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2024-10-30 16:05
讓碳化硅單晶的生長(zhǎng)不再是開“盲盒”。
走進(jìn)晶升股份展廳，幾臺(tái)形狀不一的設(shè)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(zhǎng)設(shè)備。將碳化硅粉料、籽晶等原輔料填入設(shè)備，設(shè)置相應(yīng)的運(yùn)行配方，經(jīng)過一周左右高溫、低壓的錘煉，這些設(shè)備里將長(zhǎng)出單晶碳化硅錠。
碳化硅作為第三代半導(dǎo)體材料，具備耐高壓、低損耗和高頻等優(yōu)勢(shì)，被廣泛應(yīng)用于新能源汽車、光伏逆變、軌道交通、5G通信等領(lǐng)域。
“公司已成功研發(fā)了8英寸電阻法碳化硅單晶爐，解決了碳化硅‘盲盒生長(zhǎng)’的瓶頸，讓晶體生產(chǎn)‘可視’，降低了研發(fā)成本，為后期8英寸襯底量產(chǎn)提供了設(shè)備基礎(chǔ)。”晶升股份董秘吳春生近日接受證券時(shí)報(bào)記者采訪時(shí)表示。
讓碳化硅晶體生長(zhǎng)可視可監(jiān)測(cè)
根據(jù)國(guó)際市場(chǎng)研究機(jī)構(gòu)Yole統(tǒng)計(jì)及預(yù)測(cè)，到2028年全球碳化硅器件市場(chǎng)規(guī)模有望增長(zhǎng)至89.06億美元，市場(chǎng)規(guī)模呈現(xiàn)穩(wěn)步擴(kuò)大的趨勢(shì)。受下游應(yīng)用領(lǐng)域發(fā)展驅(qū)動(dòng)，第三代半導(dǎo)體材料的需求持續(xù)增加。
不同于傳統(tǒng)的硅基材料，碳化硅材料的生長(zhǎng)條件更為苛刻，溫度需要在2200℃以上，且對(duì)工藝的控制要求也更高。作為晶體生長(zhǎng)設(shè)備，碳化硅單晶爐被認(rèn)為是半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)上游的“起點(diǎn)”設(shè)備。
“碳化硅單晶的生長(zhǎng)以前在一個(gè)完全密閉的‘黑匣子’里進(jìn)行，生長(zhǎng)過程不可視導(dǎo)致每次看晶體就像開‘盲盒’，只有打開爐體時(shí)才知曉晶體的生長(zhǎng)狀況。”吳春生告訴記者。
由于對(duì)晶體生長(zhǎng)狀態(tài)缺乏有效的觀測(cè)手段，晶體生長(zhǎng)過程中的異常無法及時(shí)調(diào)整，工藝開發(fā)需要大量實(shí)驗(yàn)去試錯(cuò)并迭代優(yōu)化，這就導(dǎo)致開發(fā)周期長(zhǎng)、費(fèi)用高、良率低等問題。
而晶升股份向市場(chǎng)推出的8英寸電阻法碳化硅單晶爐，引入可視化檢測(cè)系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)晶過程看得見。吳春生說：“基于實(shí)時(shí)觀測(cè)生長(zhǎng)速度和粉料演變狀態(tài)，該單晶爐可通過干預(yù)調(diào)節(jié)功率、壓力等條件，讓晶體生長(zhǎng)處于可控狀態(tài)。”
碳化硅晶體生長(zhǎng)過程還存在溫度梯度可控性差的行業(yè)痛點(diǎn)。“晶體生長(zhǎng)過程實(shí)際上處于熱平衡狀態(tài)，需要在高溫環(huán)境下，晶體才能找到最合適的工藝窗口，從而收獲品質(zhì)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(zhuǎn)為采用多加熱器布局，“每一個(gè)單獨(dú)的加熱器都可以分別進(jìn)行控制，從而破解了溫度梯度可控性差的難題”。
看似簡(jiǎn)單的多加熱器布局，從概念到設(shè)計(jì)，再到落地，均歷經(jīng)重重挑戰(zhàn)。以雪崩放電為例，碳化硅長(zhǎng)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(fā)生雪崩放電，進(jìn)而導(dǎo)致發(fā)熱體發(fā)熱的再分配，影響長(zhǎng)晶爐溫度梯度的穩(wěn)定性與熱場(chǎng)壽命。而一味避免雪崩放電又會(huì)引起熱場(chǎng)均勻性以及長(zhǎng)晶功率過高的問題。
