中國粉體網(wǎng)訊  半導(dǎo)體行業(yè)作為現(xiàn)代電子信息產(chǎn)業(yè)的基礎(chǔ),，是支撐國民經(jīng)濟高質(zhì)量發(fā)展的重要行業(yè)。碳化硅材料主要包括單晶和陶瓷2大類，無論是作為單晶材料還是陶瓷材料，碳化硅在半導(dǎo)體行業(yè)發(fā)揮重要作用,。

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單晶方面，碳化硅作為目前發(fā)展最成熟的第三代半導(dǎo)體材料,，是近年來最火熱的材料之一,。尤其是在“雙碳”戰(zhàn)略背景下，碳化硅被深度綁定新能源汽車,、光伏,、儲能等節(jié)能減碳行業(yè)，萬眾矚目,。

陶瓷方面,，碳化硅憑借其優(yōu)異的高溫力學(xué)強度、高硬度,、高彈性模量,、高耐磨性、高導(dǎo)熱性,、耐腐蝕性等性能,，成為用途最廣的陶瓷材料之一。尤其是在半導(dǎo)體裝備領(lǐng)域,，裝備制造是半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的核心組成部分，在某種意義上裝備的先進程度可以代表整個國家的工業(yè)發(fā)展水平,。精密陶瓷作為不可或缺的零部件材料,，已經(jīng)被引入到各種半導(dǎo)體裝備之中，碳化硅陶瓷即是其中的代表,，尤其是在光刻機,、刻蝕機等最頂尖的設(shè)備中，碳化硅陶瓷部件被大量使用,。

可以說,，半導(dǎo)體行業(yè)已經(jīng)成為碳化硅陶瓷的火熱賽道與密集賽道。（2023年6月14日,，中國粉體網(wǎng)將在江蘇蘇州舉辦第二屆半導(dǎo)體行業(yè)用陶瓷材料技術(shù)研討會,，屆時，來自湖南大學(xué)的肖漢寧教授將帶來題為《碳化硅陶瓷及其在半導(dǎo)體裝備與器件中的應(yīng)用》的報告,，聽肖漢寧教授講述碳化硅與半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的故事）,。

光刻機等半導(dǎo)體設(shè)備用精密部件的熱門材料

關(guān)鍵零部件在半導(dǎo)體設(shè)備中具有舉足輕重的作用,，要求結(jié)構(gòu)件材料具有高純度、高致密度,、高強度,、高彈性模量、高導(dǎo)熱系數(shù)及低熱膨脹系數(shù)等特點,，且結(jié)構(gòu)件要具有極高的尺寸精度和結(jié)構(gòu)復(fù)雜性,。在2022年由中國粉體網(wǎng)主辦的“第一屆半導(dǎo)體行業(yè)用陶瓷材料技術(shù)研討會”期間，據(jù)中國建筑材料科學(xué)研究總院的劉海林所長介紹,，碳化硅陶瓷在半導(dǎo)體制造的前段到后段工藝裝備中都有廣泛應(yīng)用,，例如在研磨拋光吸盤、光刻吸盤,、檢測吸盤,、精密運動平臺、刻蝕環(huán)節(jié)的高純碳化硅部件,、封裝檢測環(huán)節(jié)中精密運動系統(tǒng)等等,。

來源：Wind，梧桐樹半導(dǎo)體整理

在光刻機中

在高端光刻機中,，為實現(xiàn)高制程精度,，需要廣泛采用具有良好的功能復(fù)合性、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性,、熱穩(wěn)定性,、尺寸精度的陶瓷零部件，如E-chuck,、Vacumm-chuck,、Block、磁鋼骨架水冷板,、反射鏡,、導(dǎo)軌等。這方面,，碳化硅陶瓷足以勝任,。

碳化硅吸盤，高純碳化硅晶舟（圖片來源：中國建材總院）

碳化硅氣浮導(dǎo)軌及超精密氣浮運動系統(tǒng)（圖片來源：中國建材總院）

碳化硅片叉,，檢測用碳化硅吸盤（圖片來源：中國建材總院）

碳化硅多孔吸盤,，碳化硅組合式框架（圖片來源：中國建筑材料科學(xué)研究總院）

在刻蝕設(shè)備中

在刻蝕設(shè)備中，等離子體通過物理作用和化學(xué)反應(yīng)會對設(shè)備器件表面造成嚴重腐蝕,，一方面縮短部件的使用壽命,，降低設(shè)備的使用性能，另一方面腐蝕過程中產(chǎn)生的反應(yīng)產(chǎn)物會出現(xiàn)揮發(fā)和脫落的現(xiàn)象，在工藝腔內(nèi)產(chǎn)生雜質(zhì)顆粒,，影響腔室的潔凈度,。因此，刻蝕機腔體和腔體部件材料的耐等離子體刻蝕性能變得至關(guān)重要,。

等離子體刻蝕設(shè)備的結(jié)構(gòu)示意圖

SiC作為刻蝕機腔體材料,，相較于石英，其材料本身產(chǎn)生的雜質(zhì)污染較少,，由于具有更加優(yōu)異的力學(xué)性能,，在等離子轟擊其原子表面時，原子損失率相對較少,，日本三井公司報道一種SiC復(fù)合材料作為空氣刻蝕機腔體材料,，具有較高的耐腐蝕性。

