中国粉体网讯 近年来，国内外SiC衬底热场材料项目越来越多，前有幄肯新材料携国产SiC长晶高温热场材料进军海外市场，后有新华锦第三代半导体碳材料产业园项目落地平度备受关注。
新华锦集团生产的等静压石墨产品
随着导电型SiC衬底的逐渐量产，对工艺的稳定性、可重复性都提出更高的要求。后期，更要面临“长快、长厚、长大”的挑战，除了理论和工程的提高外，还需要更先进的热场材料作为支撑。高纯石墨具有耐高温、良好的导电性、化学稳定性，成为了半导体领域的关键材料。虽是关键材料，但仍依赖进口。
此前金博股份、东风石墨、志橙半导体等企业也纷纷在半导体领域用石墨部件有动作，这似乎预示着国产化的号角已经吹响！
特种石墨部件：第三代半导体领域新赛道
高纯石墨撑“场”
目前，国内主流商用碳化硅单晶生长均采用PVT法。该方法使用感应线圈进行加热，在涡流作用下高密度石墨发热体将被加热。将碳化硅(SiC)粉体填满石墨坩埚的底部，碳化硅(SiC)籽晶粘结在距原料面有一定距离的石墨坩埚盖内部，然后将石墨坩埚整体置于石墨发热体中，通过调节外部石墨毡的温度，使碳化硅(SiC)的原料置于高温区，而碳化硅(SiC)籽晶相应的处于低温区。
在这个过程中，坩埚及周围保温材料组成的区域是SiC单晶生长最重要的区域，称为热场区。目前国际上SiC单晶生长炉均采用中频加热技术，其特点在于晶体生长室可以达到很高的温度（最高大3000℃），在这种高温场景下，石墨及其相关制品可以承受这样的高温，且其在这样的高温下不与SiC升华物发生反应。
SiC长晶炉示意图
因此，生长SiC使用的坩埚和保温材料都需要使用高纯石墨及以碳为基础材料的制品。高纯度是半导体石墨的关键要求，尤其是在晶体生长的过程，石墨中的杂质更是晶体品质优劣的关键决定因素，杂质含量应保持在百万分之五以下。
多孔石墨降缺陷
SiC晶体生长难度大，研发周期长，研发成本高，如何降低研发成本、加快研发进度、提高晶体质量成为行业发展的难题。近年来，多孔石墨（PG）的引入有效改善了晶体生长的质量，在SiC长晶炉增加多孔石墨板是业界研究的热点之一。
（a）传统长晶炉，（b）多孔石墨板的长晶炉（图中4）
来源：韩国东义大学
韩国东义大学在论文中提到，通过SiC源粉上方插入多孔石墨板，实现了良好的晶体区域传质，可以改善传统长晶炉所存在的多种技术难题。研究发现，PG的应用有助于降低微管和其他缺陷数量。
此外，多孔石墨也是解决SiC晶体长厚的核心技术之一，因为它能够平衡气相组分，隔断微量杂质，调节局部温度，减少碳包裹等物理性颗粒，在满足晶体可用的前提下，晶体厚度能够大幅增加。
多孔石墨，来源：恒普
石墨基座
石墨基座常用于金属有机物化学气相沉积（MOCVD）设备中支撑和加热单晶衬底的部件。SiC涂层石墨基座的热稳定性、热均匀性等性能参数对外延材料生长的质量起到决定性作用，因此是MOCVD设备的核心关键部件。在碳化硅的外延工艺中，晶片承载在石墨盘上，有桶式、煎饼式和单晶片石墨盘。
来源：TOYO TASON
石墨盘一般经过SiC涂层，SiC涂层与石墨部件紧密结合，延长了石墨部件的使用寿命，并实现了生产半导体材料所需的高纯度表面结构。另外还有TaC涂层，TaC涂层石墨与SiC涂层石墨产品相比，具有更优异的耐热性。
离子注入用石墨部件
离子注入是指将硼、磷、砷等离子束加速到一定能量，然后注入晶圆材料的表层内，以改变材料表层物质特性的工艺。组成离子注入装置部件的材料要求具有出优异耐热性、导热性、由离子束引起的腐蚀较少且杂质含量低的高纯材料。
来源：宁波弘信新材料科技有限公司
高纯石墨满足应用要求，可用于离子注入设备的飞行管、各种狭缝、电极、电极罩、导管、束终止器等。
需求旺盛，国产替代“加速”中
根据天岳先进公告显示，2020 年公司碳粉已100%采购自国内供应商，而石墨件、石墨毡向国内厂商的采购占比在2020年分别仅为42.5%、0.83%。随着国内SiC产业链的快速发展，行业对关键原材料的国产替代需求日益突出。
目前，碳化硅衬底成本约占整体器件成本的47%，其中涂层石墨等热场材料的成本比重较高。
就SiC涂层石墨基座而言，国际上SiC涂层石墨基座主流供应商有荷兰Xycard、德国西格里碳素（SGL）、日本东洋碳素、美国MEMC等企业，基本占据了国际市场。
在国内，随着志橙半导体打开了SiC涂层石墨基座国产化的局面，SiC涂层石墨基座产业进程加快。
小结
SiC晶体生长系统主要由石墨坩埚、籽晶和SiC粉料等组成，其中石墨耗材成本占比非常高。为确保SiC长晶的成本和产品良品率，SiC或TaC等新涂层材料需求也增大。客观来讲，国产装备和耗材的进步空间还很大，但不少企业也在许多关键瓶颈正过关迈坎。
（中国粉体网编辑整理/空青）
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