企業頻道
這臺單晶爐讓碳化硅告別“盲盒生長”
證券時報編輯 張淑賢
走進晶升股份展廳，幾臺形狀不一的設備映入眼簾，或酷似黑色柜子，或形似圓柱體，這均是不同類型的碳化硅晶體生長設備。將碳化硅粉料、籽晶等原輔料填入設備，設置相應的運行配方，經過一周左右高溫、低壓的錘煉，這些設備里將長出單晶碳化硅錠。
碳化硅作為第三代半導體材料，具備耐高壓、低損耗和高頻等優勢，被廣泛應用于新能源汽車、光伏逆變、軌道交通、5G通信等領域。
“公司已成功研發了8英寸電阻法碳化硅單晶爐，解決了碳化硅‘盲盒生長’的瓶頸，讓晶體生產‘可視’，降低了研發成本，為后期8英寸襯底量產提供了設備基礎。”晶升股份董秘吳春生近日接受證券時報編輯采訪時表示。
讓碳化硅晶體生長
可視可監測
根據國際市場研究機構Yole統計及預測，到2028年全球碳化硅器件市場規模有望增長至89.06億美元，市場規模呈現穩步擴大的趨勢。受下游應用領域發展驅動，第三代半導體材料的需求持續增加。
不同于傳統的硅基材料，碳化硅材料的生長調節更為苛刻，溫度需要在2200℃以上，且對工藝的控制要求也更高。作為晶體生長設備，碳化硅單晶爐被認為是半導體產業上游的“起點”設備。
“碳化硅單晶的生長以前在一個完全密閉的‘黑匣子’里進行，生長過程不可視導致每次看晶體就像開‘盲盒’，只有打開爐體時才知曉晶體的生長狀況。”吳春生告訴編輯。
由于對晶體生長狀態缺乏有效的觀測手段，晶體生長過程中的異常無法及時調整，工藝開發需要大量實驗去試錯并迭代優化，這就導致開發周期長、費用高、良率低等問題。
而晶升股份向市場推出的8英寸電阻法碳化硅單晶爐，引入可視化檢測系統，可實現長晶過程看得見。吳春生說：“基于實時觀測生長速度和粉料演變狀態，該單晶爐可通過干預調節功率、壓力等條件，讓晶體生長處于可控狀態。”
碳化硅晶體生長過程還存在溫度梯度可控性差的行業痛點。“晶體生長過程實際上處于熱平衡狀態，需要在高溫環境下，晶體才能找到最合適的工藝窗口，從而收獲品質較好的晶體。”吳春生表示，為此，晶升股份該款單晶爐，由此前單一加熱器轉為采用多加熱器布局，“每一個單獨的加熱器都可以分別進行控制，從而破解了溫度梯度可控性差的難題”。
看似簡單的多加熱器布局，從概念到設計，再到落地，均歷經重重挑戰。以雪崩放電為例，碳化硅長晶需具備溫度高（最高2400℃），壓力低（＜5mabr）的條件。但填充的氬氣電離能較低，在這種條件下極易發生雪崩放電，進而導致發熱體發熱的再分配，影響長晶爐溫度梯度的穩定性與熱場壽命。而一味避免雪崩放電又會引起熱場均勻性以及長晶功率過高的問題。
“團隊從模擬、結構、材料選擇等方面經過數十次的實驗，最終找到二者的平衡點，將最低的長晶功率由30kW~40kW降低到25kW以下。”吳春生說。
加快8英寸碳化硅
商業化量產
碳化硅襯底作為器件最核心的材料，成本占比最大，接近器件成本的一半，并且技術難度極高，缺陷控制的程度直接影響到商業化量產的水平。
尺寸越大，單位芯片成本越低。目前，碳化硅器件全球頭部客戶已經加大在8英寸產線的布局，國內也有多家晶圓廠實現了8英寸器件的量產。與6英寸相比，8英寸晶體如何長得更厚，缺陷如何控制得更低，成為行業的主要發展方向。
吳春生表示，公司8英寸電阻法碳化硅單晶爐由于解決了碳化硅“盲盒生長”的瓶頸，讓工藝開發人員能夠更快更準確地驗證工藝和晶體實際生長之間的對應關系，大大縮短了工藝開發周期，為后期8英寸襯底量產的可靠性提供了扎實的設備基礎，將有助于快速推動8英寸襯底商業化量產的進度。
半導體材料設備行業技術壁壘高、研發周期長、資金投入大、下游驗證周期長，目前國內只有少數企業可實現晶體生長設備技術驗證并批量供應。
