中國(guó)粉體網(wǎng)訊  碳化硅是當(dāng)下最為火熱的賽道之一，據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，僅在2022年，國(guó)內(nèi)新立項(xiàng)/簽約的碳化硅項(xiàng)目就超過20個(gè)，總投資規(guī)模超過476億元。其中，設(shè)備作為碳化硅產(chǎn)業(yè)鏈中的重要一環(huán)，正在飛速發(fā)展。

事實(shí)上，國(guó)內(nèi)在材料生長(zhǎng)、切磨拋裝備和表征設(shè)備等方面都需要依賴進(jìn)口，部分設(shè)備型號(hào)及更新速度嚴(yán)重受限于其他國(guó)家的政策，導(dǎo)致國(guó)內(nèi)廠商生產(chǎn)成本居高不下，產(chǎn)能供給有限，且技術(shù)能力也落后于國(guó)際先進(jìn)水平，裝備國(guó)產(chǎn)化勢(shì)在必行。（在此背景下，中國(guó)粉體網(wǎng)將于2023年6月14日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)，來自中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第四十八研究所的高級(jí)工程師楊金將帶來題為《碳化硅芯片關(guān)鍵裝備及高性能陶瓷零部件國(guó)產(chǎn)化應(yīng)用》的報(bào)告，歡迎報(bào)名參會(huì)）。

SiC產(chǎn)業(yè)鏈關(guān)鍵環(huán)節(jié)及工藝特點(diǎn)

SiC產(chǎn)業(yè)鏈關(guān)鍵環(huán)節(jié)

SiC器件產(chǎn)業(yè)鏈與傳統(tǒng)半導(dǎo)體類似，一般分為單晶襯底、外延、芯片、封裝、模組及應(yīng)用環(huán)節(jié)。

SiC單晶襯底環(huán)節(jié)通常涉及到高純碳化硅粉體制備、單晶生長(zhǎng)、晶體切割研磨和拋光等工序過程，完成向下游的襯底供貨。

SiC外延環(huán)節(jié)則比較單一，主要完成在襯底上進(jìn)行外延層的制備，采用外延層厚度作為產(chǎn)品的不同系列供貨，不同厚度對(duì)應(yīng)不同耐壓等級(jí)的器件規(guī)格，通常為1μm對(duì)應(yīng)100V左右。

SiC芯片制備環(huán)節(jié)負(fù)責(zé)芯片制造，涉及流程較長(zhǎng)，以IDM模式較為普遍。

SiC器件封裝環(huán)節(jié)主要進(jìn)行芯片固定、引線封裝，解決散熱和可靠性等問題，相對(duì)來講國(guó)內(nèi)發(fā)展較為成熟，由此完成SiC器件的制備，下一步進(jìn)入系統(tǒng)產(chǎn)品和應(yīng)用環(huán)節(jié)。

SiC工藝及設(shè)備特點(diǎn)

由于SiC材料具備高硬度、高熔點(diǎn)、高密度等特性，在材料和芯片制備過程中，存在一些制造工藝的特殊性，如單晶采用物理氣相傳輸法（升華法），襯底切磨拋加工過程非常緩慢，外延生長(zhǎng)所需溫度極高且工藝窗口很小，芯片制程工藝也需要高溫高能設(shè)備制備等。

碳化硅器件生產(chǎn)各工藝環(huán)節(jié)關(guān)鍵設(shè)備

由于SiC工藝的特殊性，傳統(tǒng)用于Si基功率器件制備的設(shè)備已不能滿足需求，需要增加一些專用的設(shè)備作為支撐，如材料制備中的碳化硅單晶生長(zhǎng)爐、金剛線多線切割機(jī)設(shè)備，芯片制程中的高溫高能離子注入、退火激活、柵氧制備等設(shè)備。在圖形化、刻蝕、化學(xué)掩膜沉積、金屬鍍膜等工藝段，只需在現(xiàn)有設(shè)備上調(diào)整參數(shù)，基本上可以兼容適用。

關(guān)鍵裝備一覽

SiC單晶生長(zhǎng)設(shè)備

SiC單晶生長(zhǎng)主要有物理氣相運(yùn)輸法（PVT）、高溫化學(xué)氣相沉積法和溶液轉(zhuǎn)移法。目前產(chǎn)業(yè)上主要以PVT方法為主，PVT方法主要是將高純的SiC粉末在高溫和極低真空下進(jìn)行加熱升華，在頂部籽晶上凝結(jié)成固定取向晶格結(jié)構(gòu)的單晶，這種方法目前發(fā)展較為成熟，但生產(chǎn)較為緩慢，產(chǎn)能有限。

