半岛半导体用SiCTaC涂层部件的研究进展

　　半岛综合体育2024年世界碳化硅大会在武汉举办获得圆满成功，在大会上，诸多碳化硅产业的专业人员也给湖南兴晟新材料科技有限公司分享了这个行业目前的进展以及相关产业的研究进度，那么本文将带来湖南兴晟新材料科技有限公司关于半导体用SiC/TaC涂层部件的研究进展的讲解。

　　演讲人是湖南兴晟新材料科技有限公司总经理邓军旺，毕业于中南大学粉末冶金研究院，材料学博士，高级工程师，中南大学校外硕士生导师。主要从事碳基材料，粉末冶金新技术，新工艺研究。发表论文近20篇，拥有专利30余项，荣获省部级科技奖励10余项。入选长沙市高层次人才，湖南省121人才。

　　在本文中，将会对碳化硅的产业背景、半导体及对SiC/TaC涂层材料的要求、SiC/TaC涂层材料现状以及湖南兴晟新材料科技有限公司创新团队开展相关工作做一个详细介绍。

　　目前来看，半导体分为第一代、第二代和第三代，这三代半导体材料在各个领域发挥各自的作用。硅基半导体作为第一代半导体占比较高，是目前应用最广泛的材料之一。为了满足更高的要求，第二代半导体也在发挥作用。第三代半导体目前也备受关注，其中碳化硅和氮化镓近年来成为国内乃至全球投资热门的细分领域。

　　这些半导体在国民经济中应用广泛，涉及航天航空、潜艇、武器装备、载人飞船等领域，与我们的生活息息相关。在智能AI等产业发展的带动下，半导体产业越发蓬勃。

　　国家统计局统计的进口集成电路数量是非常巨大的，每年增幅虽有波动，但代表着半导体随着经济快速增长。尽管进口同比呈下降趋势，但进口金额已接近万亿，为国产化发展提供了广阔舞台。相比之下，出口主要以中低端芯片为主，近年呈下降趋势。

　　值得注意的是，海关总署数据显示设备进口同比增长，暗示着半导体设备需求增长，国产化芯片投资项目也在增长，拉动了设备需求半岛。高端芯片依赖进口，尤其在出口管制政策下受限。此外，疫情对消费电子产业影响明显，经济未能快速反弹，消费电子需求下降。疫情后，国产化替代成为研讨会热议话题，国内产能增长势头良好，预计五年内产量可翻番。

　　同时，碳化硅涂层和碳化钽涂层的国产化也需关注，以注入新活力促进半导体产业发展。

　　根据QY Research的统计数据，全球CVD碳化硅零部件市场规模预计从2022年的约8亿美元增长至2028年的14亿美元，年复合增长率约为10%。国际厂商如东海、崇德、西格里、东洋等在这一领域占据主导地位，而国内厂商市场份额较低，2022年约为2亿美元，预计到2028年将达到42.6亿美元，年复合增长率为13.44%。

　　然而，国内高端部件仍主要依赖进口，国产化替代仍有待加强。碳化碳涂层主要应用于碳化硅长晶炉和长晶中的石墨配件半岛。国内技术已走在世界前列，尽管与国外相比还有差距，但在亚太地区市场份额较大，为碳化钽涂层应用提供了发展潜力。整体而言，碳化硅长晶用碳化钽涂层件市场规模预计数十亿人民币。

　　碳化硅和碳化钽涂层件在半导体芯片制造中主要应用于晶圆、氧化扩散、外延、刻蚀等领域。

　　单晶硅生长主要使用高纯石墨和碳坦涂层，其中碳坦涂层在光伏级硅中应用较多。未来趋势之一是希望用探讨替代高纯石墨和石英干锅。电子级硅生长采用高纯石墨加碳化硅涂层方案，亦为当前成熟应用的方案。

　　碳化硅涂层要求纯度达到99.9995%以上，耐温可达1600摄氏度，主要目的是隔离气态硅和石墨，防止二者反应产生碳化硅颗粒污染晶圆。碳化硅需解决碳灰长晶成本构成问题，因为碳化硅在外延制程中的成本占比较大，国内长晶成本已超过40%到50%。因此，需要不断更新材料并提升技术水平以解决行业发展的难点。

