全球的設備制造商正在加速碳化硅(SiC) 的制造，其增長將從 2024 年開始真正起飛。
距離特斯拉和意法半導體在 Model 3 中首次使用 SiC，已經過去快五年了?，F在，毫無疑問，電動汽車的市場拉動，但消費者仍然要求更好的續航里程和更快的充電速度。碳化硅器件是滿足這些擔憂的關鍵，這就是 IDM 和代工廠為高增長時代奠定基礎的原因。新的制造設施正在建設中，設備正在訂購中。
圖 1：功率 SiC 器件市場正以 34% 的復合年增長率（2021-2027 年）增長，主要受汽車市場以及工業、能源和其他交通運輸市場的推動。資料來源：Yole Développement
但是，為大批量生產新技術需要時間。在幕后，制造設備供應商必須與客戶密切合作，以調整現有設備或設計全新的解決方案，以實現高吞吐量、高良率的 SiC 制造。
碳化硅是一種非常昂貴且極其堅硬的材料。但 SiC 晶圓也很脆，因此需要格外小心地處理。由于它們是透明的，用于處理系統的前幾代傳感器無法看到它們。晶圓傾向于彎曲，因此習慣于硅晶圓平坦度的行業不得不適應。而且這種材料有一些特殊的特性，使得摻雜等某些過程非常困難。
然而，憑借如此有前景的市場機會，許多領先的 SiC IDM 已宣布擴大其制造設施。Wolfspeed 在紐約州北部擁有新的 200 毫米晶圓廠。博世正在德國增加近 40,000 平方英尺的新 SiC 專用潔凈室。Rohm 在日本開設了一家新工廠，目標是在未來五年內將 SiC 制造量提高 5 倍。英飛凌剛剛開始在馬來西亞建設新的 SiC 工廠。日本媒體報道稱，東芝計劃到 2024 年將 SiC 產量提高 3 倍，到 2026 年提高 10 倍。這個名單還在繼續。
有很多很大的潔凈室空間裝滿了設備。一些用于硅線的設備也可以用于碳化硅線。但大批量制造需要一些特別改裝的工具。
SEMI 最近與 PowerAmerica 聯盟的執行董事兼首席技術官 Victor Veliadis 合作舉辦了題為SiC-Silicon Carbide Material Properties, Fabrication Basics, and Key Applications的在線網絡研討會。Veliadis 在接受 Semiconductor Engineering 采訪時詳細介紹了其中的一些要點（見圖 2）。
圖 2：SiC 和 Si 制造工藝之間的關鍵區別。資料來源：Victor Veliadis/PowerAmerica
“當您提出一項新技術時，您希望盡可能多地利用硅基礎設施，因為這是您在經濟上可行的唯一方法，”Veliadis 說。但是，仍有一些特殊性。
隨著特斯拉的崛起，意法半導體加快了從早期到大批量快速發展的制程。
意法半導體汽車產品集團功率晶體管子集團項目管理辦公室主任 Giuseppe Arena 表示：“專用于 SiC 的設備的主要挑戰與晶圓處理有關，此外還有多個工藝要求。” “由于寬帶隙材料固有的化學物理特性，我們在制造流程中使用了一些新的設備和工藝。與通常用于硅基功率器件的工藝相比，高溫外延和離子注入工藝和熱處理尤其如此?！?/span>
SiC 外延對于控制工藝過程中的晶體缺陷和保持產量尤為關鍵?！斑@需要適當設計的外延反應器的可用性，”Arena 解釋說?！皬?SiC 蝕刻的角度來看，它需要適當設計的等離子蝕刻機。晶圓減薄過程還需要特殊工具來管理這種材料的硬度特性。我們還修改了清潔步驟以及蝕刻和沉積工藝，以適應這種材料的特殊性。最后，設備供應商已經調整了一些關鍵設備的處理系統，以適應 SiC 晶圓的透明特性?！?/span>
由于 SiC 的工藝和設計如此緊密地聯系在一起，它在很大程度上仍然是 IDM 主導的業務。但代工廠 X-Fab 很早就看到了機會。
“進入碳化硅業務是一個激動人心的時刻，”X-Fab 的 SiC 和 GaN 產品營銷經理 Agnes Jahnke 說?！白鳛榈谝患壹兲蓟璐S——我們大約在 10 年前開始參與——我們一直在不斷提高我們的碳化硅產能。
