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SiC芯片
  • 造一颗SiC芯片，需要哪些关键设备？

    造一颗SiC芯片，需要哪些关键设备？

    中国粉体网讯 碳化硅是当下最为火热的赛道之一，据不完全统计，仅在2022年，国内新立项/签约的碳化硅项目就超过20个，总投资规模超过476亿元。其中，设备作为碳化硅产业链中的重要一环，正在飞速发展。事实上，国内在材料生长、切磨抛装备和表征设备等方面都需要依赖进口，部分设备型号及更新速度严重受限于其他国家的政策，导致国内厂商生产成本居高不下，产能供给有限，且技术能力也落后于国际先进水平，装备国产化势在必行。（在此背景下，中国粉体网将于2023年6月14日在江苏苏州举办第二届半导体行业用陶瓷材料技术研讨会，届时，来自中国电子科技集团公司第四十八研究所的高级工程师杨金将带来题为《碳化硅芯片关键装备及高性能陶瓷零部件国产化应用》的报告，欢迎报名参会）。SiC产业链关键环节及工艺特点SiC产业链关键环节SiC器件产业链与传统半导体类似，一般分为单晶衬底、外延、芯片、封装、模组及应用环节。SiC单晶衬底环节通常涉及到高纯碳化硅粉体制备、单晶生长、晶体切割研磨和抛光等工序过程，完成向下游的衬底供货。SiC外延环节则比较单一，主要完成在衬底上进行外延层的制备，采用外延层厚度作为产品的不同系列供货，不同厚度对应不同耐压等级的器件规格，通常为1μm对应100V左右。SiC芯片制备环节负责芯片制造，涉及流程较长，以IDM模式较为普遍。SiC器件封装环节主要进行芯片固定、引线封装，解决散热和可靠性等问题，相对来讲国内发展较为成熟，由此完成SiC器件的制备，下一步进入系统产品和应用环节。SiC工艺及设备特点由于SiC材料具备高硬度、高熔点、高密度等特性，在材料和芯片制备过程中，存在一些制造工艺的特殊性，如单晶采用物理气相传输法（升华法），衬底切磨抛加工过程非常缓慢，外延生长所需温度极高且工艺窗口很小，芯片制程工艺也需要高温高能设备制备等。碳化硅器件生产各工艺环节关键设备由于SiC工艺的特殊性，传统用于Si基功率器件制备的设备已不能满足需求，需要增加一些专用的设备作为支撑，如材料制备中的碳化硅单晶生长炉、金刚线多线切割机设备，芯片制程中的高温高能离子注入、退火激活、栅氧制备等设备。在图形化、刻蚀、化学掩膜沉积、金属镀膜等工艺段，只需在现有设备上调整参数，基本上可以兼容适用。关键装备一览SiC单晶生长设备SiC单晶生长主要有物理气相运输法（PVT）、高温化学气相沉积法和溶液转移法。目前产业上主要以PVT方法为主，PVT方法主要是将高纯的SiC粉末在高温和极低真空下进行加热升华，在顶部籽晶上凝结成固定取向晶格结构的单晶，这种方法目前发展较为成熟，但生产较为缓慢，产能有限。图片来源：天科合达采用PTV法生长碳化硅晶体的设备为长晶炉，该设备在保证满足设计技术要求基础上，还要注意到长晶炉部件在碳化硅晶体生长中经历的苛刻条件，例如：晶体生长室及石墨坩埚等热场核心组件需具备承受2500℃高温的能力；长晶炉加工制作工艺的精密要求，即要求反应室及炉体具有优异的密封性和隔热性，等等。正是这些原因，致使长晶炉的结构和设计变得极其复杂。SiC衬底加工设备切割设备当前有两种工艺方式：一是采用金刚线多线切割机切割后再进行研磨，另外一种采用激光辐照剥离技术后进行表面处理。多线切割工艺方式是目前最常用的方式。多线切割工艺原理图片来源：湖南宇晶国际上SiC晶体切割设备厂家以瑞士的梅耶伯格（Meyer Buger）和日本的高鸟（Takatori）公司为代表，目前线速度水平都能够达到2400m/min，根据工艺需求甚至还能达到更高。国内主要设备厂家包括中国电子科技集团公司第四十五研究所、唐山晶玉和湖南宇晶等，国产设备在切割效率、加工精度、可靠性和工艺成套性等方面与国外设备有一定差距，100～150mmSiC晶体切割设备线速度水平只能达到1500m/min。倒角设备目前倒角设备国际上主要供应商有日本东京精密和Daitron，其中东京精密半导体倒角机在行业内技术先进，已经形成W-GM系列全自动晶圆倒角机，市场占有率达90%以上。