中國粉體網訊 近年來，國內外SiC襯底熱場材料項目越來越多，前有幄肯新材料攜國產SiC長晶高溫熱場材料進軍海外市場，后有新華錦第三代半導體碳材料產業(yè)園項目落地平度備受關注。
新華錦集團生產的等靜壓石墨產品
隨著導電型SiC襯底的逐漸量產，對工藝的穩(wěn)定性、可重復性都提出更高的要求。后期，更要面臨“長快、長厚、長大”的挑戰(zhàn)，除了理論和工程的提高外，還需要更先進的熱場材料作為支撐。高純石墨具有耐高溫、良好的導電性、化學穩(wěn)定性，成為了半導體領域的關鍵材料。雖是關鍵材料，但仍依賴進口。
此前金博股份、東風石墨、志橙半導體等企業(yè)也紛紛在半導體領域用石墨部件有動作，這似乎預示著國產化的號角已經吹響！
特種石墨部件：第三代半導體領域新賽道
高純石墨撐“場”
目前，國內主流商用碳化硅單晶生長均采用PVT法。該方法使用感應線圈進行加熱，在渦流作用下高密度石墨發(fā)熱體將被加熱。將碳化硅(SiC)粉體填滿石墨坩堝的底部，碳化硅(SiC)籽晶粘結在距原料面有一定距離的石墨坩堝蓋內部，然后將石墨坩堝整體置于石墨發(fā)熱體中，通過調節(jié)外部石墨氈的溫度，使碳化硅(SiC)的原料置于高溫區(qū)，而碳化硅(SiC)籽晶相應的處于低溫區(qū)。
在這個過程中，坩堝及周圍保溫材料組成的區(qū)域是SiC單晶生長最重要的區(qū)域，稱為熱場區(qū)。目前國際上SiC單晶生長爐均采用中頻加熱技術，其特點在于晶體生長室可以達到很高的溫度（最高大3000℃），在這種高溫場景下，石墨及其相關制品可以承受這樣的高溫，且其在這樣的高溫下不與SiC升華物發(fā)生反應。
SiC長晶爐示意圖
因此，生長SiC使用的坩堝和保溫材料都需要使用高純石墨及以碳為基礎材料的制品。高純度是半導體石墨的關鍵要求，尤其是在晶體生長的過程，石墨中的雜質更是晶體品質優(yōu)劣的關鍵決定因素，雜質含量應保持在百萬分之五以下。
多孔石墨降缺陷
SiC晶體生長難度大，研發(fā)周期長，研發(fā)成本高，如何降低研發(fā)成本、加快研發(fā)進度、提高晶體質量成為行業(yè)發(fā)展的難題。近年來，多孔石墨（PG）的引入有效改善了晶體生長的質量，在SiC長晶爐增加多孔石墨板是業(yè)界研究的熱點之一。
（a）傳統(tǒng)長晶爐，（b）多孔石墨板的長晶爐（圖中4）
來源：韓國東義大學
韓國東義大學在論文中提到，通過SiC源粉上方插入多孔石墨板，實現了良好的晶體區(qū)域傳質，可以改善傳統(tǒng)長晶爐所存在的多種技術難題。研究發(fā)現，PG的應用有助于降低微管和其他缺陷數量。
此外，多孔石墨也是解決SiC晶體長厚的核心技術之一，因為它能夠平衡氣相組分，隔斷微量雜質，調節(jié)局部溫度，減少碳包裹等物理性顆粒，在滿足晶體可用的前提下，晶體厚度能夠大幅增加。
多孔石墨，來源：恒普
石墨基座
石墨基座常用于金屬有機物化學氣相沉積（MOCVD）設備中支撐和加熱單晶襯底的部件。SiC涂層石墨基座的熱穩(wěn)定性、熱均勻性等性能參數對外延材料生長的質量起到決定性作用，因此是MOCVD設備的核心關鍵部件。在碳化硅的外延工藝中，晶片承載在石墨盤上，有桶式、煎餅式和單晶片石墨盤。
來源：TOYO TASON
石墨盤一般經過SiC涂層，SiC涂層與石墨部件緊密結合，延長了石墨部件的使用壽命，并實現了生產半導體材料所需的高純度表面結構。另外還有TaC涂層，TaC涂層石墨與SiC涂層石墨產品相比，具有更優(yōu)異的耐熱性。
離子注入用石墨部件
離子注入是指將硼、磷、砷等離子束加速到一定能量，然后注入晶圓材料的表層內，以改變材料表層物質特性的工藝。組成離子注入裝置部件的材料要求具有出優(yōu)異耐熱性、導熱性、由離子束引起的腐蝕較少且雜質含量低的高純材料。
來源：寧波弘信新材料科技有限公司
高純石墨滿足應用要求，可用于離子注入設備的飛行管、各種狹縫、電極、電極罩、導管、束終止器等。
需求旺盛，國產替代“加速”中
根據天岳先進公告顯示，2020 年公司碳粉已100%采購自國內供應商，而石墨件、石墨氈向國內廠商的采購占比在2020年分別僅為42.5%、0.83%。隨著國內SiC產業(yè)鏈的快速發(fā)展，行業(yè)對關鍵原材料的國產替代需求日益突出。
目前，碳化硅襯底成本約占整體器件成本的47%，其中涂層石墨等熱場材料的成本比重較高。
就SiC涂層石墨基座而言，國際上SiC涂層石墨基座主流供應商有荷蘭Xycard、德國西格里碳素（SGL）、日本東洋碳素、美國MEMC等企業(yè)，基本占據了國際市場。
在國內，隨著志橙半導體打開了SiC涂層石墨基座國產化的局面，SiC涂層石墨基座產業(yè)進程加快。
小結
SiC晶體生長系統(tǒng)主要由石墨坩堝、籽晶和SiC粉料等組成，其中石墨耗材成本占比非常高。為確保SiC長晶的成本和產品良品率，SiC或TaC等新涂層材料需求也增大�？陀^來講，國產裝備和耗材的進步空間還很大，但不少企業(yè)也在許多關鍵瓶頸正過關邁坎。
（中國粉體網編輯整理/空青）
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