中國(guó)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(guó)民經(jīng)濟(jì)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(chǔ)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(qiáng)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(jìn)程度可以代表整個(gè)國(guó)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(jī)、刻蝕機(jī)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(guó)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(huì)，屆時(shí)，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(bào)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(jī)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(qiáng)度、高彈性模量、高導(dǎo)熱系數(shù)及低熱膨脹系數(shù)等特點(diǎn)，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(guó)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(huì)”期間，據(jù)中國(guó)建筑材料科學(xué)研究總院的劉海林所長(zhǎng)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(cè)吸盤、精密運(yùn)動(dòng)平臺(tái)、刻蝕環(huán)節(jié)的高純碳化硅部件、封裝檢測(cè)環(huán)節(jié)中精密運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)等等。
來源：Wind，梧桐樹半導(dǎo)體整理
在光刻機(jī)中
在高端光刻機(jī)中，為實(shí)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(guó)建材總院）
碳化硅氣浮導(dǎo)軌及超精密氣浮運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)（圖片來源：中國(guó)建材總院）
碳化硅片叉，檢測(cè)用碳化硅吸盤（圖片來源：中國(guó)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(guó)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(huì)對(duì)設(shè)備器件表面造成嚴(yán)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(huì)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(jī)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(jī)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(shí)，原子損失率相對(duì)較少，日本三井公司報(bào)道一種SiC復(fù)合材料作為空氣刻蝕機(jī)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(huì)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(jìn)行生長(zhǎng)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(chǔ)備量大，成本比較低，并且制備比較簡(jiǎn)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(chǎng)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(duì)器件高功率及高頻性能的需求。
在這個(gè)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(chǎng)、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(diǎn)。SiC的臨界擊穿電場(chǎng)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(shí)無需額外散熱裝置，減小了整機(jī)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(shí)，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(dá)40%。因此SiC器件在低功耗、小型化和高頻的應(yīng)用場(chǎng)景中具有極大的優(yōu)勢(shì)。
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(dòng)汽車廠商都對(duì)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(shí)現(xiàn)超級(jí)快充、實(shí)現(xiàn)V2G功能等方面加足了馬力，電動(dòng)汽車銷量的不斷增長(zhǎng)，也帶動(dòng)了市場(chǎng)對(duì)碳化硅功率器件的需求，頓時(shí)掀起了一股持續(xù)至今的碳化硅“上車熱”。
小結(jié)
我國(guó)“十四五”規(guī)劃已將碳化硅半導(dǎo)體納入重點(diǎn)支持領(lǐng)域，隨著國(guó)家“新基建”戰(zhàn)略的實(shí)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(shí)，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(gè)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈的發(fā)展。因此，無論從經(jīng)濟(jì)安全角度還是產(chǎn)業(yè)成本角度考慮，要突破我國(guó)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(guó)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(huì)迎來更加燦爛的明天。
參考來源：
[1]碳化硅陶瓷—光刻機(jī)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(guó)建筑材料科學(xué)研究總院劉海林所長(zhǎng).中國(guó)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(jī)也離不開這些陶瓷部件.粉體網(wǎng)
（中國(guó)粉體網(wǎng)編輯整理/山川）
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