X-Fab 與我們的設備供應商有著悠久的合作歷史，我們在早期增加了專用的 SiC 制造設備，如注入機和 SiC 外延，這是一個非常好的決定，因為設備的交貨時間目前正在飛速增長。但這不僅與容量有關。這也與質量有關。我們的工程師不斷改進 SiC 工藝并支持我們的客戶提高產量和產量，這也是管理 SiC 芯片供應的非常重要的因素。
還有專門用于 SiC 的新制造廠。蘇格蘭的 Clas-SiC 就是一個很好的例子，但它采取了不同的方法來用設備填充晶圓廠地板?！拔覀兪且患倚鹿?，大約有五年的歷史，”該公司董事總經理 Rae Hyndman 說?！拔覀冇幸粋€全新的、全面運營的端到端加工、生產量為 150 毫米的開放式晶圓廠，專門用于 SiC 加工。大多數工程團隊都是經驗豐富的工程師團隊，在大批量汽車芯片方面擁有約 20 至 35 年的經驗。團隊中有很多人在 SiC 開發方面擁有 10 到 15 年的經驗，我們在三年多前設計和建造了新的晶圓廠，我們購買了大部分設備作為完全翻新的 150 毫米設備或新設備?！?nbsp;她指出，大約 10% 到 15% 是專門的 SiC 設備。
設備的可用性在任何地方都是一個問題。“我會說晶圓廠和測試設備的交貨時間是最大的挑戰，我會說這是所有半導體設備的全面戰，”Hyndman 說。“這是由于全球對半導體的需求激增，包括傳統的硅和化合物半導體?；衔锇雽w也在推動翻新 150 毫米設備的需求?！?/span>
也就是說，“這取決于用于翻新的資源、工具和零件的可用性——Covid 不會對此有所幫助，”她補充道。
其他 IDM 正在考慮將硅線轉換為 SiC。Veliadis 堅持認為，通過調整現有工藝和設備并購買一些關鍵的新工具，一條 150 毫米的硅生產線可以以大約 2000 萬美元的價格轉換為 SiC 生產線。這是一種為正在努力保持滿負荷或將關閉的舊硅晶圓廠注入新活力的方法。
設備制造商在這個市場上進行了大量投資?！癓am 在 SiC 制造的許多方面都部署了工藝工具，包括 SiC 溝槽蝕刻、介電沉積和蝕刻、厚金屬加工和器件鈍化，” Lam Research客戶支持業務集團專業技術副總裁 David Haynes 說?！敖裉欤S著技術在未來幾年從 150mm 過渡，我們專注于確保我們準備好應對 200mm 的關鍵應用。”
SiC 電力電子設備依賴于平面或基于溝槽的 MOSFET 結構以及二極管?！霸谶@些應用中，關鍵的工藝步驟是在 SiC 晶圓本身上制的，”Haynes 說?！癝iC外延、高溫/高能離子注入和高溫退火是關鍵步驟。用于 MOSFET 制造的 SiC 溝槽蝕刻也很關鍵，高質量離子注入掩模和退火 帽的沉積也很重要，以防止在退火期間從襯底中損失碳。在 BEOL 中，厚金屬加工和高性能鈍化沉積是關鍵?！?/span>
一般來說，就蝕刻、沉積和清潔工藝而言，成熟的硅工藝工具可用于 SiC 器件制造。“但它們通常需要進行調整才能處理 SiC 和 Si 基板，”他說?！八衅脚_的一個共同挑戰是晶圓處理。碳化硅襯底在紅外波長下是半透明的，這意味著硅工藝工具上使用的傳統晶圓檢測系統并不總是能夠檢測到它們。因此，我們必須為我們的運輸和工藝模塊開發特定于 SiC 的升級包，以確?？煽康木A處理。同樣，在工藝過程中需要對 SiC 晶圓進行靜電夾持的情況下，Lam 開發了優化的算法來促進這一點。最后，SiC 的行為可能與 Si 非常不同，尤其是從蝕刻的角度來看。它是一種強鍵合材料，具有許多硅中不存在的離子和晶體學誘導的蝕刻缺陷機制。為了克服這個問題，需要開發特定應用的工藝來解決關鍵步驟，例如 SiC MOSFET 制造中的關鍵溝槽蝕刻工藝。”
應用材料在此期間，還推出了兩款專用于 SiC 的新工具。“碳化硅芯片比基于硅的大功率芯片開關效率更高，功耗更低，”應用材料半導體產品集團技術副總裁 Mike Chudzik 說?！皬墓こ探嵌葋砜矗蓟栊酒墓娜Q于漏極電流 (Id) 的平方和‘導通’電阻 (Ron)。為了提高效率，我們通過增加電子遷移率來降低‘導通’電阻。”
