中國粉體網(wǎng)訊 近年來，國內(nèi)外SiC襯底熱場材料項目越來越多，前有幄肯新材料攜國產(chǎn)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(dǎo)體碳材料產(chǎn)業(yè)園項目落地平度備受關(guān)注。
新華錦集團生產(chǎn)的等靜壓石墨產(chǎn)品
隨著導(dǎo)電型SiC襯底的逐漸量產(chǎn)，對工藝的穩(wěn)定性、可重復(fù)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(dǎo)電性、化學(xué)穩(wěn)定性，成為了半導(dǎo)體領(lǐng)域的關(guān)鍵材料。雖是關(guān)鍵材料，但仍依賴進口。
此前金博股份、東風(fēng)石墨、志橙半導(dǎo)體等企業(yè)也紛紛在半導(dǎo)體領(lǐng)域用石墨部件有動作，這似乎預(yù)示著國產(chǎn)化的號角已經(jīng)吹響！
特種石墨部件：第三代半導(dǎo)體領(lǐng)域新賽道
高純石墨撐“場”
目前，國內(nèi)主流商用碳化硅單晶生長均采用PVT法。該方法使用感應(yīng)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(jié)在距原料面有一定距離的石墨坩堝蓋內(nèi)部，然后將石墨坩堝整體置于石墨發(fā)熱體中，通過調(diào)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(yīng)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(shù)，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(guān)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(yīng)。
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(chǔ)材料的制品。高純度是半導(dǎo)體石墨的關(guān)鍵要求，尤其是在晶體生長的過程，石墨中的雜質(zhì)更是晶體品質(zhì)優(yōu)劣的關(guān)鍵決定因素，雜質(zhì)含量應(yīng)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(zhì)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(zhì)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(xué)
韓國東義大學(xué)在論文中提到，通過SiC源粉上方插入多孔石墨板，實現(xiàn)了良好的晶體區(qū)域傳質(zhì)，可以改善傳統(tǒng)長晶爐所存在的多種技術(shù)難題。研究發(fā)現(xiàn)，PG的應(yīng)用有助于降低微管和其他缺陷數(shù)量。
此外，多孔石墨也是解決SiC晶體長厚的核心技術(shù)之一，因為它能夠平衡氣相組分，隔斷微量雜質(zhì)，調(diào)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(xué)氣相沉積（MOCVD）設(shè)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(shù)對外延材料生長的質(zhì)量起到?jīng)Q定性作用，因此是MOCVD設(shè)備的核心關(guān)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(jīng)過SiC涂層，SiC涂層與石墨部件緊密結(jié)合，延長了石墨部件的使用壽命，并實現(xiàn)了生產(chǎn)半導(dǎo)體材料所需的高純度表面結(jié)構(gòu)。另外還有TaC涂層，TaC涂層石墨與SiC涂層石墨產(chǎn)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(nèi)，以改變材料表層物質(zhì)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(dǎo)熱性、由離子束引起的腐蝕較少且雜質(zhì)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(yīng)用要求，可用于離子注入設(shè)備的飛行管、各種狹縫、電極、電極罩、導(dǎo)管、束終止器等。
需求旺盛，國產(chǎn)替代“加速”中
根據(jù)天岳先進公告顯示，2020 年公司碳粉已100%采購自國內(nèi)供應(yīng)商，而石墨件、石墨氈向國內(nèi)廠商的采購占比在2020年分別僅為42.5%、0.83%。隨著國內(nèi)SiC產(chǎn)業(yè)鏈的快速發(fā)展，行業(yè)對關(guān)鍵原材料的國產(chǎn)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(yīng)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(jù)了國際市場。
在國內(nèi)，隨著志橙半導(dǎo)體打開了SiC涂層石墨基座國產(chǎn)化的局面，SiC涂層石墨基座產(chǎn)業(yè)進程加快。
小結(jié)
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(chǎn)品良品率，SiC或TaC等新涂層材料需求也增大�？陀^來講，國產(chǎn)裝備和耗材的進步空間還很大，但不少企業(yè)也在許多關(guān)鍵瓶頸正過關(guān)邁坎。
（中國粉體網(wǎng)編輯整理/空青）
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