走进晶升股份展厅，几台形状不一的设备映入眼帘，或酷似黑色柜子，或形似圆柱体，这均是不同类型的碳化硅晶体生长设备。将碳化硅粉料、籽晶等原辅料填入设备，设置相应的运行配方，经过一周左右高温、低压的锤炼，这些设备里将长出单晶碳化硅锭。
碳化硅作为第三代半导体材料，具备耐高压、低损耗和高频等优势，被广泛应用于新能源汽车、光伏逆变、轨道交通、5G通信等领域。
“公司已成功研发了8英寸电阻法碳化硅单晶炉，解决了碳化硅‘盲盒生长’的瓶颈，让晶体生产‘可视’，降低了研发成本，为后期8英寸衬底量产提供了设备基础。”晶升股份董秘吴春生近日接受证券时报记者采访时表示。
让碳化硅晶体生长可视可监测
根据国际市场研究机构Yole统计及预测，到2028年全球碳化硅器件市场规模有望增长至89.06亿美元，市场规模呈现稳步扩大的趋势。受下游应用领域发展驱动，第三代半导体材料的需求持续增加。
不同于传统的硅基材料，碳化硅材料的生长条件更为苛刻，温度需要在2200℃以上，且对工艺的控制要求也更高。作为晶体生长设备，碳化硅单晶炉被认为是半导体产业上游的“起点”设备。
“碳化硅单晶的生长以前在一个完全密闭的‘黑匣子’里进行，生长过程不可视导致每次看晶体就像开‘盲盒’，只有打开炉体时才知晓晶体的生长状况。”吴春生告诉记者。
由于对晶体生长状态缺乏有效的观测手段，晶体生长过程中的异常无法及时调整，工艺开发需要大量实验去试错并迭代优化，这就导致开发周期长、费用高、良率低等问题。
而晶升股份向市场推出的8英寸电阻法碳化硅单晶炉，引入可视化检测系统，可实现长晶过程看得见。吴春生说：“基于实时观测生长速度和粉料演变状态，该单晶炉可通过干预调节功率、压力等条件，让晶体生长处于可控状态。”
碳化硅晶体生长过程还存在温度梯度可控性差的行业痛点。“晶体生长过程实际上处于热平衡状态，需要在高温环境下，晶体才能找到最合适的工艺窗口，从而收获品质较好的晶体。”吴春生表示，为此，晶升股份该款单晶炉，由此前单一加热器转为采用多加热器布局，“每一个单独的加热器都可以分别进行控制，从而破解了温度梯度可控性差的难题”。
看似简单的多加热器布局，从概念到设计，再到落地，均历经重重挑战。以雪崩放电为例，碳化硅长晶需具备温度高（最高2400℃），压力低（＜5mabr）的条件。但填充的氩气电离能较低，在这种条件下极易发生雪崩放电，进而导致发热体发热的再分配，影响长晶炉温度梯度的稳定性与热场寿命。而一味避免雪崩放电又会引起热场均匀性以及长晶功率过高的问题。
“团队从模拟、结构、材料选择等方面经过数十次的实验，最终找到二者的平衡点，将最低的长晶功率由30kW~40kW降低到25kW以下。”吴春生说。
加快8英寸碳化硅商业化量产
碳化硅衬底作为器件最核心的材料，成本占比最大，接近器件成本的一半，并且技术难度极高，缺陷控制的程度直接影响到商业化量产的水平。
尺寸越大，单位芯片成本越低。目前，碳化硅器件全球头部客户已经加大在8英寸产线的布局，国内也有多家晶圆厂实现了8英寸器件的量产。与6英寸相比，8英寸晶体如何长得更厚，缺陷如何控制得更低，成为行业的主要发展方向。
吴春生表示，公司8英寸电阻法碳化硅单晶炉由于解决了碳化硅“盲盒生长”的瓶颈，让工艺开发人员能够更快更准确地验证工艺和晶体实际生长之间的对应关系，大大缩短了工艺开发周期，为后期8英寸衬底量产的可靠性提供了扎实的设备基础，将有助于快速推动8英寸衬底商业化量产的进度。
半导体材料设备行业技术壁垒高、研发周期长、资金投入大、下游验证周期长，目前国内只有少数企业可实现晶体生长设备技术验证并批量供应。
