碳化硅大爆發，全球廠商跑馬圈地

全球製造商都在大力發展碳化硅製造業，預計從2024年開始真正實現增長。

自特斯拉和ST微電子在Model 3中向SiC發起挑戰以來，已經有將近五年了。現在，沒有人懷疑電動汽車的市場吸引力，但消費者仍在要求更遠的續航距離和更快的充電速度，SiC是解決這些問題的關鍵，這也是IDM和代工廠爲高增長時代鋪平道路的原因，並大力建造新的生產設施和設備。

圖1：2021—2027功率碳化硅器件市場以34%的複合年增長率增長來源：Yole

但要實現高容量的新技術需要時間，在幕後，設備製造商必須與其客戶密切合作，調整現有設備或設計全新的解決方案，以實現高吞吐量、高產量碳化硅製造。

碳化硅是一種非常昂貴的材料，也是一種非常堅硬的材料。但碳化硅晶圓也非常脆，因此需要格外小心地處理。因爲它們是透明的，所以用於處理系統的前幾代傳感器無法看到它們。晶片往往會彎曲，因此一個習慣於硅晶片平整度的行業不得不適應，這種材料有一些特殊的特性，這使得諸如摻雜之類的某些過程非常困難。

然而，有了這些充滿希望的市場機會，許多領先的碳化硅 IDM已宣佈擴大其製造設施。

Wolfspeed在紐約州北部新建了200毫米的工廠。博世正在德國新建近40000平方英尺的碳化硅專用潔淨室。

Rohm在日本開設了一家新工廠，計劃在未來五年內使碳化硅製造業增長5倍。

英飛凌剛剛開始在馬來西亞建造新的SiC工廠。

據日本媒體報道，東芝計劃到2024年將碳化硅產量增加三倍，到2026年增加十倍。名單還在繼續。

硅生產線中使用的一些設備也可以用於碳化硅線路，但是，大批量生產需要一些特別改裝的工具。

SEMI最近與Power America財團執行董事兼首席技術官Victor Veliadis合作，舉辦了一場題爲碳化硅材料特性、製造基礎和關鍵應用的在線網絡研討會。在接受半導體工程採訪時，Veliadis詳細闡述了其中的一些觀點（見圖2）。

圖2：SiC和Si製造工藝之間的關鍵差異。來源：Power America

當你提出一項新技術時，你基本上想利用盡可能多的硅基礎設施，因爲這是經濟上可行的唯一途徑，然而，仍有一些特殊性。

晶圓廠需要什麼？

隨着特斯拉的增長，ST微電子的銷量迅速增長。

ST汽車產品集團功率晶體管小組項目管理辦公室主任Giuseppe Arena表示：“碳化硅專用設備的一個主要挑戰與晶圓處理以及多種工藝要求有關，由於寬帶隙材料固有的化學物理特性，我們在製造流程中使用了一些新設備和工藝。與通常用於硅基功率器件的設備相比，高溫外延和離子注入工藝以及熱處理尤其如此。”

碳化硅外延對於控制工藝過程中的晶體缺陷和保持生產能力尤爲關鍵，需要設計合理的EPI反應堆的可用性，從碳化硅蝕刻的角度來看，這需要適當設計的等離子蝕刻機的可用性，晶圓變薄過程還需要特殊工具來管理這種材料的硬度特性，修改清洗步驟以及蝕刻和沉積過程，以適應這種材料的特異性。最後，設備供應商已經調整了處理系統碳化硅晶片特性透明性的一些關鍵設備。

由於工藝和設計在碳化硅中緊密聯繫，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。

X-Fab SiC&GaN產品營銷經理Agnes Jahnke表示：“進入碳化硅行業是一個激動人心的時刻，作爲碳化硅的第一家純粹的代工廠，我們大約在10年前開始合作，我們一直在不斷提高碳化硅產能。X-Fab與我們的設備供應商有着長期密切合作的歷史，我們在早期階段添加了專用的製造設備，如注入機和外延，這是一個非常好的決定，因爲設備的交付週期真是一飛沖天。但這不僅僅是產量問題，這也是關於質量的。我們的工程師正在不斷改進碳化硅工藝，並支持我們的客戶提高產量，這也是管理碳化硅芯片供應的重要因素。因此，X-Fab成功地建立了一個堅實的碳化硅客戶羣，這些客戶爲世界提供碳化硅晶體管和二極管，以支持綠色能源過渡。”

