SiC涂層石墨基座技術(shù)及產(chǎn)業(yè)發(fā)展研究

王玉

1 碳化硅（SiC）涂層石墨基座基本情況

1.1 基本概念

SiC涂層石墨基座常用于金屬有機(jī)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（圖1）。MOCVD設(shè)備是化合物半導(dǎo)體單晶襯底外延生長(zhǎng)的研發(fā)及產(chǎn)業(yè)化關(guān)鍵設(shè)備，SiC涂層石墨基座的熱穩(wěn)定性、熱均勻性等性能參數(shù)對(duì)外延材料生長(zhǎng)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。

選擇β-SiC（3C-SiC）晶型作為涂層，該晶型相比其他晶型具有良好的熱力學(xué)穩(wěn)定性、抗氧化性和耐腐蝕性等一系列優(yōu)異性能，同時(shí)其具備與石墨基本一致的熱導(dǎo)率，因此賦予了石墨基座特殊的性能，可以有效解決石墨基座在服役過(guò)程中因高溫氧化、腐蝕掉粉而造成的失效，使石墨基座表面具備致密、無(wú)孔隙、耐高溫、抗溶蝕、抗氧化等特性，進(jìn)而提高晶體外延質(zhì)量與石墨基座使用壽命（SiC涂層石墨基座的使用壽命以爐次為單位）。

1.2 SiC涂層石墨基座制造技術(shù)難度大

SiC涂層石墨基座每個(gè)爐次都需要承受一次高低溫的循環(huán)，在這個(gè)過(guò)程中SiC涂層很容易產(chǎn)生裂縫、崩潰等損傷，將導(dǎo)致基座上的晶片受污損，并且嚴(yán)重影響基座的使用壽命。因此，SiC涂層的質(zhì)量直接影響石墨基座的使用壽命。

為保證SiC涂層石墨基座性能的良好和穩(wěn)定，除高純石墨的純度、加工精細(xì)度等基體性能外，主要難點(diǎn)在于保持SiC涂層的晶型一致性、表面形貌均一性和厚度一致性等性能。高質(zhì)量涂層生長(zhǎng)工藝要求極為苛刻，SiC多晶涂層生長(zhǎng)過(guò)程中，可能存在100多種晶型轉(zhuǎn)化，不同晶型轉(zhuǎn)化的溫度等條件相差較??；基座的尺寸越大、涂層厚度越厚，技術(shù)難度越高。此外，在不規(guī)則表面（圓弧、倒角、臺(tái)階等）處涂層均一性更難控制。因此涂層在生長(zhǎng)過(guò)程中的溫度、壓力、氣氛等因素細(xì)微變化，都會(huì)直接影響產(chǎn)品質(zhì)量和使用壽命。目前，石墨基座使用壽命（爐次）是衡量產(chǎn)品的最核心指標(biāo)。

1.3 開(kāi)發(fā)驗(yàn)證環(huán)節(jié)長(zhǎng)，產(chǎn)品進(jìn)入供應(yīng)鏈難度大

SiC涂層石墨基座進(jìn)入供應(yīng)鏈需要設(shè)備廠商和設(shè)備使用方給予極大程度的配合，進(jìn)行應(yīng)用驗(yàn)證，產(chǎn)品的使用壽命達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平，方具備市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。

首先，SiC涂層石墨基座產(chǎn)品須通過(guò)MOCVD設(shè)備廠商的應(yīng)用驗(yàn)證。產(chǎn)品在MOCVD設(shè)備上試用后，設(shè)備廠商從使用質(zhì)量、壽命等多個(gè)維度對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行評(píng)估，通過(guò)反復(fù)交付與反饋，從生產(chǎn)和使用兩方面不斷進(jìn)行技術(shù)和工藝的調(diào)整，使產(chǎn)品性能達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平，具備競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)，最終通過(guò)驗(yàn)證加入供貨商名單，其開(kāi)發(fā)驗(yàn)證時(shí)間一般需要2～3年。同時(shí)，設(shè)備廠商對(duì)SiC涂層石墨基座的生產(chǎn)設(shè)備也有一定要求：一旦基座生產(chǎn)商提供的SiC涂層石墨基座樣品通過(guò)了設(shè)備廠商的驗(yàn)證，則基座生產(chǎn)商不得輕易更換基座的生產(chǎn)設(shè)備。在樣品順利通過(guò)驗(yàn)收的條件下，該驗(yàn)證過(guò)程需2～3周時(shí)間。由于對(duì)生產(chǎn)設(shè)備的嚴(yán)格要求，基座生產(chǎn)商在擴(kuò)產(chǎn)過(guò)程中增加的新設(shè)備均需通過(guò)設(shè)備廠商的驗(yàn)證。