　　氧化/扩散在半导体领域是重要工序之一，尤其是氧化管通常采用纯碳化硅，但目前国产碳化硅基板较为缺乏，大部分依赖进口，国产化是必须解决的问题。

　　外延生长和离子注入等过程也采用石墨加涂层的方案，其中碳化硅涂层是常用的解决方案之一。

　　刻蚀半岛、离子注入也有采用石墨加涂层的方案，其中碳化硅涂层是常用的解决方案之一。

　　目前来说石墨、碳化硅陶瓷材料是半导体生产不可或缺的材料，广泛用于发热体、基座、坩埚、导流筒、链接件等重要部件。材料的纯度、化学稳定性、特别是挥发性物质直接关系到半导体材料的纯度、性能和品质。

　　石墨和碳化硅陶瓷在半导体制造中至关重要，其性能直接影响晶圆质量，因此国产化工作正在进行。制作工艺主要通过陶瓷和粉末冶金方法，随后进行纯化以提高纯度。

　　然而，目前仍主要依赖进口，需要更多的国产替代品介入。为了解决石墨容易掉粉和气体反应的问题，在制造过程中采用了SiC和TaC等涂层方案，以满足半导体需求。

　　在碳化硅和石墨涂层领域，我们追求更高的纯度、良好的机械性能和涂层结合性，以及优异的抗腐蚀性能。

　　目前，制备碳化硅涂层的方法包括CVD方法、料浆烧解法和等离子喷涂法，其中CVD应用最为成熟，但技术封锁严重且价格昂贵，订货周期长。国内的高校如中南大学、西工大等以及企业如兴晟等在国产化替代方面做了大量工作。

　　目前中南大学的学术带头人李国栋教授在SiC和TaC涂层制备方面是行业内的专家，已经在早期开始了相关工作。预计碳化硅涂层将在今年六月底或七月初实现量产半岛。

　　在我们的研发过程中，我们不仅在常规的单层涂层上进行研究半岛，还着重研究了双梯度涂层的形貌。这种双梯度涂层对于提高涂层寿命、增强基材与涂层之间的连接强度以及提升抗热疲劳性能非常有帮助，因此被视为未来发展的方向。目前，我们的涂层纯度可以达到5ppm以下，甚至可以达到1-2个ppm的纯度。

　　兴晟的研究工作包括在各种产品上应用这些涂层，如长晶炉、12寸坩埚、导流筒、碳化硅长晶、氮硅基氮化镓外延产品、水平外延、垂直外延以及外延多片机等。我们利用快速退火炉等技术，使得我们的产品在行业内处于领先地位。此外，我们还在热解碳领域做了很多工作，包括提高纯度等方面。

　　随着国产化的加剧，兴晟也将继续努力实现进口替代，并推动TAC和SiC等半导体材料的国产化，以实现自主可控。

　　半导体材料目前分为三代，其中碳化硅和氮化镓作为第三代半导体材料，正成为全球投资的热点。其应用范围已涵盖国民经济的方方面面。随着智能人工智能等领域的蓬勃发展，半导体产业持续繁荣。尽管进口集成电路数量庞大，但国产化发展却提供了广阔空间，尤其在高端芯片领域更是如此。

　　碳化硅涂层和碳化钽涂层对半导体产业的发展至关重要，国内技术已取得显著进展，但仍需加强国产化替代。全球CVD碳化硅市场预计将持续增长，国内厂商的市场份额也将显著提升。碳化硅/碳化钽涂层对纯度和耐高温等特性有着非常高的要求。湖南兴晟新材料科技有限公司通过不懈努力，在制备等方面已取得显著的突破。同时兴晟的研究工作不仅限于单层涂层，还包括双梯度图层的研发，旨在提高涂层性能和寿命，致力于实现进口替代，推动半导体材料的国产化，以实现自主可控的发展目标。