1 SiC 產(chǎn)業(yè)環(huán)節(jié)及關(guān)鍵裝備

1.1 SiC 產(chǎn)業(yè)鏈環(huán)節(jié)

SiC 器件產(chǎn)業(yè)鏈與傳統(tǒng)半導體類似，一般分為單晶襯底、外延、芯片、封裝、模組及應用環(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、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，不同厚度對應不同耐壓等級的器件規(guī)格，通常為 1 μm 對應100 V 左右。SiC 芯片制備環(huán)節(jié)負責芯片制造，涉及流程較長，以 IDM 模式較為普遍。SiC 器件封裝環(huán)節(jié)主要進行芯片固定、引線封裝，解決散熱和可靠性等問題，相對來講國內(nèi)發(fā)展較為成熟，由此完成 SiC 器件的制備，下一步進入系統(tǒng)產(chǎn)品和應用環(huán)節(jié)，如圖 1 所示。

1.2 SiC 工藝及設(shè)備特點

SiC 材料及芯片制備主要工藝為單晶生長、襯底切磨拋、外延生長、掩膜沉積、圖形化、刻蝕、注入、熱處理、金屬互連等工藝流程共涉及幾十種關(guān)鍵半導體裝備。由于 SiC 材料具備高硬度、高熔點、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。相比硅基功率器件工藝設(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爐、金剛線多線切割機設(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。因此，產(chǎn)業(yè)上需要將 Si 基功率器件生產(chǎn)線轉(zhuǎn)換成 SiC 器件生產(chǎn)線，往往只需要增加一些專用設(shè)備就可以完成生產(chǎn)線設(shè)備平臺的轉(zhuǎn)型。各工藝環(huán)節(jié)關(guān)鍵設(shè)備如表 1 所示。

1.3 SiC 工藝及裝備挑戰(zhàn)

目前制約 SiC 大規(guī)模應用仍面臨著一些挑戰(zhàn)，一是價格成本方面，由于 SiC 制備困難，材料相對昂貴；二是工藝技術(shù)方面，諸多工藝技術(shù)仍采用傳統(tǒng)技術(shù)，嚴重依賴于經(jīng)驗參數(shù)，制備存在良率不高；三是裝備方面，在多個工藝環(huán)節(jié)，如溫度、能量、低損傷及多重耦合復雜惡劣的特殊工藝環(huán)境指標上對裝備要求極高，裝備針對 SiC 制備的成熟度水平仍不夠。特別在工藝設(shè)備方面，涉及到物理化學數(shù)學理論科學、一般工程技術(shù)和特種工程相關(guān)的多種科學技術(shù)和工程領(lǐng)域?qū)W科范圍，需要打破傳統(tǒng)設(shè)備很多使用極限，才能快速將 SiC 設(shè)備量產(chǎn)化，滿足高速發(fā)展產(chǎn)業(yè)的需求。

2 國內(nèi)外碳化硅裝備發(fā)展狀況

2.1 SiC 單晶生長設(shè)備

SiC 單晶生長主要有物理氣相運輸法、高溫化學氣相沉積法和溶液轉(zhuǎn)移法，如圖 2 所示。目前產(chǎn)業(yè)上主要以 PVT 方法為主，相比傳統(tǒng)溶液提拉法，SiC 由于 Si 的溶解度在液體中有限，不再能夠很輕松的長晶。采用 PVT 方法主要是將高純的SiC 粉末在高溫和極低真空下進行加熱升華，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。幾種單晶生長方法比較如表 2 所示。

采用物理氣相運輸法，國際上已經(jīng)可以批量生產(chǎn) 150 mm（6 英寸）單晶，200 mm（8 英寸）已經(jīng)出現(xiàn)樣品，國內(nèi)方面 100 mm（4 英寸）單晶已經(jīng)商業(yè)化， 150 mm（6 英寸）也快速成為主流，相關(guān)廠家已開始進行 200 mm（8 英寸）的研制探索工作。隨著材料技術(shù)研究深入，SiC 單晶生長爐設(shè)備工藝性能進一步成熟，后續(xù)在能耗、更快生長速率、更大生長尺寸和更厚生長長度是設(shè)備的提升目標。

2.2 SiC 襯底加工設(shè)備

單晶生長后，需要對晶體進行切磨拋，當前有兩種工藝方式：一是采用金剛線多線切割機切割后在進行研磨，如圖 3 所示。另外一種采用激光輻照剝離技術(shù)后進行表面處理，如圖 4 所示。多線切割工藝方式是目前最常用的方式，采用金剛砂線在切削液下進行線切割，碳化硅材料質(zhì)地堅硬易碎，需要經(jīng)過數(shù)小時緩慢完成加工，然后采用研磨處理表面凹槽和印痕；激光輻照剝離技術(shù)是采用激光輻照技術(shù)，將激光聚焦在 SiC 晶體內(nèi)部，通過反復重復吸收，使晶體特定位置的 Si-C 化學鍵斷裂，并形成晶圓分離基點的一層。

金剛線多線切割機和研磨機發(fā)展較為成熟，但由于碳化硅硬度特別大、切割特別慢，以及金剛線一般具備 100～200 μm 的線徑，所以切割時，一般每片伴隨 200 μm 的材料損耗；采用激光輻照技術(shù)的剝離方式，它是將激光輻照到晶體內(nèi)部，通過反復的吸收，在晶體內(nèi)部特定位置形成斷層面，以此為基點將晶圓片剝離下來，這種方法不會帶來任何材料損耗，國外采用 40 mm 長，150 mm單晶進行生產(chǎn)統(tǒng)計，生產(chǎn)厚度為 350 μm 的晶圓襯底，24 小時連續(xù)生產(chǎn)計算，3 個單晶棒可出片284 片，相比多線切割的 183 片出片率提升 46%；同樣連續(xù)并行生產(chǎn)，10 000 片的生產(chǎn)時間從 273天降低到 104 天，生產(chǎn)效率提升 1 倍。