圖片來源：天科合達(dá)

采用PTV法生長(zhǎng)碳化硅晶體的設(shè)備為長(zhǎng)晶爐，該設(shè)備在保證滿足設(shè)計(jì)技術(shù)要求基礎(chǔ)上，還要注意到長(zhǎng)晶爐部件在碳化硅晶體生長(zhǎng)中經(jīng)歷的苛刻條件，例如：晶體生長(zhǎng)室及石墨坩堝等熱場(chǎng)核心組件需具備承受2500℃高溫的能力；長(zhǎng)晶爐加工制作工藝的精密要求，即要求反應(yīng)室及爐體具有優(yōu)異的密封性和隔熱性，等等。正是這些原因，致使長(zhǎng)晶爐的結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)變得極其復(fù)雜。

SiC襯底加工設(shè)備

切割設(shè)備

當(dāng)前有兩種工藝方式：一是采用金剛線多線切割機(jī)切割后再進(jìn)行研磨，另外一種采用激光輻照剝離技術(shù)后進(jìn)行表面處理。多線切割工藝方式是目前最常用的方式。

多線切割工藝原理

圖片來源：湖南宇晶

國(guó)際上SiC晶體切割設(shè)備廠家以瑞士的梅耶伯格（Meyer Buger）和日本的高鳥（Takatori）公司為代表，目前線速度水平都能夠達(dá)到2400m/min，根據(jù)工藝需求甚至還能達(dá)到更高。國(guó)內(nèi)主要設(shè)備廠家包括中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第四十五研究所、唐山晶玉和湖南宇晶等，國(guó)產(chǎn)設(shè)備在切割效率、加工精度、可靠性和工藝成套性等方面與國(guó)外設(shè)備有一定差距，100～150mmSiC晶體切割設(shè)備線速度水平只能達(dá)到1500m/min。

倒角設(shè)備

目前倒角設(shè)備國(guó)際上主要供應(yīng)商有日本東京精密和Daitron，其中東京精密半導(dǎo)體倒角機(jī)在行業(yè)內(nèi)技術(shù)先進(jìn)，已經(jīng)形成W-GM系列全自動(dòng)晶圓倒角機(jī)，市場(chǎng)占有率達(dá)90%以上。國(guó)內(nèi)從事半導(dǎo)體晶圓倒角設(shè)備研制的企業(yè)有中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第二研究所和北京科翰龍半導(dǎo)體公司。中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第二研究所目前已成功研發(fā)DJJ-120和DJJ-120A兩款倒角機(jī)型，可以滿足50～100mm半導(dǎo)體晶圓的倒角工藝，建立了砷化鎵、銻化銦和碲鋅鎘等半導(dǎo)體晶圓的倒角工藝知識(shí)庫，自動(dòng)化程度和倒角精度等均達(dá)到東京精密相同的水平。

圖片來源：中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第二研究所

磨拋設(shè)備

碳化硅的磨拋設(shè)備分為粗磨和細(xì)磨設(shè)備，粗磨方面國(guó)產(chǎn)設(shè)備基本可以滿足加工需求，但是細(xì)磨方面主要采購來自于日本不二越、英國(guó)log-itech、日本disco等公司的設(shè)備，采用設(shè)備與工藝打包銷售的方式，極大的增加了工藝廠商的使用成本和維護(hù)成本。國(guó)內(nèi)的碳化硅磨拋設(shè)備廠商主要包括中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第四十五研究所、深圳東榮和浙江名正。

圖片來源：中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第四十五研究所

SiC外延生長(zhǎng)設(shè)備

SiC芯片一般首先在4H-SiC襯底上再生長(zhǎng)一層高質(zhì)量低缺陷的4H-SiC外延層，其厚度決定器件的耐壓強(qiáng)度，設(shè)備為SiC外延生長(zhǎng)爐，該工藝生長(zhǎng)溫度需要達(dá)到最高1700℃，還涉及到多種復(fù)雜氣氛環(huán)境，這對(duì)設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和控制帶來很大的挑戰(zhàn)。

國(guó)際上主流的商用SiC材料同質(zhì)外延生長(zhǎng)設(shè)備機(jī)型分別為德國(guó)Aixtron公司的G5WW機(jī)型、意大利LPE公司的PE1O6機(jī)型和日本Nuflare公司EPIREVOTM S6機(jī)型，均能夠滿足100～150mmSiC晶片的外延生長(zhǎng)工藝。

