碳化硅材料装备技术现状

周 哲，刘佳甲

(中电科电子装备集团有限公司，北京100070)

以碳化硅（SiC）为代表的宽禁带材料，被称为第三代半导体材料，具有禁带宽大、击穿电场强度高、抗辐射能力强等性能优势[1，2]，适合制造微波射频、光电子、电力电子等器件[3-6]，适用于高电压和高功率场景，被广泛应用于能源、交通、信息等众多领域，是目前5G通信、特高压输电、新能源汽车芯片控制材料的首选材料。

碳化硅领域国内外差距较传统硅基行业小，完全具备“超车”机会，成为各方都看好的半导体产业内的新一代黄金赛道。国内企业历经近20年的研发与探索，总体上已经掌握了50～150 mm(2～6英寸)SiC衬底材料的生产加工技术，正在进行200 mm(8英寸)产品研发。而设备行业由于具有技术壁垒高、研发难度大、研发周期长的特点，并且涉及数学、物理、化学、光学、力学等多个基础学科，成为制约碳化硅材料发展的最关键环节之一。

碳化硅材料制备的工艺流程可被细分为衬底制备和外延制备，主要有近十道工序[7]，涉及的主要设备包括单晶生长设备、切割设备、倒角设备、磨抛设备、清洗设备等，以下将主要介绍几类核心设备的发展现状。

1 单晶生长设备

目前国外公司已经开发出200～300 mm(8～12英寸)碳化硅晶片，国内100 mm SiC单晶材料已经产业化，正在进行150 mm单晶材料的研发及工程化应用。SiC单晶生长设备国内生产企业主要是中国电子科技集团公司第二研究所、山东天岳、天科合达等。目前100 mm碳化硅单晶生长设备已实现了国产化，150 mm碳化硅单晶生长设备长期运行的可靠性以及一致性方面还亟待提高，200 mm碳化硅单晶生长设备已有原理样机。中国电子科技集团公司第二研究所的100 mm碳化硅单晶生长设备已经完成了自主研发，并在山西烁科晶体公司等用户单位实现500台产线应用，150 mm碳化硅单晶生长设备正在进行可靠性、一致性等方面验证，200 mm设备已完成样机研制，正在工程化应用。

2 切割设备

国际上SiC晶体切割设备厂家以瑞士的梅耶伯格（MeyerBuger）和日本的高鸟（Takatori）公司为代表，目前线速度水平都能够达到2 400 m/min，根据工艺需求甚至还能达到更高。国内主要设备厂家包括中国电子科技集团公司第四十五研究所、唐山晶玉和湖南宇晶等，国产设备在切割效率、加工精度、可靠性和工艺成套性等方面与国外设备有一定差距，100～150 mm SiC晶体切割设备线速度水平只能达到1 500 m/min。

半导体材料加工设备一直是中国电子科技集团公司第四十五研究所的主要研究方向，从内/外圆切片机到金刚线单线/多线切割机，切割工艺覆盖钢线带砂浆的游离切割到金刚线高速切割。目前中国电子科技集团公司第四十五研究所生产的金刚石多线切割设备可以满足100～150 mm碳化硅晶片切割需求，线速度水平达到1 500 m/min。同时正在积极开展200 mm碳化硅多线切割设备关键技术的攻关。

3 倒角设备

目前倒角设备国际上主要供应商有日本东京精密和Daitron，其中东京精密半导体倒角机在行业内技术先进，已经形成W-GM系列全自动晶圆倒角机，市场占有率达90%以上。图1为日本东京精密W-GM-4200系列倒角设备。国内从事半导体晶圆倒角设备研制的企业有中国电子科技集团公司第二研究所和北京科翰龙半导体公司。国内碳化硅晶圆企业主要采用日本东京精密的倒角机，尚无国产设备进入国内碳化硅晶圆企业。

