半导体sic干货 | 碳化硅芯片关键装备现状及发展趋势

1 SiC 产业环节及关键装备

1.1 SiC 产业链环节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 1 μm 对应100 V 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，如图1所示。

1.2 SiC 工艺及设备特点SiC 材料及芯片制备主要工艺为单晶生长、衬底切磨抛、外延生长、掩膜沉积、图形化、刻蚀、注入、热处理、金属互连等工艺流程共涉及几十种关键半导体装备。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。相比硅基功率器件工艺设备，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。因此，产业上需要将 Si 基功率器件生产线转换成 SiC 器件生产线，往往只需要增加一些专用设备就可以完成生产线设备平台的转型。各工艺环节关键设备如表 1 所示。

1.3 SiC 工艺及装备挑战目前制约 SiC 大规模应用仍面临着一些挑战，一是价格成本方面，由于 SiC 制备困难，材料相对昂贵；二是工艺技术方面，诸多工艺技术仍采用传统技术，严重依赖于经验参数，制备存在良率不高；三是装备方面，在多个工艺环节，如温度、能量、低损伤及多重耦合复杂恶劣的特殊工艺环境指标上对装备要求极高，装备针对 SiC 制备的成熟度水平仍不够。特别在工艺设备方面，涉及到物理化学数学理论科学、一般工程技术和特种工程相关的多种科学技术和工程领域学科范围，需要打破传统设备很多使用极限，才能快速将 SiC 设备量产化，满足高速发展产业的需求。

2 国内外碳化硅装备发展状况

2.1 SiC 单晶生长设备SiC 单晶生长主要有物理气相运输法、高温化学气相沉积法和溶液转移法，如图 2 所示。目前产业上主要以 PVT 方法为主，相比传统溶液提拉法，SiC 由于 Si 的溶解度在液体中有限，不再能够很轻松的长晶。采用 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。几种单晶生长方法比较如表 2 所示。

采用物理气相运输法，国际上已经可以批量生产 150 mm(6 英寸)单晶，200 mm(8 英寸)已经出现样品，国内方面 100 mm(4 英寸)单晶已经商业化， 150 mm（6 英寸）也快速成为主流，相关厂家已开始进行 200 mm（8 英寸）的研制探索工作。随着材料技术研究深入，SiC 单晶生长炉设备工艺性能进一步成熟，后续在能耗、更快生长速率、更大生长尺寸和更厚生长长度是设备的提升目标。2.2 SiC 衬底加工设备单晶生长后，需要对晶体进行切磨抛，当前有两种工艺方式：一是采用金刚线多线切割机切割后在进行研磨，如图 3 所示。另外一种采用激光辐照剥离技术后进行表面处理，如图 4 所示。多线切割工艺方式是目前最常用的方式，采用金刚砂线在切削液下进行线切割，碳化硅材料质地坚硬易碎，需要经过数小时缓慢完成加工，然后采用研磨处理表面凹槽和印痕；激光辐照剥离技术是采用激光辐照技术，将激光聚焦在 SiC 晶体内部，通过反复重复吸收，使晶体特定位置的Si-C 化学键断裂，并形成晶圆分离基点的一层。

金刚线多线切割机和研磨机发展较为成熟，但由于碳化硅硬度特别大、切割特别慢，以及金刚线一般具备 100～200 μm 的线径，所以切割时，一般每片伴随 200 μm 的材料损耗；采用激光辐照技术的剥离方式，它是将激光辐照到晶体内部，通过反复的吸收，在晶体内部特定位置形成断层面，以此为基点将晶圆片剥离下来，这种方法不会带来任何材料损耗，国外采用 40 mm 长，150 mm单晶进行生产统计，生产厚度为 350 μm 的晶圆衬底，24 小时连续生产计算，3 个单晶棒可出片284 片，相比多线切割的 183 片出片率提升 46%；同样连续并行生产，10 000 片的生产时间从 273天降低到 104 天，生产效率提升 1 倍。

国内的多线切割机、研磨机设备在蓝宝石、半导体等方面发展较为成熟，可以很快转型到碳化硅领域，基本可以满足生产需求；在激光辐照剥离工艺方面，国内外已经具备生产机型，但需要大规模应用验证，积累生产可信数据。

2.3 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，制备设备为 SiC 外延生长炉，该工艺生长温度需要达到最高 1 700 ℃，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。设备一般采用水平热壁式反应腔、水平温壁式反应腔和垂直热壁式反应腔 3 种设备结构原理形式，如图 5 所示。

这 3 种结构形式从当前应用情况来看，各具自身特点，分别在不同的应用需求下占据着一定的市场份额。采用水平热壁单片反应腔结构特点是具有超快生长速率、质量与均匀性得到兼顾，设备操作维护简单，大生产应用成熟，由于单片式及经常需要维护，生产效率较低；水平温壁式反应腔一般采用 6（片）×100 mm(4 英寸)或 8（片）× 150 mm(6 英寸)托盘结构形式，在产能方面大大提升了设备的生产效率，但多片一致性控制存在困难，生产良率仍是面临的最大难题；采用垂直热壁式反应室结构的设备结构复杂，生产外延片质量缺陷控制极佳，需要极其丰富的设备维护和使用经验。随着产业不断发展，这 3 种设备进行结构形式上的迭代优化升级，设备配置将越来越完善，在匹配不同厚度、缺陷要求的外延片规格发挥重要的作用。几种外延工艺设备优缺点对比如表 4 所示。

2018 年国内推出 100 mm 多片式的工程样机，单批次通过器件验证，良品率达到 75%～85%，稳定性和可靠性还需进一步优化提升；随着国内150 mm 衬底进一步成熟以及外延片国产化的强烈市场需求，国内多家单位已经推出 150 mm SiC 外延生长炉生产样机，外延产业环节国内产业正逐步放量。2.4 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。2.4.1 SiC 高温高能离子注入机SiC 材料硬度大、晶格稳定性好，离子注入需要较高的能量将离子注入到足够的深度，同时需要进行晶圆片加热，避免 SiC 晶格损伤和杂晶的产生。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。2.4.2 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。有 2 种方式可以实现：一是采用高温炉加热退火方式；另一种采用激光退火方式，与激光退火方式相比，采用高温加热炉进行退火工艺发展更加成熟。退火工艺需要在 1 600～1 900 ℃通过快速升温且保持一段时间，晶圆片在碳膜覆盖下完成激活工艺。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、Activator 150、Aile SiC-200 等。2.4.3 SiC 高温氧化设备SiC 栅氧制备产业上常规采用高温热氧化工艺在 SiC 表面高温生产一层 SiO2 层，再通过在氮氧气氛退火钝化，以减少栅氧层的界面态缺陷。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 Oxidation 150 等。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。