中国粉体网讯 半导体行业作为现代电子信息产业的基础，是支撑国民经济高质量发展的重要行业。碳化硅材料主要包括单晶和陶瓷2大类，无论是作为单晶材料还是陶瓷材料，碳化硅在半导体行业发挥重要作用。
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单晶方面，碳化硅作为目前发展最成熟的第三代半导体材料，是近年来最火热的材料之一。尤其是在“双碳”战略背景下，碳化硅被深度绑定新能源汽车、光伏、储能等节能减碳行业，万众瞩目。
陶瓷方面，碳化硅凭借其优异的高温力学强度、高硬度、高弹性模量、高耐磨性、高导热性、耐腐蚀性等性能，成为用途最广的陶瓷材料之一。尤其是在半导体装备领域，装备制造是半导体产业的核心组成部分，在某种意义上装备的先进程度可以代表整个国家的工业发展水平。精密陶瓷作为不可或缺的零部件材料，已经被引入到各种半导体装备之中，碳化硅陶瓷即是其中的代表，尤其是在光刻机、刻蚀机等最顶尖的设备中，碳化硅陶瓷部件被大量使用。
可以说，半导体行业已经成为碳化硅陶瓷的火热赛道与密集赛道。（2023年6月14日，中国粉体网将在江苏苏州举办第二届半导体行业用陶瓷材料技术研讨会，届时，来自湖南大学的肖汉宁教授将带来题为《碳化硅陶瓷及其在半导体装备与器件中的应用》的报告，听肖汉宁教授讲述碳化硅与半导体产业的故事）。
光刻机等半导体设备用精密部件的热门材料
关键零部件在半导体设备中具有举足轻重的作用，要求结构件材料具有高纯度、高致密度、高强度、高弹性模量、高导热系数及低热膨胀系数等特点，且结构件要具有极高的尺寸精度和结构复杂性。在2022年由中国粉体网主办的“第一届半导体行业用陶瓷材料技术研讨会”期间，据中国建筑材料科学研究总院的刘海林所长介绍，碳化硅陶瓷在半导体制造的前段到后段工艺装备中都有广泛应用，例如在研磨抛光吸盘、光刻吸盘、检测吸盘、精密运动平台、刻蚀环节的高纯碳化硅部件、封装检测环节中精密运动系统等等。
来源：Wind，梧桐树半导体整理
在光刻机中
在高端光刻机中，为实现高制程精度，需要广泛采用具有良好的功能复合性、结构稳定性、热稳定性、尺寸精度的陶瓷零部件，如E-chuck、Vacumm-chuck、Block、磁钢骨架水冷板、反射镜、导轨等。这方面，碳化硅陶瓷足以胜任。
碳化硅吸盘，高纯碳化硅晶舟（图片来源：中国建材总院）
碳化硅气浮导轨及超精密气浮运动系统（图片来源：中国建材总院）
碳化硅片叉，检测用碳化硅吸盘（图片来源：中国建材总院）
碳化硅多孔吸盘，碳化硅组合式框架（图片来源：中国建筑材料科学研究总院）
在刻蚀设备中
在刻蚀设备中，等离子体通过物理作用和化学反应会对设备器件表面造成严重腐蚀，一方面缩短部件的使用寿命，降低设备的使用性能，另一方面腐蚀过程中产生的反应产物会出现挥发和脱落的现象，在工艺腔内产生杂质颗粒，影响腔室的洁净度。因此，刻蚀机腔体和腔体部件材料的耐等离子体刻蚀性能变得至关重要。
等离子体刻蚀设备的结构示意图
SiC作为刻蚀机腔体材料，相较于石英，其材料本身产生的杂质污染较少，由于具有更加优异的力学性能，在等离子轰击其原子表面时，原子损失率相对较少，日本三井公司报道一种SiC复合材料作为空气刻蚀机腔体材料，具有较高的耐腐蚀性。
聚焦环部件方面，其作用是提供均衡的等离子，要求与硅晶圆有相似的电导率。以往采用的材料主要是导电硅，但是含氟等离子体会与硅反应生成易挥发的氟化硅，大大缩短其使用寿命，导致部件需要频繁更换，降低生产效率。SiC与单晶Si有相似的电导率，而且耐等离子体刻蚀性能更好，可以作为聚焦环的使用材料。
SiC刻蚀环作为半导体材料在等离子刻蚀环节中的关键耗材，其纯度要求极高。一般只能采用CVD工艺进行生长SiC厚层块体，随后经精密加工而制得，主要用于半导体刻蚀工艺的制备环节。
碳化硅：一种“正在离地起飞的半导体材料”
一直以来，硅是制造半导体芯片最常用的材料，目前90%以上的半导体产品是以硅为衬底制成的。究其原因，是硅的储备量大，成本比较低，并且制备比较简单。然而，硅在光电子领域和高频高功率器件方面的应用却受阻，且硅在高频下的工作性能较差，不适用于高压应用场景。这些限制让硅基功率器件已经渐渐难以满足新能源车及高铁等新兴应用对器件高功率及高频性能的需求。
在这个背景下，碳化硅走到了聚光灯下。相比于第一代和第二代半导体材料，SiC具有一系列优良的物理化学特性，除了禁带宽度，还具有高击穿电场、高饱和电子速度、高热导率、高电子密度和高迁移率等特点。SiC的临界击穿电场是Si的10倍，GaAs的5倍，这提高了SiC基器件的耐压容量、工作频率和电流密度，降低了器件的导通损耗。加上比Cu还高的热导率，器件使用时无需额外散热装置，减小了整机体积。此外，SiC器件具有极低的导通损耗，而且在超高频率时，可以维持很好的电气性能。例如从基于Si器件的三电平方案改为基于SiC的两电平方案，效率可以从96%提高到97.6%，功耗降低可达40%。因此SiC器件在低功耗、小型化和高频的应用场景中具有极大的优势。
于是，碳化硅材料能够把器件体积做的越来越小，性能越来越好，所以近年来电动汽车厂商都对它青睐有加。5年前特斯拉率先在model3主驱逆变器上使用碳化硅，开辟了碳化硅“上车”的先河。之后，比亚迪、吉利、上汽大众、蔚来等车企加速布局，在提高续航里程、实现超级快充、实现V2G功能等方面加足了马力，电动汽车销量的不断增长，也带动了市场对碳化硅功率器件的需求，顿时掀起了一股持续至今的碳化硅“上车热”。
小结
我国“十四五”规划已将碳化硅半导体纳入重点支持领域，随着国家“新基建”战略的实施，碳化硅半导体将在5G基站建设、特高压、城际高速铁路和城市轨道交通、新能源汽车充电桩、大数据中心等新基建领域发挥重要作用。同时，精密陶瓷部件的研发生产直接影响着半导体装备制造业乃至整个半导体产业链的发展。因此，无论从经济安全角度还是产业成本角度考虑，要突破我国半导体产业面临的“卡脖子”窘境，必须重视精密陶瓷部件等半导体生产设备关键部件的国产化发展。
综上，无论是作为半导体材料还是精密陶瓷部件，碳化硅将会迎来更加灿烂的明天。
参考来源：
[1]碳化硅陶瓷—光刻机用精密陶瓷部件的首选材料.粉体网
[2]碳化硅陶瓷：集成电路制造装备用关键材料——访中国建筑材料科学研究总院刘海林所长.中国粉体网
[3]解决晶圆制造中等离子腐蚀，这些陶瓷材料最受关注！.粉体网
[4]再牛的刻蚀机也离不开这些陶瓷部件.粉体网
（中国粉体网编辑整理/山川）
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