國內(nèi)的多線切割機、研磨機設(shè)備在藍寶石、半導體等方面發(fā)展較為成熟，可以很快轉(zhuǎn)型到碳化硅領(lǐng)域，基本可以滿足生產(chǎn)需求；在激光輻照剝離工藝方面，國內(nèi)外已經(jīng)具備生產(chǎn)機型，但需要大規(guī)模應用驗證，積累生產(chǎn)可信數(shù)據(jù)。

2.3 SiC 外延生長設(shè)備

SiC 芯片一般首先在 4H-SiC 襯底上再生長一層高質(zhì)量低缺陷的 4H-SiC 外延層，其厚度決定器件的耐壓強度，制備設(shè)備為 SiC 外延生長爐，該工藝生長溫度需要達到最高 1 700 ℃，還涉及到多種復雜氣氛環(huán)境，這對設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計和控制帶來很大的挑戰(zhàn)。設(shè)備一般采用水平熱壁式反應腔、水平溫壁式反應腔和垂直熱壁式反應腔 3 種設(shè)備結(jié)構(gòu)原理形式，如圖 5 所示。

這 3 種結(jié)構(gòu)形式從當前應用情況來看，各具自身特點，分別在不同的應用需求下占據(jù)著一定的市場份額。采用水平熱壁單片反應腔結(jié)構(gòu)特點是具有超快生長速率、質(zhì)量與均勻性得到兼顧，設(shè)備操作維護簡單，大生產(chǎn)應用成熟，由于單片式及經(jīng)常需要維護，生產(chǎn)效率較低；水平溫壁式反應腔一般采用 6（片）×100 mm（4 英寸）或 8（片）× 150 mm（6 英寸）托盤結(jié)構(gòu)形式，在產(chǎn)能方面大大提升了設(shè)備的生產(chǎn)效率，但多片一致性控制存在困難，生產(chǎn)良率仍是面臨的最大難題；采用垂直熱壁式反應室結(jié)構(gòu)的設(shè)備結(jié)構(gòu)復雜，生產(chǎn)外延片質(zhì)量缺陷控制極佳，需要極其豐富的設(shè)備維護和使用經(jīng)驗。

隨著產(chǎn)業(yè)不斷發(fā)展，這 3 種設(shè)備進行結(jié)構(gòu)形式上的迭代優(yōu)化升級，設(shè)備配置將越來越完善，在匹配不同厚度、缺陷要求的外延片規(guī)格發(fā)揮重要的作用。幾種外延工藝設(shè)備優(yōu)缺點對比如表 4 所示。

2018 年國內(nèi)推出 100 mm 多片式的工程樣機，單批次通過器件驗證，良品率達到 75%～85%，穩(wěn)定性和可靠性還需進一步優(yōu)化提升；隨著國內(nèi)150 mm 襯底進一步成熟以及外延片國產(chǎn)化的強烈市場需求，國內(nèi)多家單位已經(jīng)推出 150 mm SiC 外延生長爐生產(chǎn)樣機，外延產(chǎn)業(yè)環(huán)節(jié)國內(nèi)產(chǎn)業(yè)正逐步放量。

2.4 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、光刻機、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、高溫退火爐、高溫氧化爐等特殊專用設(shè)備。

2.4.1 SiC 高溫高能離子注入機

SiC 材料硬度大、晶格穩(wěn)定性好，離子注入需要較高的能量將離子注入到足夠的深度，同時需要進行晶圓片加熱，避免 SiC 晶格損傷和雜晶的產(chǎn)生。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標志；當前應用較為主流的設(shè)備主要有 M56700-2/UM、IH-860D/PSIC 和 IMPHEAT 等機型。

2.4.2 SiC 高溫退火設(shè)備

SiC 注入完成后，需要采用退火方式進行離子激活和晶格損傷處理。有 2 種方式可以實現(xiàn)：一是采用高溫爐加熱退火方式；另一種采用激光退火方式，與激光退火方式相比，采用高溫加熱爐進行退火工藝發(fā)展更加成熟。退火工藝需要在 1 600～1 900 ℃通過快速升溫且保持一段時間，晶圓片在碳膜覆蓋下完成激活工藝。設(shè)備需要最高溫度達 2000 ℃，恒溫區(qū)均勻性≤±5 ℃的半導體爐管設(shè)備。SiC 高溫退火國內(nèi)應用較為成熟的設(shè)備有R2120-3/UM、Activator 150、Aile SiC-200 等。

2.4.3 SiC 高溫氧化設(shè)備

SiC 柵氧制備產(chǎn)業(yè)上常規(guī)采用高溫熱氧化工藝在 SiC 表面高溫生產(chǎn)一層 SiO2 層，再通過在氮氧氣氛退火鈍化，以減少柵氧層的界面態(tài)缺陷。SiC 氧化溫度通常在 1300～1400 ℃下進行，伴隨氧氣、二氯乙烯（DCE）、一氧化氮等復雜氣氛環(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，配套高純碳化硅材料工藝爐管，實現(xiàn)具有高溫高潔凈耐腐蝕反應腔的 SiC 高溫氧化爐設(shè)計。SiC 高溫氧化國內(nèi)應用較為成熟的設(shè)備有 Ox-idSiC-650、M5014-3/UM 和 Oxidation 150 等。

在圖形化、刻蝕、金屬化等工藝設(shè)備方面，多個成熟的 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或定制功能開發(fā)。

審核編輯 ：李倩