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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。
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，碳化硅材料的生长调节更为苛刻，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硅片分选机工作原理，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（＜5m㊣abr）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。
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半导体到底是什么，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。
“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。”
