碳化硅大爆发，全球厂商跑马圈地

全球制造商都在大力发展碳化硅制造业，预计从2024年开始真正实现增长。

自特斯拉和ST微电子在Model 3中向SiC发起挑战以来，已经有将近五年了。现在，没有人怀疑电动汽车的市场吸引力，但消费者仍在要求更远的续航距离和更快的充电速度，SiC是解决这些问题的关键，这也是IDM和代工厂为高增长时代铺平道路的原因，并大力建造新的生产设施和设备。

图1：2021—2027功率碳化硅器件市场以34%的复合年增长率增长来源：Yole

但要实现高容量的新技术需要时间，在幕后，设备制造商必须与其客户密切合作，调整现有设备或设计全新的解决方案，以实现高吞吐量、高产量碳化硅制造。

碳化硅是一种非常昂贵的材料，也是一种非常坚硬的材料。但碳化硅晶圆也非常脆，因此需要格外小心地处理。因为它们是透明的，所以用于处理系统的前几代传感器无法看到它们。晶片往往会弯曲，因此一个习惯于硅晶片平整度的行业不得不适应，这种材料有一些特殊的特性，这使得诸如掺杂之类的某些过程非常困难。

然而，有了这些充满希望的市场机会，许多领先的碳化硅 IDM已宣布扩大其制造设施。

Wolfspeed在纽约州北部新建了200毫米的工厂。博世正在德国新建近40000平方英尺的碳化硅专用洁净室。

Rohm在日本开设了一家新工厂，计划在未来五年内使碳化硅制造业增长5倍。

英飞凌刚刚开始在马来西亚建造新的SiC工厂。

据日本媒体报道，东芝计划到2024年将碳化硅产量增加三倍，到2026年增加十倍。名单还在继续。

硅生产线中使用的一些设备也可以用于碳化硅线路，但是，大批量生产需要一些特别改装的工具。

SEMI最近与Power America财团执行董事兼首席技术官Victor Veliadis合作，举办了一场题为碳化硅材料特性、制造基础和关键应用的在线网络研讨会。在接受半导体工程采访时，Veliadis详细阐述了其中的一些观点（见图2）。

图2：SiC和Si制造工艺之间的关键差异。来源：Power America

当你提出一项新技术时，你基本上想利用尽可能多的硅基础设施，因为这是经济上可行的唯一途径，然而，仍有一些特殊性。

晶圆厂需要什么？

随着特斯拉的增长，ST微电子的销量迅速增长。

ST汽车产品集团功率晶体管小组项目管理办公室主任Giuseppe Arena表示：“碳化硅专用设备的一个主要挑战与晶圆处理以及多种工艺要求有关，由于宽带隙材料固有的化学物理特性，我们在制造流程中使用了一些新设备和工艺。与通常用于硅基功率器件的设备相比，高温外延和离子注入工艺以及热处理尤其如此。”

碳化硅外延对于控制工艺过程中的晶体缺陷和保持生产能力尤为关键，需要设计合理的EPI反应堆的可用性，从碳化硅蚀刻的角度来看，这需要适当设计的等离子蚀刻机的可用性，晶圆变薄过程还需要特殊工具来管理这种材料的硬度特性，修改清洗步骤以及蚀刻和沉积过程，以适应这种材料的特异性。最后，设备供应商已经调整了处理系统碳化硅晶片特性透明性的一些关键设备。

由于工艺和设计在碳化硅中紧密联系，它在很大程度上仍然是IDM主导的业务。但代工厂X-Fab很早就看到了机会。

X-Fab SiC&GaN产品营销经理Agnes Jahnke表示：“进入碳化硅行业是一个激动人心的时刻，作为碳化硅的第一家纯粹的代工厂，我们大约在10年前开始合作，我们一直在不断提高碳化硅产能。X-Fab与我们的设备供应商有着长期密切合作的历史，我们在早期阶段添加了专用的制造设备，如注入机和外延，这是一个非常好的决定，因为设备的交付周期真是一飞冲天。但这不仅仅是产量问题，这也是关于质量的。我们的工程师正在不断改进碳化硅工艺，并支持我们的客户提高产量，这也是管理碳化硅芯片供应的重要因素。因此，X-Fab成功地建立了一个坚实的碳化硅客户群，这些客户为世界提供碳化硅晶体管和二极管，以支持绿色能源过渡。”