SiC芯片制程設(shè)備

SiC功率芯片的制造工藝流程基本與Si基功率器件類似，需要經(jīng)過清洗、光刻、沉積、注入、退火、氧化、鈍化隔離、金屬化等工藝流程。在工藝設(shè)備方面，主要涉及清洗機(jī)、光刻機(jī)、刻蝕設(shè)備、LPCVD、蒸鍍等常規(guī)設(shè)備以及高溫高能離子注入機(jī)、高溫退火爐、高溫氧化爐等特殊專用設(shè)備。

SiC高溫高能離子注入機(jī)

在SiC生產(chǎn)線中，高溫高能離子注入設(shè)備是衡量生產(chǎn)線是否具備SiC芯片制造能力的一個(gè)標(biāo)志；當(dāng)前應(yīng)用較為主流的設(shè)備主要有M56700-2/UM、IH-860D/PSIC和IMPHEAT等機(jī)型。

圖片來源：中電科電子裝備集團(tuán)有限公司

SiC高溫退火設(shè)備

SiC注入完成后，需要采用退火方式進(jìn)行離子激活和晶格損傷處理。設(shè)備需要最高溫度達(dá)2000℃，恒溫區(qū)均勻性≤±5℃的半導(dǎo)體爐管設(shè)備。SiC高溫退火國(guó)內(nèi)應(yīng)用較為成熟的設(shè)備有R2120-3/UM、Activator150、AileSiC-200等。

圖片來源：北方華創(chuàng)

SiC高溫氧化設(shè)備

SiC氧化溫度通常在1300～1400℃下進(jìn)行，伴隨氧氣、二氯乙烯（DCE）、一氧化氮等復(fù)雜氣氛環(huán)境，常規(guī)的石英管式爐已不能滿足適用，現(xiàn)主流方式采用專用的加熱爐體設(shè)計(jì)，配套高純碳化硅材料工藝爐管，實(shí)現(xiàn)具有高溫高潔凈耐腐蝕反應(yīng)腔的SiC高溫氧化爐設(shè)計(jì)。SiC高溫氧化國(guó)內(nèi)應(yīng)用較為成熟的設(shè)備有Ox-idSiC-650、M5014-3/UM和Oxidation150等。

圖片來源：中電科電子裝備集團(tuán)有限公司

此外，在圖形化、刻蝕、金屬化等工藝設(shè)備方面，多個(gè)成熟的Si工藝已成功轉(zhuǎn)移到SiC。然而碳化硅材料特性需要開發(fā)特定的工藝，其參數(shù)必須優(yōu)化和調(diào)整，在設(shè)備方面只需做微小的改動(dòng)或定制功能開發(fā)。

清洗設(shè)備

清洗工藝是半導(dǎo)體制程的重要環(huán)節(jié)，也是影響半導(dǎo)體器件良率的重要因素，目前國(guó)際上以東京電子和迪恩士（DNS）為代表的清洗設(shè)備廠商可以穩(wěn)定PRE（去除顆粒效果）做到45～28nm。盛美半導(dǎo)體作為國(guó)內(nèi)單片清洗設(shè)備先進(jìn)企業(yè)可以穩(wěn)定在45nm工藝節(jié)點(diǎn)且在國(guó)際大廠已成功應(yīng)用。國(guó)內(nèi)其他清洗設(shè)備廠商包括中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第四十五研究所、北方華創(chuàng)和至純科技等。

小結(jié)

據(jù)Yole預(yù)測(cè)，2025年全球碳化硅功率半導(dǎo)體市場(chǎng)規(guī)模將達(dá)到25.62億美元，2019-2025年均復(fù)合增長(zhǎng)率超過30%。隨著SiC產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展和自主化需求，裝備國(guó)產(chǎn)化勢(shì)在必行、成長(zhǎng)空間巨大。國(guó)內(nèi)在襯底、外延、芯片等方面產(chǎn)業(yè)布局基本成型，但在關(guān)鍵裝備方面與國(guó)外仍存在差距，處于跟跑狀態(tài)；SiC需要解決高成本和高可靠性問題，大尺寸、高效能、低損傷及新工藝方法是未來行業(yè)設(shè)備發(fā)展的趨勢(shì)。

參考來源：

[1]楊金等.第三代半導(dǎo)體SiC芯片關(guān)鍵裝備現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)

[2]周哲等.碳化硅材料裝備技術(shù)現(xiàn)狀

[3]產(chǎn)業(yè)加速擴(kuò)張之下，碳化硅設(shè)備成入局“香餑餑”.集微網(wǎng)

[4]一張圖了解生產(chǎn)碳化硅晶片的靈魂裝備——長(zhǎng)晶爐.粉體網(wǎng)

（中國(guó)粉體網(wǎng)編輯整理/山川）

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