SiC涂层石墨基座技术及产业发展研究

王玉

1 碳化硅（SiC）涂层石墨基座基本情况

1.1 基本概念

SiC涂层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（图1）。MOCVD设备是化合物半导体单晶衬底外延生长的研发及产业化关键设备，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。

选择β-SiC（3C-SiC）晶型作为涂层，该晶型相比其他晶型具有良好的热力学稳定性、抗氧化性和耐腐蚀性等一系列优异性能，同时其具备与石墨基本一致的热导率，因此赋予了石墨基座特殊的性能，可以有效解决石墨基座在服役过程中因高温氧化、腐蚀掉粉而造成的失效，使石墨基座表面具备致密、无孔隙、耐高温、抗溶蚀、抗氧化等特性，进而提高晶体外延质量与石墨基座使用寿命（SiC涂层石墨基座的使用寿命以炉次为单位）。

1.2 SiC涂层石墨基座制造技术难度大

SiC涂层石墨基座每个炉次都需要承受一次高低温的循环，在这个过程中SiC涂层很容易产生裂缝、崩溃等损伤，将导致基座上的晶片受污损，并且严重影响基座的使用寿命。因此，SiC涂层的质量直接影响石墨基座的使用寿命。

为保证SiC涂层石墨基座性能的良好和稳定，除高纯石墨的纯度、加工精细度等基体性能外，主要难点在于保持SiC涂层的晶型一致性、表面形貌均一性和厚度一致性等性能。高质量涂层生长工艺要求极为苛刻，SiC多晶涂层生长过程中，可能存在100多种晶型转化，不同晶型转化的温度等条件相差较小；基座的尺寸越大、涂层厚度越厚，技术难度越高。此外，在不规则表面（圆弧、倒角、台阶等）处涂层均一性更难控制。因此涂层在生长过程中的温度、压力、气氛等因素细微变化，都会直接影响产品质量和使用寿命。目前，石墨基座使用寿命（炉次）是衡量产品的最核心指标。

1.3 开发验证环节长，产品进入供应链难度大

SiC涂层石墨基座进入供应链需要设备厂商和设备使用方给予极大程度的配合，进行应用验证，产品的使用寿命达到国际先进水平，方具备市场竞争优势。

首先，SiC涂层石墨基座产品须通过MOCVD设备厂商的应用验证。产品在MOCVD设备上试用后，设备厂商从使用质量、寿命等多个维度对产品进行评估，通过反复交付与反馈，从生产和使用两方面不断进行技术和工艺的调整，使产品性能达到国际先进水平，具备竞争优势，最终通过验证加入供货商名单，其开发验证时间一般需要2～3年。同时，设备厂商对SiC涂层石墨基座的生产设备也有一定要求：一旦基座生产商提供的SiC涂层石墨基座样品通过了设备厂商的验证，则基座生产商不得轻易更换基座的生产设备。在样品顺利通过验收的条件下，该验证过程需2～3周时间。由于对生产设备的严格要求，基座生产商在扩产过程中增加的新设备均需通过设备厂商的验证。

其次，设备使用方也需要在实际生产过程中对作为耗材的SiC涂层石墨基座产品进行性能及稳定性评估验证，以确保生产出来的外延片符合相应的要求，该验证流程需9～12个月，通过验证后，才会达成大批量的采购订单。设备厂商与设备使用方都不会轻易更换供货商名单，用户粘性强，进入市场的门槛较高。

2 SiC涂层石墨基座技术现状

2.1 国产SiC涂层石墨基座已打破技术垄断，但上游材料仍需进口

2017年以前，我国SiC涂层石墨基座产品主要依赖进口，质量最好的荷兰Xycard公司SiC涂层石墨基座使用寿命可达200～300炉次，其他公司的产品寿命稍短，为100～200炉次。

2017年，我国MOCVD设备龙头企业——中微半导体设备（上海）股份有限公司（以下简称“中微半导体”）的石墨基座供应商德国SGL因专利纠纷被美国MOCVD设备最大制造企业维易科（Veeco）起诉，导致我国石墨基座短期供货短缺，部分MOCVD设备应用企业面临停产危机。该事件直接推动了SiC涂层石墨基座国产化替代进程。

