很多人以为芯片制造拼的是光刻机这些核心设备但真正决定良率的往往不是那些大型系统和模块而是那些容易被忽视的精密陶瓷部件。在光刻机、刻蚀机、薄膜沉积设备里晶圆需要被稳稳托住、精准夹持、固定。托住它的是一系列精密到毫厘之间的陶瓷部件• 在光刻机里有轻量化且热稳定性极高的工件台、导轨以及负责吸附硅片的多孔陶瓷真空吸盘• 在刻蚀机里有直接面对等离子体轰击的聚焦环、覆盖环和喷淋盘这些部件将腐蚀性气体均匀分布同时保护腔室边缘• 在薄膜沉积设备中有用于承载晶圆并耐受高温的托盘、导流筒和加热器正是这些先进陶瓷制成的核心部件以高纯度、耐高温、抗等离子体腐蚀等特性支撑起了现代芯片制造的每一个纳米级工艺。这些部件耐温超过2700度硬度仅次于金刚石顶级材料纯度高达99.9999%6个9默默撑起了整个半导体制造产业。它们有一个共同的名字——碳化硅陶瓷。碳化硅的发展历程碳化硅的发现故事要从1891年说起。那一年美国化学家爱德华·艾奇逊的目标是合成人造金刚石。当时的金刚石价格极为昂贵且稀缺艾奇逊将碳和各种材料放进高温炉中长时间加热。虽未获得金刚石却在炉中发现了一种硬度极高的新型晶体。这种材料耐磨性能突出可用于切削钢铁等硬质材料。艾奇逊给它起了个名字——Carborundum卡波润德姆中文翻译为「金刚砂」——这就是碳化硅。这个「失败的实验」却成了工业史上最重要的发现之一。天然碳化硅的发现过了两年1893年诺贝尔化学奖得主亨利·莫瓦桑在研究陨石时意外在亚利桑那州的一块陨石里发现了天然存在的碳化硅晶体。人们把这种天然碳化硅叫作「莫桑石」一直沿用至今。1907年人类用碳化硅做出了第一只发光二极管比硅基半导体的诞生还要早几十年。碳化硅的核心物性参数硬度莫氏9.2到9.5。金刚石是10普通钢铁只有4到5。耐温升华温度约2700摄氏度。普通钢铁在1500度就开始融化而碳化硅要到2700度才会升华。导热热导率高达270到490 W/(m·K)是氧化铝的10倍以上。热量传导快意味着散热好工作温度能降下来可靠性更高。化学稳定性耐酸耐碱抗氧化在强酸强碱环境中表现出优异的化学稳定性。此外碳化硅还有低热膨胀系数、高击穿场强等特性综合性能优异各项指标都相当突出。碳化硅被分为至少70种不同的结晶形态其中最主要的有两种α-SiC属于六方晶系硬度更高β-SiC属于立方晶系更适合半导体领域。碳化硅在半导体领域的三种形态碳化硅在半导体领域到底是怎么应用的很多人第一反应可能是碳化硅晶圆衬底。没错用碳化硅做衬底的功率器件是当前的热点新能源汽车中耐高压、耐高温的功率芯片很多就是用碳化硅衬底做的。但这只是碳化硅在半导体领域的一个身份。实际上碳化硅在半导体领域还有两个同样重要却经常被混淆的身份烧结型碳化硅陶瓷结构件和CVD型碳化硅陶瓷。在芯片加工设备里藏着用碳化硅陶瓷做成的托盘和夹具这些才是支撑芯片制造的关键陶瓷部件。应用于半导体领域的碳化硅有三种主要形态1. 碳化硅衬底——用来做芯片的半导体材料2. 烧结型碳化硅陶瓷——通过烧结工艺制成的陶瓷结构件3. CVD型碳化硅陶瓷——通过化学气相沉积工艺制成的涂层或块体这三种形态用途完全不同。就像钢铁可以盖楼、造车、做刀叉碳化硅的不同形态也服务于不同的技术领域。碳化硅衬底碳化硅是第三代半导体材料的代表。相比传统硅材料碳化硅能承受更高的电压、温度和频率能量损耗更低适用于新能源汽车、光伏发电、5G基站等领域。碳化硅衬底就是一片碳化硅「圆盘」上面可以生长各种功能的半导体薄膜最终制成芯片。碳化硅衬底本身就是半导体器件的一部分。这种碳化硅关注的是晶体的完整性和电学性能核心参数是缺陷密度、掺杂浓度等。它的竞争对手是硅衬底、氮化镓衬底等。碳化硅衬底最大的优势是耐高压、耐高温特别适合做功率半导体。烧结型碳化硅陶瓷「烧结」的原理类似将粉末加水揉成形状后烧硬。烧结碳化硅也是类似的把碳化硅粉末加上助剂放到高温炉里在两千多度的高温下烧成致密的陶瓷。根据烧结工艺的不同烧结型碳化硅又分为几种反应烧结碳化硅把硅粉和碳粉混合烧结时让它们反应生成碳化硅。成本最低但成品会残留游离硅纯度和性能一般。