碳化硅材料裝備技術現狀

周 哲，劉佳甲

(中電科電子裝備集團有限公司，北京100070)

以碳化硅（SiC）為代表的寬禁帶材料，被稱為第三代半導體材料，具有禁帶寬大、擊穿電場強度高、抗輻射能力強等性能優勢[1，2]，適合制造微波射頻、光電子、電力電子等器件[3-6]，適用于高電壓和高功率場景，被廣泛應用于能源、交通、信息等眾多領域，是目前5G通信、特高壓輸電、新能源汽車芯片控制材料的首選材料。

碳化硅領域國內外差距較傳統硅基行業小，完全具備“超車”機會，成為各方都看好的半導體產業內的新一代黃金賽道。國內企業歷經近20年的研發與探索，總體上已經掌握了50～150 mm(2～6英寸)SiC襯底材料的生產加工技術，正在進行200 mm(8英寸)產品研發。而設備行業由于具有技術壁壘高、研發難度大、研發周期長的特點，并且涉及數學、物理、化學、光學、力學等多個基礎學科，成為制約碳化硅材料發展的最關鍵環節之一。

碳化硅材料制備的工藝流程可被細分為襯底制備和外延制備，主要有近十道工序[7]，涉及的主要設備包括單晶生長設備、切割設備、倒角設備、磨拋設備、清洗設備等，以下將主要介紹幾類核心設備的發展現狀。

1 單晶生長設備

目前國外公司已經開發出200～300 mm(8～12英寸)碳化硅晶片，國內100 mm SiC單晶材料已經產業化，正在進行150 mm單晶材料的研發及工程化應用。SiC單晶生長設備國內生產企業主要是中國電子科技集團公司第二研究所、山東天岳、天科合達等。目前100 mm碳化硅單晶生長設備已實現了國產化，150 mm碳化硅單晶生長設備長期運行的可靠性以及一致性方面還亟待提高，200 mm碳化硅單晶生長設備已有原理樣機。中國電子科技集團公司第二研究所的100 mm碳化硅單晶生長設備已經完成了自主研發，并在山西爍科晶體公司等用戶單位實現500臺產線應用，150 mm碳化硅單晶生長設備正在進行可靠性、一致性等方面驗證，200 mm設備已完成樣機研制，正在工程化應用。

2 切割設備

國際上SiC晶體切割設備廠家以瑞士的梅耶伯格（MeyerBuger）和日本的高鳥（Takatori）公司為代表，目前線速度水平都能夠達到2 400 m/min，根據工藝需求甚至還能達到更高。國內主要設備廠家包括中國電子科技集團公司第四十五研究所、唐山晶玉和湖南宇晶等，國產設備在切割效率、加工精度、可靠性和工藝成套性等方面與國外設備有一定差距，100～150 mm SiC晶體切割設備線速度水平只能達到1 500 m/min。

半導體材料加工設備一直是中國電子科技集團公司第四十五研究所的主要研究方向，從內/外圓切片機到金剛線單線/多線切割機，切割工藝覆蓋鋼線帶砂漿的游離切割到金剛線高速切割。目前中國電子科技集團公司第四十五研究所生產的金剛石多線切割設備可以滿足100～150 mm碳化硅晶片切割需求，線速度水平達到1 500 m/min。同時正在積極開展200 mm碳化硅多線切割設備關鍵技術的攻關。

3 倒角設備

目前倒角設備國際上主要供應商有日本東京精密和Daitron，其中東京精密半導體倒角機在行業內技術先進，已經形成W-GM系列全自動晶圓倒角機，市場占有率達90%以上。圖1為日本東京精密W-GM-4200系列倒角設備。國內從事半導體晶圓倒角設備研制的企業有中國電子科技集團公司第二研究所和北京科翰龍半導體公司。國內碳化硅晶圓企業主要采用日本東京精密的倒角機，尚無國產設備進入國內碳化硅晶圓企業。