国内从事半导体晶圆倒角设备研制的企业有中国电子科技集团公司第二研究所和北京科翰龙半导体公司。中国电子科技集团公司第二研究所目前已成功研发DJJ-120和DJJ-120A两款倒角机型，可以满足50～100mm半导体晶圆的倒角工艺，建立了砷化镓、锑化铟和碲锌镉等半导体晶圆的倒角工艺知识库，自动化程度和倒角精度等均达到东京精密相同的水平。图片来源：中国电子科技集团公司第二研究所磨抛设备碳化硅的磨抛设备分为粗磨和细磨设备，粗磨方面国产设备基本可以满足加工需求，但是细磨方面主要采购来自于日本不二越、英国log-itech、日本disco等公司的设备，采用设备与工艺打包销售的方式，极大的增加了工艺厂商的使用成本和维护成本。国内的碳化硅磨抛设备厂商主要包括中国电子科技集团公司第四十五研究所、深圳东荣和浙江名正。图片来源：中国电子科技集团公司第四十五研究所SiC外延生长设备SiC芯片一般首先在4H-SiC衬底上再生长一层高质量低缺陷的4H-SiC外延层，其厚度决定器件的耐压强度，设备为SiC外延生长炉，该工艺生长温度需要达到最高1700℃，还涉及到多种复杂气氛环境，这对设备结构设计和控制带来很大的挑战。国际上主流的商用SiC材料同质外延生长设备机型分别为德国Aixtron公司的G5WW机型、意大利LPE公司的PE1O6机型和日本Nuflare公司EPIREVOTM S6机型，均能够满足100～150mmSiC晶片的外延生长工艺。SiC芯片制程设备SiC功率芯片的制造工艺流程基本与Si基功率器件类似，需要经过清洗、光刻、沉积、注入、退火、氧化、钝化隔离、金属化等工艺流程。在工艺设备方面，主要涉及清洗机、光刻机、刻蚀设备、LPCVD、蒸镀等常规设备以及高温高能离子注入机、高温退火炉、高温氧化炉等特殊专用设备。SiC高温高能离子注入机在SiC生产线中，高温高能离子注入设备是衡量生产线是否具备SiC芯片制造能力的一个标志；当前应用较为主流的设备主要有M56700-2/UM、IH-860D/PSIC和IMPHEAT等机型。图片来源：中电科电子装备集团有限公司SiC高温退火设备SiC注入完成后，需要采用退火方式进行离子激活和晶格损伤处理。设备需要最高温度达2000℃，恒温区均匀性≤±5℃的半导体炉管设备。SiC高温退火国内应用较为成熟的设备有R2120-3/UM、Activator150、AileSiC-200等。图片来源：北方华创SiC高温氧化设备SiC氧化温度通常在1300～1400℃下进行，伴随氧气、二氯乙烯（DCE）、一氧化氮等复杂气氛环境，常规的石英管式炉已不能满足适用，现主流方式采用专用的加热炉体设计，配套高纯碳化硅材料工艺炉管，实现具有高温高洁净耐腐蚀反应腔的SiC高温氧化炉设计。SiC高温氧化国内应用较为成熟的设备有Ox-idSiC-650、M5014-3/UM和Oxidation150等。图片来源：中电科电子装备集团有限公司此外，在图形化、刻蚀、金属化等工艺设备方面，多个成熟的Si工艺已成功转移到SiC。然而碳化硅材料特性需要开发特定的工艺，其参数必须优化和调整，在设备方面只需做微小的改动或定制功能开发。清洗设备清洗工艺是半导体制程的重要环节，也是影响半导体器件良率的重要因素，目前国际上以东京电子和迪恩士（DNS）为代表的清洗设备厂商可以稳定PRE（去除颗粒效果）做到45～28nm。盛美半导体作为国内单片清洗设备先进企业可以稳定在45nm工艺节点且在国际大厂已成功应用。国内其他清洗设备厂商包括中国电子科技集团公司第四十五研究所、北方华创和至纯科技等。小结据Yole预测，2025年全球碳化硅功率半导体市场规模将达到25.62亿美元，2019-2025年均复合增长率超过30%。随着SiC产业快速发展和自主化需求，装备国产化势在必行、成长空间巨大。国内在衬底、外延、芯片等方面产业布局基本成型，但在关键装备方面与国外仍存在差距，处于跟跑状态；SiC需要解决高成本和高可靠性问题，大尺寸、高效能、低损伤及新工艺方法是未来行业设备发展的趋势。

    SiC芯片

    2023.06.04

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