2019年，深圳市志橙半导体材料有限公司（以下簡称“志橙公司”）实现国产石墨基座的批量供货，目前志橙公司产品使用寿命经验证仅次于荷兰Xycard。专利风波为国产SiC涂层石墨基座提供了进入产业链的良好契机，以志橙公司为代表的国内企业迅速占领市场。目前，志橙公司已通过多家半导体企业批量验证，成为国内排名第一的石墨基座产品供应商。

此外，志橙公司在实现SiC涂层石墨基座的国产化过程中，研发了具有自主知识产权的基座生产设备，已实现设备、气源（气相SiC前驱体、载气、稀释气体等）及最终产品的国产化，进一步保证了石磨基座的供货稳定性。

然而，尽管我国已突破石墨基体表面均匀生长SiC涂层的关键核心技术，但高质量的石墨基体依然依赖德国SGL、日本东洋碳素等企业，国内企业提供的石墨基体由于热导率、弹性模量、刚性模量、晶格缺陷等质量问题影响使用寿命，尚不能满足MOCVD设备对SiC涂层石墨基座的使用要求。

2.2 国际上已经布局前沿技术方向

尽管SiC涂层已经极大提高了石墨基座的使用寿命，但是SiC涂层石墨基座仍然是易耗品，导致相关半导体化合物外延片的成本很难降低。国际产业界正在寻找新的解决方案：2021年7月，英国AFTech公司获得了英国研究与创新局超过100万英镑（超838万人民币）的资助，用于生产新型石墨涂层。据悉，AFTech采用全新的碳化钽（TaC）涂层替代SiC，以克服热应力问题，将石墨部件的使用寿命提高30%～50%。

3 SiC涂层石墨基座产业现状

3.1 国内企业市場份额不高，产业发展方兴未艾

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。

志橙公司打开了SiC涂层石墨基座国产化的局面，并且占据了国内市场的一定份额。然而作为该细分领域的龙头企业，志橙公司的产能已接近饱和，尚无法满足国内市场的需求。因此，志橙公司积极扩产，拟投资3.32亿元，建设SiC材料研发制造总部。随后，多家企业纷纷投资布局该领域（见表1），进一步推动SiC涂层石墨基座的质量提升和国产化进程。

3.2 细分市场规模较小，但未来市场增量可观

SiC涂层石墨基座是一个细分市场，整体市场规模不大。SiC涂层石墨基座产品技术壁垒较高，因此具有较高的技术附加值，产品根据尺寸、质量不同，单价在几万元至十几万元每个不等。SiC涂层石墨基座产品市场与MOCVD设备保有量、产品使用寿命等因素直接相关。根据推算，国内目前有千余台在使用的MOCVD设备，单个SiC涂层石墨基座使用寿命约1～1.5个月，SiC涂层石墨基座作为耗材应用市场约1亿元。我国半导体产业发展迅速，随着MOCVD外延设备国产化率逐步提高，及其他工艺应用扩展，未来SiC涂层石墨基座产品市场有望快速增长。据业内人士初步估计，国内石墨基座未来几年市场将超过5亿元。

4 发展建议

4.1 解决关键核心材料与工艺问题

尽管我国已经打破了国外对SiC涂层石墨基座的技术垄断，但SiC涂层石墨基座产品的整体水平仍与国际领先水平有一定差距。一方面，高质量的上游材料（高纯石墨）的品质不够高；另一方面，整体制造工艺水平仍需提升。为满足国内产业的要求和市场的需求，需要加快提升高纯石墨的品质，达到SiC涂层石墨基座的使用要求，同时进行更加细致的工艺探索，提高SiC涂层的质量。

4.2 加快SiC涂层石墨基座的验证流程

目前，国内SiC涂层石墨基座产品进入产业链的验证大概需要3年左右的时间，产品进入产业链的时间过长。加快验证流程，才能更好地对产品质量进行反馈，产品之间也能形成良性竞争的环境，有利于SiC涂层石墨基座产品整体水平的提升。

SiC涂层石墨基座作为化合物半导体产业化设备的核心部件，掌握其生产制造的关键核心技术，实现原材料—工艺—设备全产业链国产化，对于保障我国半导体产业发展具有重要战略意义。国产SiC涂层石墨基座领域方兴未艾，产品质量达到国际先进水平指日可待。

10.19599/j.issn.1008-892x.2022.03.013