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(guān)于“碳化硅”的文章，引起了關(guān)注。該企業(yè)在文章中寫道，重結(jié)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(yīng)用于汽車環(huán)保、廢水處理、半導(dǎo)體芯片、新能源汽車、光伏、5G通訊設(shè)施等領(lǐng)域。公司還表示，該技術(shù)突破及擴產(chǎn)，不僅有利于在車用領(lǐng)域擴大市場份額，而且有利于公司將此技術(shù)向半導(dǎo)體、新能源汽車、5G通訊等領(lǐng)域延伸......
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該企業(yè)發(fā)布此利好消息導(dǎo)致股價異動，引發(fā)了市場質(zhì)疑�！爸亟Y(jié)晶碳化硅與碳化硅不一樣�！薄安慌懦`導(dǎo)投資者，讓投資者把重結(jié)晶碳化硅當成碳化硅�！辈糠质袌鋈耸抠|(zhì)疑說。同時他們還強調(diào)，重結(jié)晶碳化硅技術(shù)對微電子級碳化硅研發(fā)，沒有什么實質(zhì)的價值和幫助。
該事件也引起交易所關(guān)注，深交所對該企業(yè)下發(fā)了關(guān)注函。在關(guān)注函中，深交所要求該企業(yè)說明“有利于公司將此技術(shù)向半導(dǎo)體、新能源汽車、5G通訊等領(lǐng)域延伸”的方式、方法及可行性�！钡纫幌盗袉栴}。
“重結(jié)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(guān)于市場人士“重結(jié)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(dǎo)體兩個概念劃上了等號，質(zhì)疑者的意思應(yīng)該是“重結(jié)晶碳化硅與碳化硅半導(dǎo)體不一樣”。
那么，碳化硅到底是什么？重結(jié)晶碳化硅與碳化硅半導(dǎo)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(dǎo)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(yīng)用”等環(huán)節(jié)。
4H導(dǎo)電型SiC單晶襯底（來源：天岳先進）
襯底是半導(dǎo)體的支撐材料、導(dǎo)電材料和外延生長基片。生產(chǎn)碳化硅襯底的關(guān)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(dǎo)體材料應(yīng)用的主要技術(shù)難點，是產(chǎn)業(yè)鏈中技術(shù)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(xué)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(zhì)(主要組分為Si，Si2C，SiC2)，這些氣相物質(zhì)輸運到溫度較低的籽晶處，結(jié)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(dǎo)體材料，SiC半導(dǎo)體具有一系列優(yōu)良的物理化學(xué)特性，除了禁帶寬度，還具有高擊穿電場、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。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(dǎo)通損耗。加上比Cu還高的熱導(dǎo)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(dǎo)體材料的特性對比
此外，SiC器件具有極低的導(dǎo)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(yīng)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(jié)等與單晶制備有較大差異的幾大環(huán)節(jié)。而根據(jù)燒結(jié)工藝的不同，碳化硅陶瓷又分為無壓燒結(jié)碳化硅陶瓷、反應(yīng)燒結(jié)碳化硅陶瓷、重結(jié)晶碳化硅陶瓷。
反應(yīng)燒結(jié)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(yīng)，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(xué)反應(yīng)，原位生成的β-SiC與坯體中原有SiC顆粒結(jié)合，形成反應(yīng)燒結(jié)碳化硅陶瓷材料。
碳化硅坯體反應(yīng)燒結(jié)工藝流程圖
反應(yīng)燒結(jié)碳化硅的優(yōu)勢是燒結(jié)溫度低、生產(chǎn)成本低、材料致密化程度較高，特別是反應(yīng)燒結(jié)過程中幾乎不產(chǎn)生體積收縮，特別適合大尺寸復(fù)雜形狀結(jié)構(gòu)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(yīng)燒結(jié)碳化硅陶瓷的典型應(yīng)用。
反應(yīng)燒結(jié)碳化硅橫梁，來源：華美新材料
無壓燒結(jié)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(jié)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(jié)。無壓燒結(jié)碳化硅陶瓷技術(shù)已趨于成熟，工業(yè)上應(yīng)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(jié)碳化硅。
重結(jié)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(jié)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(jié)構(gòu)及具有一定氣孔率的燒結(jié)體。重結(jié)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(dǎo)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(jié)晶碳化硅是碳化硅陶瓷的一種，碳化硅半導(dǎo)體是一種以單晶形式存在的半導(dǎo)體材料，兩者在制備工藝、設(shè)備、應(yīng)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(yīng)控制難度差距較大。
碳化硅陶瓷已成為高精尖領(lǐng)域的關(guān)鍵材料
雖然碳化硅作為陶瓷材料受到的關(guān)注度遠不如其作為半導(dǎo)體材料，但其仍是一種應(yīng)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(dǎo)體設(shè)備等高精尖領(lǐng)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(shù)和驅(qū)動技術(shù)，對結(jié)構(gòu)件的精度和結(jié)構(gòu)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(dǎo)熱系數(shù)和較低的熱膨脹系數(shù)，不易產(chǎn)生彎曲應(yīng)力變形和熱應(yīng)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(jié)構(gòu)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(dǎo)軌等部件。
在刻蝕設(shè)備中，等離子體通過物理作用和化學(xué)反應(yīng)會對設(shè)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(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(guān)重要。
聚焦環(huán)，來源：Kallex
在刻蝕設(shè)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(guān)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(yīng)用進展
[2]劉春俊.SiC單晶生長技術(shù)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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