还有专门用于碳化硅的新代工厂。苏格兰的Clas SiC就是一个很好的例子，但它采用了不同的方法来填充设备。总经理雷·亨德曼（Rae Hyndman）表示：“我们是一家新公司，大约成立五年，我们有一个新的、完全可操作的、端到端加工、生产量为150 mm的开放式晶圆厂，只专注于碳化硅加工。大多数工程团队是一个经验丰富的工程师团队，在大容量汽车硅领域拥有大约20到35年的经验。团队中有很多人在碳化硅开发方面有10到15年的经验我们有新的晶圆厂三年多前设计和建造的，我们购买了大部分设备，作为完全翻新的150毫米设备或新设备，大约10%至15%是专用碳化硅设备。

设备可用性仍然是世界各地的一个问题。晶圆厂和测试设备的交付周期是最大的挑战，这是所有半导体设备的全面挑战，这是由于世界各地对传统硅和化合物半导体的总体需求激增。化合物半导体也推动了翻新150毫米设备的需求。

她补充说：“这取决于翻新的资源、工具和零件可用性——新冠肺炎不会有帮助。”

其他IDM正在考虑将硅线转换为。通过调整现有的工艺和设备，只需购买几个关键的新工具，就可以将150毫米的硅生产线转换为约2000万美元的碳化硅生产线。这是一种为老硅晶圆厂注入新活力的方式，这些老硅晶片厂正努力保持产能，否则将关闭。

供应商加快步伐

设备制造商在这个市场上进行了大量投资。Lam Research客户支持业务组负责专业技术的副总裁David Haynes表示：“Lam在SiC制造的许多方面部署了工艺工具，包括SiC沟槽蚀刻、介质沉积和蚀刻、厚金属加工和器件钝化，今天，我们致力于确保在未来几年内，随着技术从150毫米过渡到200毫米，我们已准备好应对关键应用。”该公司最新的功率半导体沉积工具如图3所示。

SiC电力电子器件依赖于平面或沟道MOSFET结构以及二极管。在这些应用中，关键工艺步骤是在SiC晶片上制造的，SiC外延、高温/高能离子注入和高温退火是关键步骤。用于MOSFET制造的SiC沟槽刻蚀也很关键，沉积高质量离子注入掩模和退火帽也很关键。在BEOL中，厚金属处理和高性能钝化沉积是关键。

一般来说，关于蚀刻、沉积和清洁工艺，现有的硅工艺工具可用于SiC器件制造。但为了处理SiC和Si衬底，它们通常需要进行调整，所有平台面临的一个共同挑战是晶圆处理。SiC衬底在红外波长下是半透明的这一事实意味着Si工艺工具上使用的传统晶圆检测系统并不总是能够检测到它们。因此，我们必须为我们的传输和工艺模块开发SiC专用升级包，以确保可靠的晶片处理。同样，SiC晶圆为了在加工过程中进行静电夹紧，Lam开发了优化的夹紧算法来实现这一点。最后，SiC的行为与Si截然不同，特别是从蚀刻角度来看。它是一种强键合材料，具有许多硅中不存在的离子和晶体学诱导的蚀刻缺陷机制。为了克服这一点，需要针对具体应用的工艺开发来解决关键步骤，例如SiC MOSFET制造中的关键沟槽蚀刻工艺。

图3：200mm Vector平台为先进的功率半导体制造提供了PECVD能力。来源：Lam Research

应用材料推出了两个专门用于SiC的新工具，应用半导体产品集团技术副总裁Mike Chudzik表示：“碳化硅芯片比硅基大功率芯片更有效地切换，耗电更少，从工程角度来看，碳化硅芯片的功耗由漏极电流（Id）和通电电阻（Ron）的平方决定，为了提高效率，我们通过增加电子迁移率来降低通电电阻。”