在先进半导体领域因纯度和洁净度要求该工艺已逐渐边缘化。高纯无压烧结碳化硅SSiC最常见、应用最广的一种。用高纯度碳化硅粉末加少量烧结助剂高温无压烧结而成。热压烧结碳化硅HP-SiC烧结过程中施加轴向压力材料更致密性能更好成本也更高。真正用在先进半导体设备上的主要是高纯无压烧结和热压烧结。烧结型碳化硅陶瓷的特点优点• 成本适中工艺成熟可大批量生产• 可做成复杂形状适应定制化需求纯度可达99.9%~99.99%3N~4N对很多半导体应用场景已足够缺点• 需加烧结助剂会有微量杂质残留如硼、碳• 烧结过程产生微小闭孔致密度95%~99%• 有孔隙长期受高能等离子体轰击可能产生颗粒在对洁净度要求极高的场景下是隐患适用场景• 对洁净度要求非极端的区域高温扩散炉、氧化炉、退火炉中的晶舟、支撑杆、推杆、坩埚、隔热件• 湿法清洗设备中的清洗花篮、夹具、耐酸碱治具• 半导体设备的外围结构件• 一般用于成熟制程≥40nm或先进制程的非核心区不建议使用场景• 刻蚀设备的腔体内衬、喷淋头、聚焦环• 外延和沉积设备的基座、加热器• 静电吸盘ESC• 先进制程核心部件14nm以下工艺烧结型碳化硅适用范围广泛性能够用价格合理但在高端应用场景下其性能存在局限。CVD型碳化硅陶瓷CVD即化学气相沉积。普通烧结是把粉末压实、加热让颗粒自己结合在一起。CVD则是将含硅和碳的气体前驱体如硅烷、甲烷、三氯甲基硅烷通入高温反应腔在上千度温度下发生化学反应碳原子和硅原子在加热的基底表面逐个沉积慢慢「长」成一层致密的碳化硅。相比烧结工艺中颗粒间的结合CVD原子级沉积的致密度更高。两个关键点第一没有烧结助剂。CVD从一开始用的就是高纯度气态前驱体最终产品没有任何杂质纯度可达99.999%~99.9999%5N~6N以上。第二致密度理论100%。原子逐个堆砌没有任何孔隙。正因为这两个特点CVD型碳化硅在性能上全面超越烧结型• 纯度更高5N~6N• 致密度100%无孔隙• 耐等离子体腐蚀能力极强• 热导率更高热量分布更均匀• 颗粒释放率极低代价是成本极高——CVD设备投资巨大工艺时间长清理成本高生产成本是烧结型的数倍甚至十倍。CVD-SiC涂层最常见的形态。以石墨做基体放入CVD炉中碳化硅逐层沉积在石墨表面最终形成「石墨骨架碳化硅外壳」的结构。石墨本身导热好但耐腐蚀性差、易掉粉。CVD包覆碳化硅层后既保留了石墨的高导热又获得了碳化硅的耐腐蚀和洁净性。CVD-SiC涂层成本比整块CVD碳化硅低很多适用于对洁净度和耐腐蚀要求较高的先进制程部件。但内部仍是石墨涂层剥落风险始终存在不能完全等同于整块CVD碳化硅。自支撑CVD-SiC块体CVD型碳化硅的最高规格形态。先用石墨或其他材料做基底沉积足够厚的碳化硅层几毫米甚至更厚然后剥离基底剩下的纯碳化硅即为可独立使用的自支撑块体。这种自支撑CVD-SiC块体完全由气相沉积而成没有任何其他材料• 纯度可达6N以上• 无孔隙、无杂质• 耐等离子体腐蚀能力是所有碳化硅陶瓷中最强的• 可承受最严苛的高温和真空环境自支撑CVD-SiC块体适用场景• 刻蚀设备的腔体内衬、喷淋头、聚焦环、电极• 外延和CVD设备的基座、加热器、气体喷淋板• 高端静电吸盘ESC的基座• 先进制程核心部件7nm、5nm工艺• 任何对纯度、无颗粒、无杂质释放要求极高的区域小结碳化硅衬底是「基材」用来做芯片本身烧结型SiC陶瓷性价比高用在要求不太极端的地方CVD-SiC涂层给石墨穿上碳化硅外衣防护升级自支撑CVD-SiC块体最纯、最致密、最耐腐蚀用在最核心、最严苛的位置对比项碳化硅衬底烧结型SiC陶瓷CVD-SiC涂层CVD-SiC自支撑块体本质高纯晶体烧结多晶石墨基体CVD涂层纯CVD块体用途做芯片的基材设备零部件设备零部件表面防护设备核心零部件纯度6N以上3N~4N5N以上涂层5N以上致密度接近理论密度95%~99%涂层部分理论密度100%理论密度成本高低~中中~中高极高适用场景功率半导体衬底成熟制程外围部件先进刻蚀/沉积部件EUV等最核心部件