图1 W-GM-4200系列倒角机

中国电子科技集团公司第二研究所目前已成功研发DJJ-120和DJJ-120A两款倒角机型，可以满足50～100 mm半导体晶圆的倒角工艺，建立了砷化镓、锑化铟和碲锌镉等半导体晶圆的倒角工艺知识库，自动化程度和倒角精度等均达到东京精密相同的水平。同时依托现有平台优势和研发经验，已开展碳化硅倒角设备的关键技术研究和样机研制工作，目前暂无成熟产品。图2为中国电子科技集团公司第二研究所的DJJ-120系列倒角设备。

图2 DJJ-120系列倒角机

4 磨抛设备

碳化硅的磨抛设备分为粗磨和细磨设备，粗磨方面国产设备基本可以满足加工需求，但是细磨方面主要采购来自于日本不二越、英国logitech、日本disco等公司的设备，采用设备与工艺打包销售的方式，极大的增加了工艺厂商的使用成本和维护成本。国内的碳化硅磨抛设备厂商主要包括中国电子科技集团公司第四十五研究所、深圳东荣和浙江名正。

中国电子科技集团公司第四十五研究所已建立了单面研磨、单面抛光设备的研发与制造技术平台，同时突破碳化硅磨抛设备关键技术研究，设备性能指标直接对标国外同类产品，可加工100 mm碳化硅晶片，TTV控制在3μm以内，未来将持续加大碳化硅磨抛设备新产品研发和新技术开发力度，全力推动产品工程化、产业化应用。

5 清洗设备

清洗工艺是半导体制程的重要环节，也是影响半导体器件良率的重要因素，目前国际上以东京电子和迪恩士（DNS）为代表的清洗设备厂商可以稳定PRE（去除颗粒效果）做到45～28 nm。图3为日本DNS公司FC系列清洗设备。盛美半导体作为国内单片清洗设备先进企业可以稳定在45 nm工艺节点且在国际大厂已成功应用。国内其他清洗设备厂商包括中国电子科技集团公司第四十五研究所、北方华创和至纯科技等。

图3 FC系列清洗机

中国电子科技集团公司第四十五研究所的清洗设备广泛应用于集成电路、光电子器件、MEMS及分立器件等领域。共有单片清洗及槽式清洗两大系列产品。目前中国电子科技集团公司第四十五研究所研制的的清洗设备可以满足100～150 mm碳化硅材料清洗工艺要求。正在布局200 mm碳化硅材料清洗设备关键技术攻关。图4为中国电子科技集团公司第四十五研究所的SFQ系列清洗机。

图4 SFQ系列清洗机

6 外延生长设备

国际上主流的商用SiC材料同质外延生长设备机型分别为德国Aixtron公司的G5WW机型、意大利LPE公司的PE1O6机型和日本Nuflare公司EPIREVOTM S6机型，均能够满足100～150 mm SiC晶片的外延生长工艺。国内在SiC外延设备方面的研制基础非常薄弱，仅中国电子科技集团公司第四十八研究所、中国科学院半导体研究所、西安电子科技大学等少数单位具备相应的研制基础。

中国电子科技集团公司第四十八研究所目前已研制出100 mm SiC外延生长设备样机，反应室规格为150 mm×100 mm的多片式，并完成了工艺验证与器件成品率验证。目前正在开展高温大尺寸SiC外延生长设备研制，以满足150～200 mm SiC外延片批量生产需求。

7 结束语

根据预测，全球新能源汽车、电力和电机驱动领域的SiC功率器件市场规模将从2018年的3.7亿美元增长至2023年的近14亿美元。2022年全球GaN射频器件市场规模将从2018年的4.3亿美元增长到19.1亿美元。因此，SiC/GaN材料有着广阔的市场前景，呈现逐年增长的趋势。坚持技术创新与市场需求的有机结合，在研制、生产、保障等方面紧密协作，健全装备的技术体系、产品体系和服务体系，充分发挥装备技术的支撑和引领作用，促进高端电子基础产品的深度发展。