“團(tuán)隊(duì)從模擬、結(jié)構(gòu)、材料選擇等方面經(jīng)過數(shù)十次的實(shí)驗(yàn)，最終找到二者的平衡點(diǎn)，將最低的長(zhǎng)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(yè)化量產(chǎn)
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(shù)難度極高，缺陷控制的程度直接影響到商業(yè)化量產(chǎn)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(jīng)加大在8英寸產(chǎn)線的布局，國(guó)內(nèi)也有多家晶圓廠實(shí)現(xiàn)了8英寸器件的量產(chǎn)。與6英寸相比，8英寸晶體如何長(zhǎng)得更厚，缺陷如何控制得更低，成為行業(yè)的主要發(fā)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(zhǎng)”的瓶頸，讓工藝開發(fā)人員能夠更快更準(zhǔn)確地驗(yàn)證工藝和晶體實(shí)際生長(zhǎng)之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，大大縮短了工藝開發(fā)周期，為后期8英寸襯底量產(chǎn)的可靠性提供了扎實(shí)的設(shè)備基礎(chǔ)，將有助于快速推動(dòng)8英寸襯底商業(yè)化量產(chǎn)的進(jìn)度。
半導(dǎo)體材料設(shè)備行業(yè)技術(shù)壁壘高、研發(fā)周期長(zhǎng)、資金投入大、下游驗(yàn)證周期長(zhǎng)，目前國(guó)內(nèi)只有少數(shù)企業(yè)可實(shí)現(xiàn)晶體生長(zhǎng)設(shè)備技術(shù)驗(yàn)證并批量供應(yīng)。
與其他設(shè)備廠商不同，晶升股份早在研發(fā)半導(dǎo)體單晶硅爐時(shí)，采取的路徑即是提供整套服務(wù)方案，即以下游產(chǎn)品性能要求切入，分析工藝需求，再開發(fā)設(shè)備，為客戶提供的不僅是設(shè)備，還包括熱場(chǎng)系統(tǒng)以及工藝設(shè)計(jì)。
2016年，晶升股份首臺(tái)12英寸半導(dǎo)體級(jí)單晶硅爐研制成功，晶升股份與滬硅產(chǎn)業(yè)子公司上海新昇展開深入合作，作為當(dāng)時(shí)其半導(dǎo)體級(jí)單晶硅爐產(chǎn)品國(guó)內(nèi)唯一供應(yīng)商，協(xié)作實(shí)現(xiàn)首根12英寸晶棒在當(dāng)年年底成功下線。2018年，設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)具有高穩(wěn)定性、高可靠性的12英寸半導(dǎo)體級(jí)單晶硅爐通過上海新昇驗(yàn)收，至此，12英寸半導(dǎo)體級(jí)單晶硅爐打破國(guó)內(nèi)空白的歷史，實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)量產(chǎn)。
“國(guó)內(nèi)客戶早期沒有成熟的熱場(chǎng)和工藝，希望設(shè)備廠可以交付整套方案。”吳春生說，“這就要求設(shè)備廠商除設(shè)備團(tuán)隊(duì)外，還需要搭建了解熱場(chǎng)和工藝的團(tuán)隊(duì)，相當(dāng)于走了一條相對(duì)難的路線，但走通后也給公司創(chuàng)造了一個(gè)能力，對(duì)下游終端產(chǎn)品和工藝非常了解，可反哺設(shè)備的開發(fā)和調(diào)整。”
2017年，晶升股份捕捉到碳化硅將成為公司業(yè)務(wù)的新風(fēng)口，于是內(nèi)部成立專項(xiàng)組，外部引進(jìn)人才，促成2018年首臺(tái)碳化硅單晶爐產(chǎn)品正式交付。
今年7月，晶升股份第一批8英寸碳化硅長(zhǎng)晶設(shè)備在重慶完成交付，這意味著公司8英寸碳化硅長(zhǎng)晶設(shè)備已完成驗(yàn)證，開啟了批量交付進(jìn)程。在晶升股份位于南京的生產(chǎn)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(chǎng)。
