低痒型单晶炉迎新一轮技术迭代市场空间广阔

                    低痒型单晶炉迎新一轮技术迭代市场空间广阔

    磁控直拉单晶技术可抑制熔体热对流，降低晶体的杂质含量

⚫超导材料是指在低于其临界温度时，具有直流电阻为零和完全抗磁性（外磁场的磁力线无法穿透到内部）的材料，而超导磁体则是利用超导材料的特殊性质来产生强磁场的装置：一般由超导材料制成的超导线圈和冷却系统（液态氦）组成。超导线圈在超低温环境温度下达到超导状态，能够承载比常规线圈更高的电流，从而产生

更高的磁场，具有低功耗、高场强、重量轻、体积小等优势特点。

⚫ 基于所产生的强磁场，超导磁体能够应用于人体核磁共振成像仪（MRI）、磁控直拉单晶硅（MCZ）、超导磁体储能等领域。其中，磁控直拉单晶技术即在直拉法（CZ法）单晶生长的基础上对坩埚内熔体施加超导磁场，从而抑制熔体的热对流：熔体硅具有导电性，在磁场作用下，熔体流动必然引起感生电流从而产生洛伦兹力。在洛伦兹力的作用下，熔体内热对流得到抑制，熔体液面处的氧、点缺陷及其他杂质得到抑制。适当分布的磁场能改善单晶的均匀性，减少氧、硼、铝等杂质从石英坩埚进入熔体，从而提升单晶硅品质。

⚫ 磁控直拉法中的超导磁体产生的磁场一般分为横向磁场、纵向磁场、勾形磁场。其中纵向磁场由于抑制熔体热对流表现不好，已被横向磁场和勾形磁场所替代。而横向和勾形两种磁场位型各有利弊，最优技术路线仍在摸索中：慧翔电液专利中横向磁场和勾形磁场均采用过，中国科学院电工研究所专利中采用了横向磁场。

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◆ 图：西部超导的磁控拉单晶设备的整体结构示意图           ◆ 图：横向磁场、勾形磁场是目前使用的主流磁场类型

超导磁场优势明显，助力单晶硅品质进一步提升

⚫ 磁场拉制晶体最早可以追溯到1966年，该方法最早由Utech和Fleming及Chedzey Hurle分别独立提出，并第一次把磁场引入水平生长InSb晶体，减小了热对流和界面温度波动，起到了抑制生长条纹的作用；控制硅中氧在70年代末至80年代初成为单晶生长技术中的重要课题，学者开始大规模研究磁场对晶体生长行为的影响。

⚫ 日本索尼公司于1980年联合发表了“优质硅单晶的新制法”，开始将磁场应用到CZ硅单晶生长中，获得了适于VLSI和高反压大功率器件用的高质量硅单晶，引起了半导体行业的重视。1982年初，索尼公司宣布有偿转让该技术，标志着MCZ进入实用阶段。

⚫ 传统的MCZ方法采用永磁体或铜线圈导流产生背景磁场，但永磁体稳定性较差，而铜线圈磁体具有磁场强度低、能耗大的缺点，无法满足晶棒尺寸持续增加的需求。随着超导磁体技术的发展，超导磁场提供了更有吸引力的解决方案：可使材料凝固液面更稳定，材料纯度更高；同常规磁体相比，超导磁体能够降低300mm 单晶

硅制造能耗20%、提高成品率30%。

⚫ 由于技术门槛较高，磁控拉单晶用超导磁体技术被日、美、德等国完全垄断，目前国际上12英寸及以上单晶硅制备全部采用超导磁场直拉单晶技术完成。我国企业在10年前也开始了在该领域的研究，2013年初西部超导申请了用于磁控直拉单晶用MgB2超导磁体的专利保护，相关研究经过多年的积累与发展正迎头赶上。

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◆ 图：国内MCZ技术未来将由常规磁场转向超导磁场

超导磁场目前仍存在降本+单晶生长质量控制的难点需突破

⚫ 根据已公开专利，目前应用于半导体长晶领域的超导磁场主要克服难点包括降本、单晶生长质量控制等。

➢ （1）能源成本：超导磁体对温度要求高，传统使用液氦制冷，但液氦资源稀缺、价格昂贵。目前主要采用制冷机传导冷却以规避对液氦的依赖；

➢ （2）励磁电源：根据已有专利，目前国内超导磁体主要分为闭环运行模式（超导磁体内部电流独立于电源运行）和开环运行模式（持续由电源供电），开环模式下电源需持续供电，通电成本无法忽视；同时，电源运行阶段产生的纹波将引起磁场波动和单晶炉振动，从而破坏晶体生长的稳态环境，影响晶体品质；

