半導(dǎo)體材料發(fā)展至今經(jīng)歷了三代，第一代是以硅、鍺為代表半導(dǎo)體材料，主要應(yīng)用于低壓、低頻、中低功率晶體管領(lǐng)域，其中硅半導(dǎo)體材料發(fā)展最為成熟，沿用摩爾定律發(fā)展至今；第二代是以GaAs、InP為代表的化合物半導(dǎo)體材料，它一般應(yīng)用于微波通訊、光通訊等特色芯片領(lǐng)域；第三代半導(dǎo)體以SiC、GaN等化合物為代表，由于材料具有禁帶寬度大、電子遷移率高、擊穿電壓高、導(dǎo)熱率高等特性，適合應(yīng)用在高壓，高頻、高溫、抗輻照等領(lǐng)域。近年來，GaN材料在中低電壓功率器件和射頻器件領(lǐng)域應(yīng)用得到快速發(fā)展，主要產(chǎn)品應(yīng)用為消費電子快速充電器、5G通訊器件及微波射頻組件；SiC相對于GaN材料器件，更適合于中高電壓電力電子領(lǐng)域[1]，在軌道交通，新能源汽車，特高壓輸電及武器裝備大功率電源及電驅(qū)應(yīng)用領(lǐng)域中具有廣闊的應(yīng)用前景。在“新基建”的帶動下，SiC器件迎來巨大的發(fā)展機遇[2]。
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(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、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(yīng)不同耐壓等級的器件規(guī)格，通常為1 μm對應(yīng)100 V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，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(yīng)用環(huán)節(jié)，如圖1所示。
圖1 SiC芯片制備工藝流程示意圖
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(dǎo)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[3]，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[4]、退火激活、柵氧制備等設(shè)備[5]。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。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。
表1 碳化硅器件生產(chǎn)各工藝環(huán)節(jié)關(guān)鍵設(shè)備
1.3 SiC工藝及裝備挑戰(zhàn)
目前制約SiC大規(guī)模應(yīng)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(yán)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(fù)雜惡劣的特殊工藝環(huán)境指標(biāo)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(xué)數(shù)學(xué)理論科學(xué)、一般工程技術(shù)和特種工程相關(guān)的多種科學(xué)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?fàn)顩r
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(xué)氣相沉積法和溶液轉(zhuǎn)移法[6]，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。
圖2 3種SiC單晶工藝方法示意圖
表2 幾種SiC單晶制備方法比較
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(biāo)。
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(dāng)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[7-8]，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(fù)重復(fù)吸收，使晶體特定位置的Si-C化學(xué)鍵斷裂，并形成晶圓分離基點的一層。
圖3 多線切割工藝原理
圖4 激光剝離工藝原理
表3 傳統(tǒng)工藝和先進工藝對比
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100～200μm的線徑，所以切割時，一般每片伴隨200μm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(fù)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個單晶棒可以出片達到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)，10000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(dǎo)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(yīng)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[9]，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(fù)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(yīng)腔、水平溫壁式反應(yīng)腔和垂直熱壁式反應(yīng)腔3種設(shè)備結(jié)構(gòu)原理形式[10，11]，如圖5所示。
圖5 三種SiC工藝原理示意圖
這3種結(jié)構(gòu)形式從當(dāng)前應(yīng)用情況來看，各具自身特點，分別在不同的應(yīng)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(yīng)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(yīng)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(yīng)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(yīng)室結(jié)構(gòu)的設(shè)備結(jié)構(gòu)復(fù)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。
表4 幾種外延工藝設(shè)備優(yōu)缺點對比
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[12]，避免SiC晶格損傷和雜晶的產(chǎn)生[13-14]。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(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[15,16]。設(shè)備需要最高溫度達2000 ℃，恒溫區(qū)均勻性≤±5 ℃的半導(dǎo)體爐管設(shè)備。SiC高溫退火國內(nèi)應(yīng)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?zé)嵫趸に囋赟iC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[5]。SiC氧化溫度通常在1 300℃～1 400℃下進行，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，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(yīng)腔的SiC高溫氧化爐設(shè)計。SiC高溫氧化國內(nèi)應(yīng)用較為成熟的設(shè)備有OxidSiC-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)。
3 展望
隨著SiC產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展和自主化需求，裝備國產(chǎn)化勢在必行、成長空間巨大。國內(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?？偟膩碇v，隨著SiC產(chǎn)業(yè)發(fā)展，對器件性能和成本的倒逼，對裝備發(fā)展提出了更多的新要求，一是尺寸方面，當(dāng)前尺寸150 mm逐漸成為主流，國內(nèi)也推出200 mm樣品；二是效能方面，需要減小單晶加工的能耗，提高襯底加工和離子注入效率，減少生產(chǎn)線上設(shè)備配置數(shù)量和生產(chǎn)成本；三是良率方面，需進一步優(yōu)化設(shè)備材料及工藝驗證，提升特種環(huán)境下設(shè)備穩(wěn)定性和可靠性，降低產(chǎn)品缺陷；四是開發(fā)適應(yīng)新工藝方法的新設(shè)備，在新技術(shù)方向?qū)で笮碌耐黄瓶凇?/p>
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作者簡介：
楊金（1984－），男，湖南岳陽人，碩士，高級工程師，主要從事半導(dǎo)體微電子裝備研究工作。
本文刊載于《電子工業(yè)專用設(shè)備》2022年第3期“趨勢與展望”