目標是完美的晶體。“電子遷移率可以通過柵極方向和單元間距減小來提高，并且與摻雜濃度成比，”Chudzik 說?！爸圃爝^程中產生的碳化硅晶體缺陷會降低遷移率，從而增加電阻、降低性能并浪費功率。其中兩項關鍵工藝技術是減少表面缺陷的碳化硅晶片 CMP，以及通過減少碳化硅中的體缺陷來優化電子遷移率的離子注入。”
他解釋說，功率芯片的形成始于需要拋光光滑的裸碳化硅晶圓，因為它是后續外延層生長的基礎?！疤蓟枋且环N非常堅硬的材料——比硅、二氧化硅和銅等通常用 CMP 技術平面化的材料要硬得多，”他說。“同時，碳化硅芯片需要在整個設備中具有均勻的晶格。”
為了生產具有最高質量表面的均勻晶圓，應用材料公司開發了 Mirra Durum CMP 系統，該系統將拋光、材料去除測量、清潔和干燥集成在一個系統中（見圖 3）。該公司聲稱，與機械研磨的 SiC 晶圓相比，成品晶圓表面粗糙度降低了 50 倍，與批量 CMP 處理系統相比，粗糙度降低了 3 倍。
圖 3：200 毫米 Mirra Durum CMP 系統旨在通過將拋光、材料去除測量、清潔和干燥集成在一個系統中來生產具有最高質量表面的均勻 SiC 晶圓。資料來源：應用材料
第二個介紹涉及高溫摻雜。在制造過程中，將摻雜劑注入材料中，以幫助實現和引導大功率生產電路中的電流流動。由于 SiC 的密度和硬度，在不損壞晶格的情況下注入、準確放置和激活摻雜劑是一項巨大的挑戰，這會降低性能和功率效率。Applied 使用用于 150 毫米和 200 毫米 SiC 晶圓的熱離子注入系統解決了這一挑戰，據稱與室溫下的注入相比，該系統的電阻率降低了 40 倍。
在摻雜之后，確保晶體結構完整性和激活摻雜劑的下一個關鍵階段是退火，這在 SiC 中是比在硅中熱得多的工藝。為了解決這個問題，centrotherm 的 c.Activator 退火爐可在高達 2,000°C 的溫度下對摻雜劑進行電激活。它是該公司為 SiC 制造量身定制的幾款產品之一（見圖 4）。
圖 4：centrotherm 提供一系列用于 SiC 制造的設備，可提供 150/200 mm 橋接能力。資料來源：centrotherm
幾年前，佳能對 1995 年首次發布的設備進行了大修，使其與 SiC 制造兼容。佳能表示，更新使其與支持翹曲或透明晶圓工藝（如 SiC）的晶圓轉移功能兼容，以及對齊 X 和 Y 對齊標記測量以提高步進生產率的對齊系統選項。
盡管有大量公告，但仍有很長的路要走。“現在還處于早期階段，”ACM Research 的業務發展總監 Sally Ann Henry 說，該公司是一家相對年輕但發展迅速的設備供應商，以其先進的硅前端清潔技術而聞名。她說，雖然在媒體上看起來每個人都在 200mm 上運行 SiC，但實際上大多數 IDM 仍處于構建階段，同時在 150mm 晶圓上運行。
當被問及 ACM Research 如何支持 SiC 時，Henry 說它從 2020 年左右開始?！癆CM 進入碳化硅業務是因為客戶需要它，特別是在亞洲市場，”她說。“在歐洲和美國，我們可以看到有一個巨大的增長領域，所以我們去追求它。”
ACM 已經在其網站上看到了來自較小玩家的詢問。從主要參與者那里，她看到了對“bridge工具”的濃厚興趣，這種工具可以在 150 毫米處獲得資格，然后在他們的建筑物完工后移至 200 毫米，她認為這將在 2024 年完成。
為了做好準備，ACM Research 為其所有支持 SiC 的工具配備了最先進的傳感器，因此可以識別和仔細處理晶圓。處理系統已經過調整以應對 SiC 晶片的彎曲度和透明度。
盡管 SiC 功率器件市場在過去五年中一直在穩步增長，但預測顯示從 2024 年開始將出現大幅增長。領先的設備供應商已經應對 SiC 制造的基本挑戰，但由于交貨時間很長，晶圓廠經理現在訂購額外的設備。也就是說，工藝細節仍有很大的改進空間，IDM 和代工廠繼續與供應商合作。
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