中國粉體網(wǎng)訊 前段時間，某企業(yè)在自家公眾號發(fā)布一篇關于“碳化硅”的文章，引起了關注。該企業(yè)在文章中寫道，重結晶碳化硅（R-SiC）是在2000℃以上高溫形成的、硬度僅次于金剛石的高性能材料……碳化硅市場規(guī)模達萬億美元，主要應用于汽車環(huán)保、廢水處理、半導體芯片、新能源汽車、光伏、5G通訊設施等領域。公司還表示，該技術突破及擴產(chǎn)，不僅有利于在車用領域擴大市場份額，而且有利于公司將此技術向半導體、新能源汽車、5G通訊等領域延伸......
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該企業(yè)發(fā)布此利好消息導致股價異動，引發(fā)了市場質疑。“重結晶碳化硅與碳化硅不一樣�！薄安慌懦`導投資者，讓投資者把重結晶碳化硅當成碳化硅�！辈糠质袌鋈耸抠|疑說。同時他們還強調，重結晶碳化硅技術對微電子級碳化硅研發(fā)，沒有什么實質的價值和幫助。
該事件也引起交易所關注，深交所對該企業(yè)下發(fā)了關注函。在關注函中，深交所要求該企業(yè)說明“有利于公司將此技術向半導體、新能源汽車、5G通訊等領域延伸”的方式、方法及可行性�！钡纫幌盗袉栴}。
“重結晶碳化硅與碳化硅不一樣”？
一方面，上述該企業(yè)對碳化硅表述確實有些不清晰。另一方面，關于市場人士“重結晶碳化硅與碳化硅不一樣”的說法，小編認為也有些不妥，該說法表面看來顯然是將碳化硅與碳化硅半導體兩個概念劃上了等號，質疑者的意思應該是“重結晶碳化硅與碳化硅半導體不一樣”。
那么，碳化硅到底是什么？重結晶碳化硅與碳化硅半導體究竟有何不同？其實，除了粉體，碳化硅材料主要可以分為2大類：單晶和陶瓷。
單晶方面
在碳化硅半導體產(chǎn)業(yè)鏈中，主要有“碳化硅高純粉料→襯底→外延片→功率器件→模塊封裝→終端應用”等環(huán)節(jié)。
4H導電型SiC單晶襯底（來源：天岳先進）
襯底是半導體的支撐材料、導電材料和外延生長基片。生產(chǎn)碳化硅襯底的關鍵步驟是單晶的生長，也就是說碳化硅以單晶形式的存在是碳化硅半導體材料應用的主要技術難點，是產(chǎn)業(yè)鏈中技術密集型和資金密集型的環(huán)節(jié)。
目前生長SiC單晶的方法主要有物理氣相傳輸法（PVT法）、高溫化學氣相沉積法、液相法等。其中物理氣相傳輸法是發(fā)展最成熟的，其具體生長過程為處于高溫處的SiC原料升華分解成氣相物質(主要組分為Si，Si2C，SiC2)，這些氣相物質輸運到溫度較低的籽晶處，結晶生成SiC單晶。目前，商品化SiC單晶都是采用PVT法生長的。
PVT法生長SiC晶體生長原理示意圖
相比于第一代和第二代半導體材料，SiC半導體具有一系列優(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。其臨界擊穿電場是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。
室溫下幾種半導體材料的特性對比
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。
陶瓷方面
碳化硅陶瓷生產(chǎn)過程包括粉體制備、成型、燒結等與單晶制備有較大差異的幾大環(huán)節(jié)。而根據(jù)燒結工藝的不同，碳化硅陶瓷又分為無壓燒結碳化硅陶瓷、反應燒結碳化硅陶瓷、重結晶碳化硅陶瓷。
