花1.5亿美元买一台EUV光刻机，关键部件之一，竟然是一块陶瓷。其中一块陶瓷的价值就抵得上一辆跑车。

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）

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

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