➢ （3）超导线材成本：磁体线圈结构复杂，磁场利用率不高，尤其是4线圈及以上结构存在线圈间磁场相互抵消的问题，因此相同磁场需求下超导线材的用量较多；

➢ （4）漏磁屏蔽成本：因为要考虑磁场与单晶生长设备的电磁兼容问题，单纯线圈产生的漏场一般较大，需要较厚的铁轭作为屏蔽材料；

➢ （5）失超保护：开环下意外断电或巨大电磁力导致的线圈变形等将造成磁体失超或损坏，磁体失超后温度上升较多，重新降温励磁时间久，将影响单晶生产质量；

➢ （6）外加磁场技术：目前螺线管勾形磁场和横向磁场的磁场利用率低，鞍形横向磁场的非对称线圈结构强度低、绕制工艺复杂，技术方面仍存在进步空间。

◆ 图：主动屏蔽方式（优化线圈设计）能够有效减小漏磁，降低铁轭等屏蔽材料成本 ◆ 图：闭环运行较开环运行对通电成本和磁场稳定性影响小

随着技术降本及高质量硅片需求加大，超导磁场将加速迁移至光伏

⚫ 超导磁场在半导体行业的应用已相对成熟，自2013年起，西部超导、中国科学院电工研究所、慧翔电液等单位均陆续推出了外加超导磁场的单晶硅生长方案，但在光伏行业并未同步出现技术迁移；晶盛机电于2017年已成功开发12英寸硅片用半导体级超导磁场单晶硅生长炉，并开始研发第五代光伏单晶炉，至今也经历了近6年时间。我们认为技术迁移节奏缓慢主要系N/P型硅片质量要求不一致、成本较高等原因：

⚫ 随着N型电池取代P型电池成为主流，对硅片质量的要求愈发严格

➢ PERC时代对硅片质量要求不高。早期光伏基于P型硅片实现大规模量产时对硅片品质提高等优势不敏感：P型硅片要求单晶纯度＜200ppm，氧碳含量等缺陷对PERC影响不大。

➢ TOPCon对硅片氧含量更敏感，低氧型单晶炉需求大。N型电池相比P型电池对硅片的质量要求更高，而TOPCon又因采用高温工艺，较HJT对硅片氧含量更敏感，对现有工艺水平提出更高要求。目前晶盛机电、联创光电（高温超导）、连城数控、隆基电磁等均积极展开超导磁场布局，推动单晶炉核心零部件国产化。

⚫ 超导磁场一次性采购成本目前仍处于较高水平，2024年有望降至100万/台

➢ 目前采购成本仍较高：目前主要国外供应商为日本住友和三菱，国内西部超导做的较好；

➢ 使用成本相对较低：超导磁场凭借低功耗、高场强优势较常规磁场耗电量更少，同时超导线材、降温励磁等成本可通过闭环模式、提高磁场利用率等加以控制，挖掘降本新潜力。             ◆ 图：2023年光伏级超导磁场价值量预计在150万元+/套

客户基础+慧翔电液技术储备+盈利模式演化：开拓晶盛机电发展空间

⚫ 坚实客户基础助推研发正反馈循环：晶盛机电作为光伏单晶炉龙头企业，客户量大且覆盖面广，因此有充足的客户资源供公司进行技术验证，形成客户端-设备端正反馈循环，助力研发过程推进和关键技术优化。

⚫ 全资子公司慧翔电液经历多年技术积累，先发优势铸就行业领先地位：晶盛机电初期超导磁场主要为外采，其2017年开发的半导体级超导磁场单晶硅生长炉的超导磁场由日本住友提供，但由于价格较为昂贵，晶盛在此之后逐渐由外采转向自研，晶盛全资子公司慧翔电液主要支持超导磁场的国产化。

➢ 布局：根据专利申请时间，慧翔电液对超导磁场的布局可以追溯到2018年：先后研发了能够主动屏蔽漏磁的磁体结构，以及能够增加磁场强度的优化线圈结构；到2019年，慧翔电液的开发范围由局部扩展到整体，申请了磁控直拉单晶设备的专利保护，不断完善晶盛机电在半导体级超导磁场单晶炉的布局。

⚫ 晶盛机电盈利模式演化挖掘公司业绩发展新潜力：我们预计晶盛机电通过自研将最终利好。

➢ 早期利好超导磁场供应商：供应商例如西部超导自2013年开始布局超导磁场，价格质量均有保证，客户倾向购买其产品；

➢ 中期过渡阶段：磁场价格逐渐下降，部分客户选择向西部购买磁场后自行集成，部分客户直接向晶盛购买集成后的炉子+超导磁体；

➢ 后期晶盛机电利好：凭借慧翔电液的成熟技术储备+较低设备价格，客户更愿意向晶盛购买集成后的设备。

                     ◆ 图：慧翔电液的半导体级超导磁场专利数量不断增加，夯实技术基础

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