目标是一颗完美的水晶，电子迁移率可以随着栅极方向和单元间距的减小而提高，并且与掺杂浓度成反比。在制造过程中产生的碳化硅晶体缺陷会降低迁移率，从而增加电阻、降低性能并浪费电力。两项关键工艺技术是碳化硅晶片CMP（减少表面缺陷）和离子注入（通过减少碳化硅中的大块缺陷来优化电子迁移率）。

功率芯片的形成始于一块裸露的碳化硅晶片，需要打磨光滑，因为它是随后外延层生长的基础。碳化硅是一种非常坚硬的材料，比通常用CMP技术进行平面化的硅、二氧化硅和铜等材料要坚硬得多。同时，碳化硅芯片需要在整个设备中具有均匀的晶格。

为了生产具有最高表面质量的均匀晶片，Applied开发了Mirra Durum CMP系统，该系统将抛光、材料去除测量、清洁和干燥集成在一个系统中（见图4）。该公司声称，与机械研磨SiC晶片相比，成品晶片表面粗糙度降低了50倍，与批量CMP处理系统相比，粗糙度降低3倍。

图4：200mm Mirra Durum CMP系统旨在通过在单个系统中集成抛光、材料去除测量、清洁和干燥，生产具有最高表面质量的均匀SiC晶片。来源：应用材料

第二个介绍涉及高温掺杂。在制造过程中，掺杂剂被植入材料中，以帮助实现和引导大功率生产电路中的电流流动。由于SiC的密度和硬度，注入、准确放置和激活掺杂剂而不损坏晶格是一个巨大的挑战，这将降低性能和能效。Applied公司利用150毫米和200毫米SiC晶片的热离子注入系统解决了这一挑战，该公司表示，与室温下的注入相比，其电阻率降低了40倍。

掺杂之后，确保晶体结构完整性和激活掺杂剂的下一个关键阶段是退火，这在SiC中比在硅中要热得多。为了解决这个问题，centrotherm的c.活化剂退火炉在高达2000°c的温度下对掺杂剂进行电活化。它是该公司为SiC制造量身定制的几种产品之一（见图5）。

图5：centrotherm为SiC制造提供了一系列设备，可提供150/200 mm桥梁能力。资料来源：centrotherm

几年前，佳能对1995年首次发布的步进电机进行了大修，使其与碳化硅制造兼容。佳能表示，这些更新使其与支持翘曲或透明晶圆工艺（如SiC）的晶圆传输功能以及对准X和Y对准标记测量以提高步进机生产率的对准系统选项兼容。

目标达到？

尽管发布了一系列公告，但仍有很长的路要走。ACM Research的业务发展总监萨利·安·亨利（Sally Ann Henry）表示：“现在还为时过早。她说，尽管媒体上似乎每个人都在200毫米上运行SiC，但大多数IDM实际上仍处于构建阶段，同时运行150毫米的晶片。

当被问及ACM Research是如何支持SiC的时，Henry说，大约从2020年开始。“ACM进入碳化硅业务是因为客户有要求，特别是在亚洲市场，在欧洲和美国，我们可以看到有一个巨大的增长区域，所以我们继续追求。”

ACM在其网站上看到了一些小型公司的询问。从主要玩家那里，她看到了对“桥梁工具”的浓厚兴趣，这些工具可以在150mm处合格，然后在他们的建筑完工后移动到200mm，她认为这些工具在2024年基本完工。

为了做好准备，ACM Research已经为其所有支持SiC的工具配备了最先进的传感器，以便能够识别和小心处理晶片。处理系统已经过调整，以应对SiC晶片的弯曲和透明度。

结论

尽管SiC电源设备市场在过去五年中一直稳步增长，但预测显示，从2024年开始，市场将出现大幅上涨。领先的设备供应商已经开始应对SiC制造的基本挑战，但由于交货期很长，工厂经理现在正在下订单购买更多设备。尽管如此，在工艺细节方面仍有很大的改进空间，IDM和代工厂将继续与其供应商合作。