其次，設(shè)備使用方也需要在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中對(duì)作為耗材的SiC涂層石墨基座產(chǎn)品進(jìn)行性能及穩(wěn)定性評(píng)估驗(yàn)證，以確保生產(chǎn)出來(lái)的外延片符合相應(yīng)的要求，該驗(yàn)證流程需9～12個(gè)月，通過(guò)驗(yàn)證后，才會(huì)達(dá)成大批量的采購(gòu)訂單。設(shè)備廠商與設(shè)備使用方都不會(huì)輕易更換供貨商名單，用戶粘性強(qiáng)，進(jìn)入市場(chǎng)的門(mén)檻較高。

2 SiC涂層石墨基座技術(shù)現(xiàn)狀

2.1 國(guó)產(chǎn)SiC涂層石墨基座已打破技術(shù)壟斷，但上游材料仍需進(jìn)口

2017年以前，我國(guó)SiC涂層石墨基座產(chǎn)品主要依賴(lài)進(jìn)口，質(zhì)量最好的荷蘭Xycard公司SiC涂層石墨基座使用壽命可達(dá)200～300爐次，其他公司的產(chǎn)品壽命稍短，為100～200爐次。

2017年，我國(guó)MOCVD設(shè)備龍頭企業(yè)——中微半導(dǎo)體設(shè)備（上海）股份有限公司（以下簡(jiǎn)稱(chēng)“中微半導(dǎo)體”）的石墨基座供應(yīng)商德國(guó)SGL因?qū)＠m紛被美國(guó)MOCVD設(shè)備最大制造企業(yè)維易科（Veeco）起訴，導(dǎo)致我國(guó)石墨基座短期供貨短缺，部分MOCVD設(shè)備應(yīng)用企業(yè)面臨停產(chǎn)危機(jī)。該事件直接推動(dòng)了SiC涂層石墨基座國(guó)產(chǎn)化替代進(jìn)程。

2019年，深圳市志橙半導(dǎo)體材料有限公司（以下簡(jiǎn)稱(chēng)“志橙公司”）實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)石墨基座的批量供貨，目前志橙公司產(chǎn)品使用壽命經(jīng)驗(yàn)證僅次于荷蘭Xycard。專(zhuān)利風(fēng)波為國(guó)產(chǎn)SiC涂層石墨基座提供了進(jìn)入產(chǎn)業(yè)鏈的良好契機(jī)，以志橙公司為代表的國(guó)內(nèi)企業(yè)迅速占領(lǐng)市場(chǎng)。目前，志橙公司已通過(guò)多家半導(dǎo)體企業(yè)批量驗(yàn)證，成為國(guó)內(nèi)排名第一的石墨基座產(chǎn)品供應(yīng)商。

此外，志橙公司在實(shí)現(xiàn)SiC涂層石墨基座的國(guó)產(chǎn)化過(guò)程中，研發(fā)了具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的基座生產(chǎn)設(shè)備，已實(shí)現(xiàn)設(shè)備、氣源（氣相SiC前驅(qū)體、載氣、稀釋氣體等）及最終產(chǎn)品的國(guó)產(chǎn)化，進(jìn)一步保證了石磨基座的供貨穩(wěn)定性。

然而，盡管我國(guó)已突破石墨基體表面均勻生長(zhǎng)SiC涂層的關(guān)鍵核心技術(shù)，但高質(zhì)量的石墨基體依然依賴(lài)德國(guó)SGL、日本東洋碳素等企業(yè)，國(guó)內(nèi)企業(yè)提供的石墨基體由于熱導(dǎo)率、彈性模量、剛性模量、晶格缺陷等質(zhì)量問(wèn)題影響使用壽命，尚不能滿足MOCVD設(shè)備對(duì)SiC涂層石墨基座的使用要求。

2.2 國(guó)際上已經(jīng)布局前沿技術(shù)方向

盡管SiC涂層已經(jīng)極大提高了石墨基座的使用壽命，但是SiC涂層石墨基座仍然是易耗品，導(dǎo)致相關(guān)半導(dǎo)體化合物外延片的成本很難降低。國(guó)際產(chǎn)業(yè)界正在尋找新的解決方案：2021年7月，英國(guó)AFTech公司獲得了英國(guó)研究與創(chuàng)新局超過(guò)100萬(wàn)英鎊（超838萬(wàn)人民幣）的資助，用于生產(chǎn)新型石墨涂層。據(jù)悉，AFTech采用全新的碳化鉭（TaC）涂層替代SiC，以克服熱應(yīng)力問(wèn)題，將石墨部件的使用壽命提高30%～50%。