今年上半年，晶升股份晶體生長(zhǎng)設(shè)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(xiàng)目總部生產(chǎn)及研發(fā)中心工程建設(shè)進(jìn)展順利，預(yù)計(jì)項(xiàng)目驗(yàn)收后可于今年四季度投入使用。此項(xiàng)目正式達(dá)產(chǎn)后，晶升股份總產(chǎn)能將達(dá)到每年1400臺(tái)左右。
推動(dòng)半導(dǎo)體材料設(shè)備國(guó)產(chǎn)化
“8英寸電阻法碳化硅單晶爐批量交付后，有望為我國(guó)優(yōu)勢(shì)產(chǎn)業(yè)如新能源汽車、光伏、5G、軌道交通等，打破核心功率器件基礎(chǔ)材料依賴進(jìn)口的局面。”吳春生說。
我國(guó)半導(dǎo)體材料設(shè)備行業(yè)雖然起步晚，產(chǎn)品的成熟度等方面與海外尚有距離，但在國(guó)內(nèi)產(chǎn)能加速擴(kuò)產(chǎn)疊加設(shè)備國(guó)產(chǎn)化率提升的雙重因素驅(qū)動(dòng)下，我國(guó)碳化硅晶體生長(zhǎng)設(shè)備市場(chǎng)發(fā)展?jié)摿薮蟆?/p>
吳春生表示，在下游應(yīng)用需求旺盛、產(chǎn)業(yè)愈加精細(xì)化分工之際，國(guó)內(nèi)碳化硅襯底廠商將更需要本土設(shè)備供應(yīng)商的支持。
在他看來，半導(dǎo)體材料設(shè)備對(duì)使用案例和經(jīng)驗(yàn)要求較高，僅就長(zhǎng)晶設(shè)備而言，國(guó)內(nèi)設(shè)備與海外設(shè)備在性能方面不分伯仲，但國(guó)產(chǎn)設(shè)備目前缺乏大批量使用的案例，這需要國(guó)內(nèi)設(shè)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(zhǎng)設(shè)備的技術(shù)同源性，結(jié)合“晶體生長(zhǎng)設(shè)備—工藝技術(shù)—晶體材料”產(chǎn)業(yè)鏈上下游技術(shù)協(xié)同優(yōu)化的能力，建立了省級(jí)半導(dǎo)體晶體生長(zhǎng)裝備工程技術(shù)研究中心，致力于新產(chǎn)品、新技術(shù)及新工藝的研究與開發(fā)。
半導(dǎo)體材料設(shè)備研發(fā)的突破，對(duì)推動(dòng)我國(guó)半導(dǎo)體材料端的“自主可控”具有重要的意義。目前，晶升股份已經(jīng)成為滬硅產(chǎn)業(yè)、三安光電等國(guó)內(nèi)頭部硅片廠商、碳化硅襯底廠商的重要供應(yīng)商。
“公司未來將圍繞半導(dǎo)體級(jí)單晶硅爐和碳化硅單晶爐兩類優(yōu)勢(shì)產(chǎn)品，持續(xù)迭代優(yōu)化，同時(shí)也將積極拓展產(chǎn)品線。”吳春生表示。據(jù)了解，晶升股份正在積極布局碳化硅外延和切割設(shè)備的開發(fā)工作，此前該公司碳化硅第一臺(tái)外延設(shè)備和切割設(shè)備都已發(fā)往客戶現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行驗(yàn)證。
吳春生觀察到，最近兩年國(guó)內(nèi)襯底在品質(zhì)方面已經(jīng)取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步，和海外頭部企業(yè)的差距正在快速縮小。“我們將繼續(xù)秉承大膽創(chuàng)新、小心求證的思路，持續(xù)加大研發(fā)投入，為下游客戶提供更加穩(wěn)定、高性能的生長(zhǎng)設(shè)備。”吳春生期待著，“未來2~3年內(nèi)，在產(chǎn)業(yè)界同仁的一起努力下，我們?cè)谔蓟枰r底的整體技術(shù)水平能夠達(dá)到國(guó)際一流水準(zhǔn)，夯實(shí)中國(guó)在新能源、軌道交通等產(chǎn)業(yè)上的材料基礎(chǔ)。”
責(zé)編：萬(wàn)健祎
校對(duì)：高源
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