還有專門用於碳化硅的新代工廠。蘇格蘭的Clas SiC就是一個很好的例子，但它採用了不同的方法來填充設備。總經理雷·亨德曼（Rae Hyndman）表示：“我們是一家新公司，大約成立五年，我們有一個新的、完全可操作的、端到端加工、生產量爲150 mm的開放式晶圓廠，只專注於碳化硅加工。大多數工程團隊是一個經驗豐富的工程師團隊，在大容量汽車硅領域擁有大約20到35年的經驗。團隊中有很多人在碳化硅開發方面有10到15年的經驗我們有新的晶圓廠三年多前設計和建造的，我們購買了大部分設備，作爲完全翻新的150毫米設備或新設備，大約10%至15%是專用碳化硅設備。

設備可用性仍然是世界各地的一個問題。晶圓廠和測試設備的交付週期是最大的挑戰，這是所有半導體設備的全面挑戰，這是由於世界各地對傳統硅和化合物半導體的總體需求激增。化合物半導體也推動了翻新150毫米設備的需求。

她補充說：“這取決於翻新的資源、工具和零件可用性——新冠肺炎不會有幫助。”

其他IDM正在考慮將硅線轉換爲。通過調整現有的工藝和設備，只需購買幾個關鍵的新工具，就可以將150毫米的硅生產線轉換爲約2000萬美元的碳化硅生產線。這是一種爲老硅晶圓廠注入新活力的方式，這些老硅晶片廠正努力保持產能，否則將關閉。

供應商加快步伐

設備製造商在這個市場上進行了大量投資。Lam Research客戶支持業務組負責專業技術的副總裁David Haynes表示：“Lam在SiC製造的許多方面部署了工藝工具，包括SiC溝槽蝕刻、介質沉積和蝕刻、厚金屬加工和器件鈍化，今天，我們致力於確保在未來幾年內，隨着技術從150毫米過渡到200毫米，我們已準備好應對關鍵應用。”該公司最新的功率半導體沉積工具如圖3所示。

SiC電力電子器件依賴於平面或溝道MOSFET結構以及二極管。在這些應用中，關鍵工藝步驟是在SiC晶片上製造的，SiC外延、高溫/高能離子注入和高溫退火是關鍵步驟。用於MOSFET製造的SiC溝槽刻蝕也很關鍵，沉積高質量離子注入掩模和退火帽也很關鍵。在BEOL中，厚金屬處理和高性能鈍化沉積是關鍵。

一般來說，關於蝕刻、沉積和清潔工藝，現有的硅工藝工具可用於SiC器件製造。但爲了處理SiC和Si襯底，它們通常需要進行調整，所有平臺面臨的一個共同挑戰是晶圓處理。SiC襯底在紅外波長下是半透明的這一事實意味着Si工藝工具上使用的傳統晶圓檢測系統並不總是能夠檢測到它們。因此，我們必須爲我們的傳輸和工藝模塊開發SiC專用升級包，以確保可靠的晶片處理。同樣，SiC晶圓爲了在加工過程中進行靜電夾緊，Lam開發了優化的夾緊算法來實現這一點。最後，SiC的行爲與Si截然不同，特別是從蝕刻角度來看。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。爲了克服這一點，需要針對具體應用的工藝開發來解決關鍵步驟，例如SiC MOSFET製造中的關鍵溝槽蝕刻工藝。

圖3：200mm Vector平臺爲先進的功率半導體制造提供了PECVD能力。來源：Lam Research

應用材料推出了兩個專門用於SiC的新工具，應用半導體產品集團技術副總裁Mike Chudzik表示：“碳化硅芯片比硅基大功率芯片更有效地切換，耗電更少，從工程角度來看，碳化硅芯片的功耗由漏極電流（Id）和通電電阻（Ron）的平方決定，爲了提高效率，我們通過增加電子遷移率來降低通電電阻。”