與其他設備廠商不同，晶升股份早在研發半導體單晶硅爐時，采取的路徑即是提供整套服務方案，即以下游產品性能要求切入，分析工藝需求，再開發設備，為客戶提供的不僅是設備，還包括熱場系統以及工藝設計。
2016年，晶升股份首臺12英寸半導體級單晶硅爐研制成功，晶升股份與滬硅產業子公司上海新昇展開深入合作，作為當時其半導體級單晶硅爐產品國內唯一供應商，協作實現首根12英寸晶棒在當年年底成功下線。2018年，設備結構設計具有高穩定性、高可靠性的12英寸半導體級單晶硅爐通過上海新昇驗收，至此，12英寸半導體級單晶硅爐打破國內空白的歷史，實現國產量產。
“國內客戶早期沒有成熟的熱場和工藝，希望設備廠可以交付整套方案。”吳春生說，“這就要求設備廠商除設備團隊外，還需要搭建了解熱場和工藝的團隊，相當于走了一條相對難的路線，但走通后也給公司創造了一個能力，對下游終端產品和工藝非常了解，可反哺設備的開發和調整。”
2017年，晶升股份捕捉到碳化硅將成為公司業務的新風口，于是內部成立專項組，外部引進人才，促成2018年首臺碳化硅單晶爐產品正式交付。
今年7月，晶升股份第一批8英寸碳化硅長晶設備在重慶完成交付，這意味著公司8英寸碳化硅長晶設備已完成驗證，開啟了批量交付進程。在晶升股份位于南京的生產車間，一排排“黑色柜子”正在組裝中，不久之后，這些8英寸碳化硅單晶爐有望投向市場。
今年上半年，晶升股份晶體生長設備銷售收入中仍以碳化硅單晶爐收入為主，占比過半。晶升股份募投項目總部生產及研發中心工程建設進展順利，預計項目驗收后可于今年四季度投入使用。此項目正式達產后，晶升股份總產能將達到每年1400臺左右。
推動半導體材料
設備國產化
“8英寸電阻法碳化硅單晶爐批量交付后，有望為我國優勢產業如新能源汽車、光伏、5G、軌道交通等，打破核心功率器件基礎材料依賴進口的局面。”吳春生說。
我國半導體材料設備行業雖然起步晚，產品的成熟度等方面與海外尚有距離，但在國內產能加速擴產疊加設備國產化率提升的雙重因素驅動下，我國碳化硅晶體生長設備市場發展潛力巨大。
吳春生表示，在下游應用需求旺盛、產業愈加精細化分工之際，國內碳化硅襯底廠商將更需要本土設備供應商的支持。
在他看來，半導體材料設備對使用案例和經驗要求較高，僅就長晶設備而言，國內設備與海外設備在性能方面不分伯仲，但國產設備目前缺乏大批量使用的案例，這需要國內設備廠商和硅片廠共同努力。
晶升股份自成立以來，基于高溫高真空晶體生長設備的技術同源性，結合“晶體生長設備—工藝技術—晶體材料”產業鏈上下游技術協同優化的能力，建立了省級半導體晶體生長裝備工程技術研究中心，致力于新產品、新技術及新工藝的研究與開發。
半導體材料設備研發的突破，對推動我國半導體材料端的“自主可控”具有重要的意義。目前，晶升股份已經成為滬硅產業、三安光電等國內頭部硅片廠商、碳化硅襯底廠商的重要供應商。
“公司未來將圍繞半導體級單晶硅爐和碳化硅單晶爐兩類優勢產品，持續迭代優化，同時也將積極拓展產品線。”吳春生表示。據了解，晶升股份正在積極布局碳化硅外延和切割設備的開發工作，此前該公司碳化硅第一臺外延設備和切割設備都已發往客戶現場進行驗證。
吳春生觀察到，最近兩年國內襯底在品質方面已經取得了長足的進步，和海外頭部企業的差距正在快速縮小。“我們將繼續秉承大膽創新、小心求證的思路，持續加大研發投入，為下游客戶提供更加穩定、高性能的生長設備。”吳春生期待著，“未來2~3年內，在產業界同仁的一起努力下，我們在碳化硅襯底的整體技術水平能夠達到國際一流水準，夯實中國在新能源、軌道交通等產業上的材料基礎。”
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