反應燒結碳化硅工藝過程是將碳源和碳化硅粉混合，通過注漿成型、干壓或冷等靜壓成型制備出坯體，然后進行滲硅反應，即在真空或惰性氣氛下將坯體加熱至1500℃以上，固態(tài)硅熔融成液態(tài)硅，通過毛細管作用滲入含氣孔的坯體。液態(tài)硅或硅蒸氣與坯體中C之間發(fā)生化學反應，原位生成的β-SiC與坯體中原有SiC顆粒結合，形成反應燒結碳化硅陶瓷材料。
碳化硅坯體反應燒結工藝流程圖
反應燒結碳化硅的優(yōu)勢是燒結溫度低、生產(chǎn)成本低、材料致密化程度較高，特別是反應燒結過程中幾乎不產(chǎn)生體積收縮，特別適合大尺寸復雜形狀結構件的制備，高溫窯具材料、輻射管、熱交換器、脫硫噴嘴等均是反應燒結碳化硅陶瓷的典型應用。
反應燒結碳化硅橫梁，來源：華美新材料
無壓燒結碳化硅在不施加外部壓力的情況下，即通常在1.01×105Pa壓力和惰性氣氛條件下，通過添加合適的燒結助劑，在2000~2150℃間，可對不同形狀和尺寸的樣品進行致密化燒結。無壓燒結碳化硅陶瓷技術已趨于成熟，工業(yè)上應用廣泛的耐磨損耐腐蝕的密封環(huán)、滑動軸承等主要為無壓燒結碳化硅。
重結晶碳化硅是不同粒徑的SiC顆粒以一定比例級配后成型為素坯，素坯中細顆�？删鶆蚍植加诖诸w粒之間的孔隙中，然后在2100℃以上的高溫及一定流量的保護氣氛下，SiC細顆粒逐漸蒸發(fā)后在粗顆粒接觸點處凝聚淀析，直到細顆粒完全消失。這種蒸發(fā)-凝聚機理作用的結果，使得在顆粒的頸部形成新的晶界，從而造成細顆粒被遷移，形成大顆粒之間的連橋結構及具有一定氣孔率的燒結體。重結晶碳化硅不含任何金屬相和玻璃液相，同時具有較高孔隙率(10%~20%)，從而具有優(yōu)異耐高溫性能和抗熱震性，加之其良好高溫導熱性，因此是高溫窯具、熱交換器或燃燒噴嘴的理想候選材料。
綜上，重結晶碳化硅是碳化硅陶瓷的一種，碳化硅半導體是一種以單晶形式存在的半導體材料，兩者在制備工藝、設備、應用方面有較大差異，但都需要以碳化硅粉體材料制得，并且兩者在高溫過程中都有由固化到氣化再到固化的過程，但過程中的反應控制難度差距較大。
碳化硅陶瓷已成為高精尖領域的關鍵材料
雖然碳化硅作為陶瓷材料受到的關注度遠不如其作為半導體材料，但其仍是一種應用極廣的陶瓷材料，甚至已經(jīng)成為航空航天、光刻機在內(nèi)的半導體設備等高精尖領域必不可少材料。
在高端光刻機中，涉及高效率、高精度、高穩(wěn)定性的運動控制技術和驅動技術，對結構件的精度和結構材料的性能提出了極高的要求。碳化硅陶瓷具有極高的彈性模量、導熱系數(shù)和較低的熱膨脹系數(shù)，不易產(chǎn)生彎曲應力變形和熱應變，并且具有極佳的可拋光性，可以通過機械加工至優(yōu)良的鏡面，因此采用碳化硅陶瓷作為光刻機用精密結構件材料具有極大的優(yōu)勢。在光刻機中碳化硅陶瓷主要用于制造E-chuck、Vacumm-chuck、Block、磁鋼骨架水冷板、反射鏡、導軌等部件。
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。
聚焦環(huán)，來源：Kallex
在刻蝕設備中，碳化硅被用于刻蝕機腔體和腔體部件、聚焦環(huán)、刻蝕環(huán)等關鍵部件。
參考來源：
[1]李辰冉等.國內(nèi)外碳化硅陶瓷材料研究與應用進展
[2]劉春俊.SiC單晶生長技術研究現(xiàn)狀
[3]上海證券報、中國粉體網(wǎng)
（中國粉體網(wǎng)編輯整理/山川）
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