目標是一顆完美的水晶，電子遷移率可以隨着柵極方向和單元間距的減小而提高，並且與摻雜濃度成反比。在製造過程中產生的碳化硅晶體缺陷會降低遷移率，從而增加電阻、降低性能並浪費電力。兩項關鍵工藝技術是碳化硅晶片CMP（減少表面缺陷）和離子注入（通過減少碳化硅中的大塊缺陷來優化電子遷移率）。

功率芯片的形成始於一塊裸露的碳化硅晶片，需要打磨光滑，因爲它是隨後外延層生長的基礎。碳化硅是一種非常堅硬的材料，比通常用CMP技術進行平面化的硅、二氧化硅和銅等材料要堅硬得多。同時，碳化硅芯片需要在整個設備中具有均勻的晶格。

爲了生產具有最高表面質量的均勻晶片，Applied開發了Mirra Durum CMP系統，該系統將拋光、材料去除測量、清潔和乾燥集成在一個系統中（見圖4）。該公司聲稱，與機械研磨SiC晶片相比，成品晶片表面粗糙度降低了50倍，與批量CMP處理系統相比，粗糙度降低3倍。

圖4：200mm Mirra Durum CMP系統旨在通過在單個系統中集成拋光、材料去除測量、清潔和乾燥，生產具有最高表面質量的均勻SiC晶片。來源：應用材料

第二個介紹涉及高溫摻雜。在製造過程中，摻雜劑被植入材料中，以幫助實現和引導大功率生產電路中的電流流動。由於SiC的密度和硬度，注入、準確放置和激活摻雜劑而不損壞晶格是一個巨大的挑戰，這將降低性能和能效。Applied公司利用150毫米和200毫米SiC晶片的熱離子注入系統解決了這一挑戰，該公司表示，與室溫下的注入相比，其電阻率降低了40倍。

摻雜之後，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中比在硅中要熱得多。爲了解決這個問題，centrotherm的c.活化劑退火爐在高達2000°c的溫度下對摻雜劑進行電活化。它是該公司爲SiC製造量身定製的幾種產品之一（見圖5）。

圖5：centrotherm爲SiC製造提供了一系列設備，可提供150/200 mm橋樑能力。資料來源：centrotherm

幾年前，佳能對1995年首次發佈的步進電機進行了大修，使其與碳化硅製造兼容。佳能表示，這些更新使其與支持翹曲或透明晶圓工藝（如SiC）的晶圓傳輸功能以及對準X和Y對準標記測量以提高步進機生產率的對準系統選項兼容。

目標達到？

儘管發佈了一系列公告，但仍有很長的路要走。ACM Research的業務發展總監薩利·安·亨利（Sally Ann Henry）表示：“現在還爲時過早。她說，儘管媒體上似乎每個人都在200毫米上運行SiC，但大多數IDM實際上仍處於構建階段，同時運行150毫米的晶片。

當被問及ACM Research是如何支持SiC的時，Henry說，大約從2020年開始。“ACM進入碳化硅業務是因爲客戶有要求，特別是在亞洲市場，在歐洲和美國，我們可以看到有一個巨大的增長區域，所以我們繼續追求。”

ACM在其網站上看到了一些小型公司的詢問。從主要玩家那裡，她看到了對“橋樑工具”的濃厚興趣，這些工具可以在150mm處合格，然後在他們的建築完工後移動到200mm，她認爲這些工具在2024年基本完工。

爲了做好準備，ACM Research已經爲其所有支持SiC的工具配備了最先進的傳感器，以便能夠識別和小心處理晶片。處理系統已經過調整，以應對SiC晶片的彎曲和透明度。

結論

儘管SiC電源設備市場在過去五年中一直穩步增長，但預測顯示，從2024年開始，市場將出現大幅上漲。領先的設備供應商已經開始應對SiC製造的基本挑戰，但由於交貨期很長，工廠經理現在正在下訂單購買更多設備。儘管如此，在工藝細節方面仍有很大的改進空間，IDM和代工廠將繼續與其供應商合作。