在电子和半导体领域，以碳化硅为代表的第三代半导体在射频器件和功率器件上已加速投入应用。特别是基于碳化硅材料的功率器件，在新能源汽车、储能、通信等领域多有应用，市场潜力巨大。
图：中科院山西煤化所 郭全贵研究员
碳化硅器件想要进一步发展，离不开高质量的碳化硅晶体和外延生长技术的精进。在碳化硅长晶的过程中，多孔石墨发挥着重要作用，关系着晶体生长的品质。只不过，目前碳化硅长晶用的多孔石墨材料严重依赖进口。如何打破依赖现状，实现国产替代，则是摆在国内半导体石墨材料厂商面前的难题。
作为中国科学院山西煤炭化学研究所的郭全贵研究员，交出了属于他的材料答案——青岛芯科半导体新材料科技有限公司（以下简称“芯科新材”），一家专为客户提供定制化的大孔隙率、窄孔径分布的多孔石墨材料解决方案。
实现国产替代，势在必行
对于我国在高端制造业所需关键基础材料方面的处境，郭教授描述为”要么无材料可用；要么有材料不好用；要么好材料不敢用。“事实也确实如此。
随着第三代半导体的不断深入发展，我国也已经在该领域做了详细的规划和产能布局。不过，最为关键的长晶和外延热场基础材料，主要是长晶用石墨坩埚材料以及与之配套的多孔石墨材料依旧严重依赖进口。特别是国内的多孔石墨厂商，并不多，而多孔石墨在碳化硅长晶过程中有着无可替代的作用。
据郭全贵教授介绍，多孔石墨最主要的功能是改变原料区的温度场分布，从而疏导和控制组分流按照设计的长晶路线实现可控的释放、输运到籽晶处最终完成晶体生长。简言之，多孔石墨就是碳化硅长晶系统中的”分流枢纽“。
不仅如此，多孔石墨的应用，还可以使晶体边缘处多晶化效应减弱，从而获得大尺寸晶体。此外，多孔石墨还可以过滤掉一些原料区分解物产生的碳的浮尘、晶须等外来物，从而避免在晶体中形成包裹物，从而达到实现高品质晶体生长的最终目的。
图：芯科新材多孔石墨微观结构图
目前的实际应用中，高端长晶用多孔石墨产品主要源自摩根、西格里等国外厂家，国外依赖性高。受此影响之下，多孔石墨产品不仅价格贵，而且供应链也具有不稳定性。因此，实现多孔石墨的国产化替代，势在必行。
在30多年特种石墨材料研究浸染之下，郭全贵教授积累了足够丰富的特种炭石墨材料的基础认知和实践经验。基于行业需求和自身的理论实践积累，郭全贵教授在2023年年末成立了芯科新材，开始身体力行地解决国内缺乏多孔石墨材料的问题。
立足实际需求，研发个性化产品
从多孔石墨的应用原理来看，多孔石墨产品的关键不外乎两大方面，一方面是需要大孔隙率，以便构成良好的输运通道；另一方面是需要窄的孔径，通过孔径分布来保障气氛流的均匀可释放。
这也是多孔石墨产品的核心所在——调控多孔石墨产品的孔隙率和孔径。与此同时，还要保障产品的耐温性、强度和抗硅蒸汽的腐蚀。郭全贵教授强调，“多孔石墨产品的均质性和一致性也要同时兼顾。”这不仅是对多孔石墨产品的要求，更是对多孔石墨企业研发和生产的行业期待。
图：芯科新材多空石墨密度、孔结构及孔隙率检测
成立以来，芯科新材一直贯彻的是理论和实践相结合的务实路线。根据郭全贵教授团队对多孔石墨产品的运用原理的认知与理解，加之不断根据下游客户的需求验证反馈更改，芯科新材已经定型了三款多孔石墨产品。
不同的下游衬底企业，其长晶工艺都存在或多或少的差异。不过，郭全贵教授对自家产品很有信心。他表示，目前已定型的三款产品可以满足不同衬底企业的个性化需求。并且这三款产品都已经对接下游多个客户，实现了稳定供货，通过国内部分长晶企业的验证，系列产品的孔径、孔隙率符合客户需求，耐腐蚀程度高，减少碳包覆。
多孔石墨作为碳化硅长晶过程中的配套产品，更多地掌握在国外厂商手里，国内厂商并不多。根据郭全贵教授现已了解到的信息，目前国内已经有几家厂商在尝试生产并提供多孔石墨产品进行验证使用。
半导体材料是半导体产业的基础，高品质的产品更是离不开好材料。做好第三代半导体材料，不仅是未来发展方向，也是材料厂商的时代任务。
在郭全贵教授看来，多孔石墨未来的发展方向主要涉及品质、规格、应用范围三方面。具体而言，一是要从研发角度，突破技术壁垒，提升多孔石墨产品品质。二是思考如何保障大规格尺寸的多孔石墨产品的性能，特别是在下游需求的多孔石墨产品规格在逐渐增大的趋势下，如何保障产品的均质性和一致性？这都是需要企业用实践和成果回答的问题。三是拓宽多孔石墨的应用范围。在长晶领域之外，其他领域同样对多孔石墨存在着使用需求。为了更好地满足和契合客户的需要，实现产品的丰富化和定制化，企业还需要从研发端着力。
图：芯科新材多孔石墨产品介绍
这不仅是郭全贵教授对多孔石墨未来的发展的思考，还是芯科新材未来发展的重点。以芯科新材为新的起点，以更好用的多孔石墨材料为唯一目标，努力得到更多下游用户的认可和肯定，为我国半导体行业用的关键基础材料添砖加瓦，这就是芯科新材朴素的企业追求。