圖1 W-GM-4200系列倒角機

中國電子科技集團公司第二研究所目前已成功研發DJJ-120和DJJ-120A兩款倒角機型，可以滿足50～100 mm半導體晶圓的倒角工藝，建立了砷化鎵、銻化銦和碲鋅鎘等半導體晶圓的倒角工藝知識庫，自動化程度和倒角精度等均達到東京精密相同的水平。同時依托現有平臺優勢和研發經驗，已開展碳化硅倒角設備的關鍵技術研究和樣機研制工作，目前暫無成熟產品。圖2為中國電子科技集團公司第二研究所的DJJ-120系列倒角設備。

圖2 DJJ-120系列倒角機

4 磨拋設備

碳化硅的磨拋設備分為粗磨和細磨設備，粗磨方面國產設備基本可以滿足加工需求，但是細磨方面主要采購來自于日本不二越、英國logitech、日本disco等公司的設備，采用設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成本。國內的碳化硅磨拋設備廠商主要包括中國電子科技集團公司第四十五研究所、深圳東榮和浙江名正。

中國電子科技集團公司第四十五研究所已建立了單面研磨、單面拋光設備的研發與制造技術平臺，同時突破碳化硅磨拋設備關鍵技術研究，設備性能指標直接對標國外同類產品，可加工100 mm碳化硅晶片，TTV控制在3μm以內，未來將持續加大碳化硅磨拋設備新產品研發和新技術開發力度，全力推動產品工程化、產業化應用。

5 清洗設備

清洗工藝是半導體制程的重要環節，也是影響半導體器件良率的重要因素，目前國際上以東京電子和迪恩士（DNS）為代表的清洗設備廠商可以穩定PRE（去除顆粒效果）做到45～28 nm。圖3為日本DNS公司FC系列清洗設備。盛美半導體作為國內單片清洗設備先進企業可以穩定在45 nm工藝節點且在國際大廠已成功應用。國內其他清洗設備廠商包括中國電子科技集團公司第四十五研究所、北方華創和至純科技等。

圖3 FC系列清洗機

中國電子科技集團公司第四十五研究所的清洗設備廣泛應用于集成電路、光電子器件、MEMS及分立器件等領域。共有單片清洗及槽式清洗兩大系列產品。目前中國電子科技集團公司第四十五研究所研制的的清洗設備可以滿足100～150 mm碳化硅材料清洗工藝要求。正在布局200 mm碳化硅材料清洗設備關鍵技術攻關。圖4為中國電子科技集團公司第四十五研究所的SFQ系列清洗機。

圖4 SFQ系列清洗機

6 外延生長設備

國際上主流的商用SiC材料同質外延生長設備機型分別為德國Aixtron公司的G5WW機型、意大利LPE公司的PE1O6機型和日本Nuflare公司EPIREVOTM S6機型，均能夠滿足100～150 mm SiC晶片的外延生長工藝。國內在SiC外延設備方面的研制基礎非常薄弱，僅中國電子科技集團公司第四十八研究所、中國科學院半導體研究所、西安電子科技大學等少數單位具備相應的研制基礎。

中國電子科技集團公司第四十八研究所目前已研制出100 mm SiC外延生長設備樣機，反應室規格為150 mm×100 mm的多片式，并完成了工藝驗證與器件成品率驗證。目前正在開展高溫大尺寸SiC外延生長設備研制，以滿足150～200 mm SiC外延片批量生產需求。

7 結束語

根據預測，全球新能源汽車、電力和電機驅動領域的SiC功率器件市場規模將從2018年的3.7億美元增長至2023年的近14億美元。2022年全球GaN射頻器件市場規模將從2018年的4.3億美元增長到19.1億美元。因此，SiC/GaN材料有著廣闊的市場前景，呈現逐年增長的趨勢。堅持技術創新與市場需求的有機結合，在研制、生產、保障等方面緊密協作，健全裝備的技術體系、產品體系和服務體系，充分發揮裝備技術的支撐和引領作用，促進高端電子基礎產品的深度發展。