与其他设备厂商不同，晶升股份早在研发半导体单晶硅炉时，采取的路径即是提供整套服务方案，即以下游产品性能要求切入，分析工艺需求，再开发设备，为客户提供的不仅是设备，还包括热场系统以及工艺设计。
2016年，晶升股份首台12英寸半导体级单晶硅炉研制成功，晶升股份与沪硅产业子公司上海新昇展开深入合作，作为当时其半导体级单晶硅炉产品国内唯一供应商，协作实现首根12英寸晶棒在当年年底成功下线。2018年，设备结构设计具有高稳定性、高可靠性的12英寸半导体级单晶硅炉通过上海新昇验收，至此，12英寸半导体级单晶硅炉打破国内空白的历史，实现国产量产。
“国内客户早期没有成熟的热场和工艺，希望设备厂可以交付整套方案。”吴春生说，“这就要求设备厂商除设备团队外，还需要搭建了解热场和工艺的团队，相当于走了一条相对难的路线，但走通后也给公司创造了一个能力，对下游终端产品和工艺非常了解，可反哺设备的开发和调整。”
2017年，晶升股份捕捉到碳化硅将成为公司业务的新风口，于是内部成立专项组，外部引进人才，促成2018年首台碳化硅单晶炉产品正式交付。
今年7月，晶升股份第一批8英寸碳化硅长晶设备在重庆完成交付，这意味着公司8英寸碳化硅长晶设备已完成验证，开启了批量交付进程。在晶升股份位于南京的生产车间，一排排“黑色柜子”正在组装中，不久之后，这些8英寸碳化硅单晶炉有望投向市场。
今年上半年，晶升股份晶体生长设备销售收入中仍以碳化硅单晶炉收入为主，占比过半。晶升股份募投项目总部生产及研发中心工程建设进展顺利，预计项目验收后可于今年四季度投入使用。此项目正式达产后，晶升股份总产能将达到每年1400台左右。
推动半导体材料设备国产化
“8英寸电阻法碳化硅单晶炉批量交付后，有望为我国优势产业如新能源汽车、光伏、5G、轨道交通等，打破核心功率器件基础材料依赖进口的局面。”吴春生说。
我国半导体材料设备行业虽然起步晚，产品的成熟度等方面与海外尚有距离，但在国内产能加速扩产叠加设备国产化率提升的双重因素驱动下，我国碳化硅晶体生长设备市场发展潜力巨大。
吴春生表示，在下游应用需求旺盛、产业愈加精细化分工之际，国内碳化硅衬底厂商将更需要本土设备供应商的支持。
在他看来，半导体材料设备对使用案例和经验要求较高，仅就长晶设备而言，国内设备与海外设备在性能方面不分伯仲，但国产设备目前缺乏大批量使用的案例，这需要国内设备厂商和硅片厂共同努力。
晶升股份自成立以来，基于高温高真空晶体生长设备的技术同源性，结合“晶体生长设备—工艺技术—晶体材料”产业链上下游技术协同优化的能力，建立了省级半导体晶体生长装备工程技术研究中心，致力于新产品、新技术及新工艺的研究与开发。
半导体材料设备研发的突破，对推动我国半导体材料端的“自主可控”具有重要的意义。目前，晶升股份已经成为沪硅产业、三安光电等国内头部硅片厂商、碳化硅衬底厂商的重要供应商。
“公司未来将围绕半导体级单晶硅炉和碳化硅单晶炉两类优势产品，持续迭代优化，同时也将积极拓展产品线。”吴春生表示。据了解，晶升股份正在积极布局碳化硅外延和切割设备的开发工作，此前该公司碳化硅第一台外延设备和切割设备都已发往客户现场进行验证。
吴春生观察到，最近两年国内衬底在品质方面已经取得了长足的进步，和海外头部企业的差距正在快速缩小。“我们将继续秉承大胆创新、小心求证的思路，持续加大研发投入，为下游客户提供更加稳定、高性能的生长设备。”吴春生期待着，“未来2~3年内，在产业界同仁的一起努力下，我们在碳化硅衬底的整体技术水平能够达到国际一流水准，夯实中国在新能源、轨道交通等产业上的材料基础。”
