技術壟斷并替代國外設備的能力，目前正在開發第三代半導體材料SiC研磨成套設備，以及新一代藍寶石芯片研磨成套設備。

      2.CMP拋光設備

      (1)華海清科股份有限公司

      華海清科公司成立于2013年4月，主要業務有CMP設備、減薄設備、晶圓再生、關鍵耗材與維保服務等。主要產品及服務已廣泛應用于集成電路、先進封裝、大硅片、第三代半導體、MEMS、Micro LED等制造工藝。

      公司的CMP設備是目前國內唯一可以量產12英寸商業級的CMP機臺，產品已在各大國內主流晶圓廠產線產業化應用，打破海外巨頭在該領域的壟斷地位。華創證券根據公司財報披露數據測算，2018-2021年公司在中國大陸地區的CMP設備市場占有率約為1.05%、6.12%、12.64%和22.7%。2021年以來，隨著國內晶圓廠加速擴產，國產設備替代逐步升溫，公司抓住市場機遇持續提升國內市場占有率，2023年度凈利潤7.27億元，同比增長44.99%。

      (2)北京特思迪半導體設備有限公司

      特思迪成立于2020年3月，2022年初華為哈勃投資持有特思迪10%的股權，2023年10月完成B輪融資。公司深耕半導體襯底材料、晶圓制造、半導體器件、先進封裝、MEMS等領域的超精密平面加工技術，可提供減薄、拋光、CMP的系統解決方案和工藝設備。

      公司在2022年推出了可兼容6英寸和8英寸的全自動減薄機，SiC襯底磨拋設備的銷售額取得了300%YoY的增長。2023年公司進一步推進6英寸和8英寸設備的同步發展；B輪融資的資金也主要投向8英寸SiC磨拋工藝和設備的研發，借此加快研發突破，助力8英寸SiC量產。

     公司應用于第三代半導體襯底材料、部分芯片等領域的產品已經實現批量銷售。拋光機、減薄機等設備已被天科合達、比亞迪、東莞天域、中電科13所、泰科天潤等客戶所采用。

     (3)蘇州邁為科技股份有限公司

      邁為股份成立于2010年9月，2018年11月上市，面向太陽能光伏、顯示、半導體三大行業，主要產品包括全自動太陽能電池絲網印刷生產線、異質結高效電池制造整體解決方案、OLED柔性屏激光切割設備、Mini/Micro LED晶圓設備、半導體晶圓封裝設備等。公司立足真空、激光、精密裝備三大關鍵技術平臺，致力成為泛半導體領域細分行業標桿。

      2021年起，邁為股份向華天科技(西安)有限公司供應半導體晶圓激光開槽設備，得益于激光能量控制、槽型及切割深度控制等多項技術優勢，設備已實現穩定可靠、行業領先的量產表現。2024年1月邁為股份半導體晶圓研拋一體設備順利發往國內頭部封測企業華天科技(江蘇)有限公司，同步供應12英寸晶圓減薄設備以及晶圓激光開槽設備。公司自主研發的國內首款(干拋式)晶圓研拋一體設備各項性能指標達到預期，開啟客戶端產品驗證。

     3.磨盤磨料

     (1)深圳中機新材料有限公司

      中機新材2018年開始研發貴硬SiC團聚金剛石；2021年正式成立公司并量產金剛磨石材料，成為國內首創研磨環節新方案，可平替進口產品；2024年2月獲得A輪融資。

      公司提供精密研磨、拋光系統的應用綜合解決方案；擁有切割、減薄、粗磨、精磨、粗拋、精拋全工藝環節的耗材產品，主要磨拋材料有團聚金剛石微粉、研磨拋光墊、金剛石線據、SiC減薄砂輪。

      公司首創的團聚金剛石技術替代了傳統多晶和類多晶。傳統磨拋方案中，研磨液占SiC襯底原材料成本的15.5%，傳統多晶和類多晶研磨成本中高氯酸占總成本的30%，并且高氯酸產生的環境污染時間長、范圍廣、難以根除。團聚技術后替代多晶和類多晶后，生產過程環保的同時成本得以降低。在耗液量上，團聚金剛石方案用量僅為3um單晶金剛石方案的20%，即使選用昂貴的進口團聚金剛石，6寸SiC襯底片加工也保有成本優勢。

     (2)中國機械工業集團有限公司下屬企業國機精工股份有限公司

      國機精工作為精密軸承、超硬材料制品領域的領軍企業，重點為國民經濟和國防建設提供軸承、工磨具等關鍵機械基礎件產品，成功開發出中國第一顆人造金剛石和立方氮化硼，是我國超硬產業之源。

      公司超硬材料業務協同發展，實現全產業鏈覆蓋。超硬材料板塊的運營主體為三磨所、鄭州新亞和精工銳意子公司，三家公司分別負責板塊下金剛石材料及磨料磨具、復合超硬材料和超硬材料高端裝備業務，實現了從上游金剛石生產設備制造、中游金剛石原材料生產和下游超硬制品生產的全產業鏈覆蓋。

      三磨所在CVD法金剛石上持續投入，有望實現半導體耗材領域國產替代。三磨所的劃片刀、減薄砂輪等產品憑借質量和性價比優勢，已經實現對華天科技、長電科技、通富微電等批量供貨。

     (3)西安易星新材料有限公司

      易星新材料是西安市政府投資并重點扶持的半導體封裝產業鏈完備的核心耗材供應商，于2022-2023年完成SiC與Si減薄磨輪開發與穩定性驗證，是國內唯一一家成功實現SiC精密減薄研磨輪國產化的企業。

      公司具備西安交通大學、陜西科技大學團隊背景，長期致力于半導體基礎材料研究。公司自主開發數控多層布料增材制造技術，實現粉體材料的精準設計與調控，開發結合劑，實現了磨輪減薄的持續性、穩定性。解決金剛石與結合劑界面合理結合的行業技術難題，形成金剛石“脫落-出露”的動態平衡，保證優良的減薄加工品質，精磨輪質量通過設備廠商測試驗證。