中國粉體網(wǎng)訊 半導體行業(yè)作為現(xiàn)代電子信息產(chǎn)業(yè)的基礎，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，碳化硅在半導體行業(yè)發(fā)揮重要作用。
圖片來源：Pixabay
單晶方面，碳化硅作為目前發(fā)展最成熟的第三代半導體材料，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)異的高溫力學強度、高硬度、高彈性模量、高耐磨性、高導熱性、耐腐蝕性等性能，成為用途最廣的陶瓷材料之一。尤其是在半導體裝備領域，裝備制造是半導體產(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備中，碳化硅陶瓷部件被大量使用。
可以說，半導體行業(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體行業(yè)用陶瓷材料技術研討會，屆時，來自湖南大學的肖漢寧教授將帶來題為《碳化硅陶瓷及其在半導體裝備與器件中的應用》的報告，聽肖漢寧教授講述碳化硅與半導體產(chǎn)業(yè)的故事）。
光刻機等半導體設備用精密部件的熱門材料
關鍵零部件在半導體設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)復雜性。在2022年由中國粉體網(wǎng)主辦的“第一屆半導體行業(yè)用陶瓷材料技術研討會”期間，據(jù)中國建筑材料科學研究總院的劉海林所長介紹，碳化硅陶瓷在半導體制造的前段到后段工藝裝備中都有廣泛應用，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：中國建筑材料科學研究總院）
在刻蝕設備中
在刻蝕設備中，等離子體通過物理作用和化學反應會對設備器件表面造成嚴重腐蝕，一方面縮短部件的使用壽命，降低設備的使用性能，另一方面腐蝕過程中產(chǎn)生的反應產(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重要。
等離子體刻蝕設備的結(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率。以往采用的材料主要是導電硅，但是含氟等離子體會與硅反應生成易揮發(fā)的氟化硅，大大縮短其使用壽命，導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)作為半導體材料在等離子刻蝕環(huán)節(jié)中的關鍵耗材，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體材料”
一直以來，硅是制造半導體芯片最常用的材料，目前90%以上的半導體產(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，硅在光電子領域和高頻高功率器件方面的應用卻受阻，且硅在高頻下的工作性能較差，不適用于高壓應用場景。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體材料，SiC具有一系列優(yōu)良的物理化學特性，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，降低了器件的導通損耗。加上比Cu還高的熱導率，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)劃已將碳化硅半導體納入重點支持領域，隨著國家“新基建”戰(zhàn)略的實施，碳化硅半導體將在5G基站建設、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)直接影響著半導體裝備制造業(yè)乃至整個半導體產(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體生產(chǎn)設備關鍵部件的國產(chǎn)化發(fā)展。
綜上，無論是作為半導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鍵材料——訪中國建筑材料科學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）
注：圖片非商業(yè)用途，存在侵權(quán)告知刪除