聚焦環(huán)部件方面,，其作用是提供均衡的等離子,，要求與硅晶圓有相似的電導(dǎo)率。以往采用的材料主要是導(dǎo)電硅,，但是含氟等離子體會與硅反應(yīng)生成易揮發(fā)的氟化硅,，大大縮短其使用壽命，導(dǎo)致部件需要頻繁更換,，降低生產(chǎn)效率,。SiC與單晶Si有相似的電導(dǎo)率，而且耐等離子體刻蝕性能更好,，可以作為聚焦環(huán)的使用材料,。

SiC刻蝕環(huán)作為半導(dǎo)體材料在等離子刻蝕環(huán)節(jié)中的關(guān)鍵耗材，其純度要求極高,。一般只能采用CVD工藝進行生長SiC厚層塊體,，隨后經(jīng)精密加工而制得，主要用于半導(dǎo)體刻蝕工藝的制備環(huán)節(jié),。

碳化硅：一種“正在離地起飛的半導(dǎo)體材料”

一直以來,，硅是制造半導(dǎo)體芯片最常用的材料，目前90%以上的半導(dǎo)體產(chǎn)品是以硅為襯底制成的,。究其原因，是硅的儲備量大,，成本比較低,，并且制備比較簡單。然而,，硅在光電子領(lǐng)域和高頻高功率器件方面的應(yīng)用卻受阻,，且硅在高頻下的工作性能較差，不適用于高壓應(yīng)用場景。這些限制讓硅基功率器件已經(jīng)漸漸難以滿足新能源車及高鐵等新興應(yīng)用對器件高功率及高頻性能的需求,。

在這個背景下,，碳化硅走到了聚光燈下。相比于第一代和第二代半導(dǎo)體材料,，SiC具有一系列優(yōu)良的物理化學(xué)特性,，除了禁帶寬度，還具有高擊穿電場,、高飽和電子速度,、高熱導(dǎo)率、高電子密度和高遷移率等特點,。SiC的臨界擊穿電場是Si的10倍,，GaAs的5倍，這提高了SiC基器件的耐壓容量,、工作頻率和電流密度,，降低了器件的導(dǎo)通損耗。加上比Cu還高的熱導(dǎo)率,，器件使用時無需額外散熱裝置,，減小了整機體積。此外,，SiC器件具有極低的導(dǎo)通損耗,，而且在超高頻率時，可以維持很好的電氣性能,。例如從基于Si器件的三電平方案改為基于SiC的兩電平方案,，效率可以從96%提高到97.6%，功耗降低可達40%,。因此SiC器件在低功耗,、小型化和高頻的應(yīng)用場景中具有極大的優(yōu)勢。

于是,，碳化硅材料能夠把器件體積做的越來越小,，性能越來越好，所以近年來電動汽車廠商都對它青睞有加,。5年前特斯拉率先在model3主驅(qū)逆變器上使用碳化硅,，開辟了碳化硅“上車”的先河。之后,，比亞迪,、吉利、上汽大眾,、蔚來等車企加速布局,，在提高續(xù)航里程,、實現(xiàn)超級快充、實現(xiàn)V2G功能等方面加足了馬力,，電動汽車銷量的不斷增長,，也帶動了市場對碳化硅功率器件的需求，頓時掀起了一股持續(xù)至今的碳化硅“上車熱”,。

小結(jié)

我國“十四五”規(guī)劃已將碳化硅半導(dǎo)體納入重點支持領(lǐng)域,，隨著國家“新基建”戰(zhàn)略的實施，碳化硅半導(dǎo)體將在5G基站建設(shè),、特高壓,、城際高速鐵路和城市軌道交通、新能源汽車充電樁,、大數(shù)據(jù)中心等新基建領(lǐng)域發(fā)揮重要作用,。同時，精密陶瓷部件的研發(fā)生產(chǎn)直接影響著半導(dǎo)體裝備制造業(yè)乃至整個半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈的發(fā)展,。因此,，無論從經(jīng)濟安全角度還是產(chǎn)業(yè)成本角度考慮，要突破我國半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)面臨的“卡脖子”窘境,，必須重視精密陶瓷部件等半導(dǎo)體生產(chǎn)設(shè)備關(guān)鍵部件的國產(chǎn)化發(fā)展,。

綜上，無論是作為半導(dǎo)體材料還是精密陶瓷部件,，碳化硅將會迎來更加燦爛的明天,。

參考來源：

[1]碳化硅陶瓷—光刻機用精密陶瓷部件的首選材料.粉體網(wǎng)

[2]碳化硅陶瓷：集成電路制造裝備用關(guān)鍵材料——訪中國建筑材料科學(xué)研究總院劉海林所長.中國粉體網(wǎng)

[3]解決晶圓制造中等離子腐蝕，這些陶瓷材料最受關(guān)注,！.粉體網(wǎng)

[4]再牛的刻蝕機也離不開這些陶瓷部件.粉體網(wǎng)

（中國粉體網(wǎng)編輯整理/山川）

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