3 SiC涂層石墨基座產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀

3.1 國(guó)內(nèi)企業(yè)市場(chǎng)份額不高，產(chǎn)業(yè)發(fā)展方興未艾

國(guó)際上，SiC涂層石墨基座主流供應(yīng)商有荷蘭Xycard、德國(guó)西格里碳素（SGL）、日本東洋碳素、美國(guó)MEMC等企業(yè)，基本占據(jù)了國(guó)際市場(chǎng)。

志橙公司打開(kāi)了SiC涂層石墨基座國(guó)產(chǎn)化的局面，并且占據(jù)了國(guó)內(nèi)市場(chǎng)的一定份額。然而作為該細(xì)分領(lǐng)域的龍頭企業(yè)，志橙公司的產(chǎn)能已接近飽和，尚無(wú)法滿足國(guó)內(nèi)市場(chǎng)的需求。因此，志橙公司積極擴(kuò)產(chǎn)，擬投資3.32億元，建設(shè)SiC材料研發(fā)制造總部。隨后，多家企業(yè)紛紛投資布局該領(lǐng)域（見(jiàn)表1），進(jìn)一步推動(dòng)SiC涂層石墨基座的質(zhì)量提升和國(guó)產(chǎn)化進(jìn)程。

3.2 細(xì)分市場(chǎng)規(guī)模較小，但未來(lái)市場(chǎng)增量可觀

SiC涂層石墨基座是一個(gè)細(xì)分市場(chǎng)，整體市場(chǎng)規(guī)模不大。SiC涂層石墨基座產(chǎn)品技術(shù)壁壘較高，因此具有較高的技術(shù)附加值，產(chǎn)品根據(jù)尺寸、質(zhì)量不同，單價(jià)在幾萬(wàn)元至十幾萬(wàn)元每個(gè)不等。SiC涂層石墨基座產(chǎn)品市場(chǎng)與MOCVD設(shè)備保有量、產(chǎn)品使用壽命等因素直接相關(guān)。根據(jù)推算，國(guó)內(nèi)目前有千余臺(tái)在使用的MOCVD設(shè)備，單個(gè)SiC涂層石墨基座使用壽命約1～1.5個(gè)月，SiC涂層石墨基座作為耗材應(yīng)用市場(chǎng)約1億元。我國(guó)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速，隨著MOCVD外延設(shè)備國(guó)產(chǎn)化率逐步提高，及其他工藝應(yīng)用擴(kuò)展，未來(lái)SiC涂層石墨基座產(chǎn)品市場(chǎng)有望快速增長(zhǎng)。據(jù)業(yè)內(nèi)人士初步估計(jì)，國(guó)內(nèi)石墨基座未來(lái)幾年市場(chǎng)將超過(guò)5億元。

4 發(fā)展建議

4.1 解決關(guān)鍵核心材料與工藝問(wèn)題

盡管我國(guó)已經(jīng)打破了國(guó)外對(duì)SiC涂層石墨基座的技術(shù)壟斷，但SiC涂層石墨基座產(chǎn)品的整體水平仍與國(guó)際領(lǐng)先水平有一定差距。一方面，高質(zhì)量的上游材料（高純石墨）的品質(zhì)不夠高；另一方面，整體制造工藝水平仍需提升。為滿足國(guó)內(nèi)產(chǎn)業(yè)的要求和市場(chǎng)的需求，需要加快提升高純石墨的品質(zhì)，達(dá)到SiC涂層石墨基座的使用要求，同時(shí)進(jìn)行更加細(xì)致的工藝探索，提高SiC涂層的質(zhì)量。

4.2 加快SiC涂層石墨基座的驗(yàn)證流程

目前，國(guó)內(nèi)SiC涂層石墨基座產(chǎn)品進(jìn)入產(chǎn)業(yè)鏈的驗(yàn)證大概需要3年左右的時(shí)間，產(chǎn)品進(jìn)入產(chǎn)業(yè)鏈的時(shí)間過(guò)長(zhǎng)。加快驗(yàn)證流程，才能更好地對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量進(jìn)行反饋，產(chǎn)品之間也能形成良性競(jìng)爭(zhēng)的環(huán)境，有利于SiC涂層石墨基座產(chǎn)品整體水平的提升。

SiC涂層石墨基座作為化合物半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)化設(shè)備的核心部件，掌握其生產(chǎn)制造的關(guān)鍵核心技術(shù)，實(shí)現(xiàn)原材料—工藝—設(shè)備全產(chǎn)業(yè)鏈國(guó)產(chǎn)化，對(duì)于保障我國(guó)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)發(fā)展具有重要戰(zhàn)略意義。國(guó)產(chǎn)SiC涂層石墨基座領(lǐng)域方興未艾，產(chǎn)品質(zhì)量達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平指日可待。

10.19599/j.issn.1008-892x.2022.03.013