特斯拉和意法半導(dǎo)體在 Model 3 中使用 SiC 已經(jīng)快五年了。現(xiàn)在沒有人懷疑電動(dòng)汽車的市場(chǎng)吸引力，但消費(fèi)者要求更好的續(xù)航里程和更快的充電速度。SiC 器件是滿足這些需求的關(guān)鍵，因此 IDM 和代工廠都在SiC的增長時(shí)代做準(zhǔn)備：新的制造設(shè)施正在建設(shè)中，設(shè)備正在訂購中。

圖 1：功率 SiC 器件市場(chǎng)正以 34% 的復(fù)合年增長率（2021-2027年）增長，主要受汽車市場(chǎng)以及工業(yè)、能源和其他交通運(yùn)輸市場(chǎng)的推動(dòng)。資料來源：Yole Développement

但是，為大批量生產(chǎn)新技術(shù)需要時(shí)間。這意味著制造設(shè)備供應(yīng)商必須與客戶密切合作，以調(diào)整現(xiàn)有設(shè)備或設(shè)計(jì)全新的解決方案，以實(shí)現(xiàn)高通量、高產(chǎn)量的 SiC 制造。

SiC是一種非常昂貴且極其堅(jiān)硬的材料。但 SiC 晶圓也很脆，因此需要格外小心地處理。因?yàn)樗鼈兪峭该鞯模幚硐到y(tǒng)中使用的前幾代傳感器無法看到它們。SiC 晶圓往往會(huì)彎曲，因此過去習(xí)慣平坦的硅晶圓的行業(yè)不得不重新適應(yīng)。而且SiC材料有一些特殊的特性，使摻雜等某些過程變得非常困難。

但有潛力的市場(chǎng)機(jī)會(huì)，讓許多領(lǐng)先的 SiC IDM 宣布擴(kuò)大其制造設(shè)施。Wolfspeed 在紐約州北部擁有新的 200 mm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(shè)了一家新工廠，目標(biāo)是在未來五年內(nèi)將 SiC 制造量提高 5 倍。英飛凌剛剛開始在馬來西亞建設(shè)新的 SiC 工廠。日本媒體報(bào)道稱，東芝計(jì)劃到 2024 年將 SiC 產(chǎn)量提高 3 倍，到 2026 年提高 10 倍。而這份名單還在繼續(xù)。

一些用于硅線的設(shè)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。

PowerAmerica 聯(lián)盟的執(zhí)行董事兼首席技術(shù)官 Victor Veliadis 在接受 采訪時(shí)詳細(xì)介紹了其中的一些要點(diǎn)（見圖 2）

圖 2：SiC 和 Si 制造工藝之間的關(guān)鍵差異。資料來源：維克多·韋利亞迪斯/PowerAmerica

當(dāng)提出一項(xiàng)新技術(shù)時(shí)，制造商還是希望盡可能多地利用硅基礎(chǔ)設(shè)施，因?yàn)檫@是在經(jīng)濟(jì)上可行的唯一方法，但是，SiC仍有一些特殊性。

隨著特斯拉的崛起，意法半導(dǎo)體從早期到大批量快速發(fā)展SiC。

意法半導(dǎo)體汽車產(chǎn)品集團(tuán)功率晶體管子集團(tuán)項(xiàng)目管理辦公室主任 Giuseppe Arena 表示：“專用于 SiC 的設(shè)備的主要挑戰(zhàn)與晶圓處理有關(guān)，此外還有多個(gè)工藝要求。”“由于寬帶隙材料固有的化學(xué)物理特性，我們?cè)谥圃炝鞒讨惺褂昧艘恍┬碌脑O(shè)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。”

SiC 外延對(duì)于控制工藝過程中的晶體缺陷和保持產(chǎn)量尤為關(guān)鍵。“這需要適當(dāng)設(shè)計(jì)的外延反應(yīng)器的可用性，”Arena 解釋說。“從 SiC 蝕刻的角度來看，它需要適當(dāng)設(shè)計(jì)的等離子蝕刻機(jī)。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，以根據(jù)這種材料的特性對(duì)其進(jìn)行定制。最后，設(shè)備供應(yīng)商已經(jīng)調(diào)整了一些關(guān)鍵設(shè)備的處理系統(tǒng)，以適應(yīng) SiC 晶圓的透明特性。”

由于 SiC 的工藝和設(shè)計(jì)如此緊密地聯(lián)系在一起，它在很大程度上仍然是 IDM 主導(dǎo)的業(yè)務(wù)。但代工廠 X-Fab 很早就看到了機(jī)會(huì)。

“進(jìn)入SiC業(yè)務(wù)是一個(gè)激動(dòng)人心的時(shí)刻，”X-Fab 的 SiC 和 GaN 產(chǎn)品營銷經(jīng)理 Agnes Jahnke 說。“作為第一家純SiC代工廠——我們大約在 10 年前開始參與——我們一直在不斷提高我們的SiC產(chǎn)能。我們?cè)谠缙谠黾恿藢Ｓ玫?SiC 制造設(shè)備，如注入機(jī)和 SiC 外延，這是一個(gè)非常好的決定，因?yàn)樵O(shè)備的交貨時(shí)間目前正在飛速增長。但這不僅與容量有關(guān)。我們的工程師不斷改進(jìn) SiC 工藝并支持我們的客戶提高產(chǎn)量和產(chǎn)量，這也是管理 SiC 芯片供應(yīng)的非常重要的因素。”

還有專門用于 SiC 的新鑄造廠。蘇格蘭的 Clas-SiC 就是一個(gè)很好的例子，但它采取了不同的方法來用設(shè)備填充晶圓廠地板。“我們是一家新公司，大約有五年的歷史，”董事總經(jīng)理 Rae Hyndman 說。“我們有一個(gè)新的、全面運(yùn)營的端到端加工、生產(chǎn)量為 150 mm的開放式晶圓廠，專門用于 SiC 加工。大多數(shù)工程團(tuán)隊(duì)都是經(jīng)驗(yàn)豐富的工程師團(tuán)隊(duì)，在大批量汽車芯片方面擁有約 20 至 35 年的經(jīng)驗(yàn)。團(tuán)隊(duì)中有很多人在 SiC 開發(fā)方面擁有 10 到 15 年的經(jīng)驗(yàn)，我們?cè)谌甓嗲霸O(shè)計(jì)和建造了新的晶圓廠，我們購買了大部分設(shè)備作為完全翻新的 150 mm設(shè)備或新設(shè)備。”她指出，大約 10% 到 15% 是專用的 SiC 設(shè)備。

設(shè)備的可用性在任何地方都是一個(gè)問題。“我會(huì)說晶圓廠和測(cè)試設(shè)備的交貨時(shí)間是最大的挑戰(zhàn)，我會(huì)說這是所有半導(dǎo)體設(shè)備的全面挑戰(zhàn)，”Hyndman 說。“這是由于全球?qū)Π雽?dǎo)體的需求激增，包括傳統(tǒng)的硅和化合物半導(dǎo)體。化合物半導(dǎo)體也在推動(dòng)翻新 150 mm設(shè)備的需求。”也就是說，“這取決于用于翻新的資源、工具和零件的可用性——新冠疫情對(duì)此影響不大，”她補(bǔ)充道。

其他 IDM 正在考慮將硅線轉(zhuǎn)換為 SiC。Veliadis 堅(jiān)持認(rèn)為，通過調(diào)整現(xiàn)有工藝和設(shè)備并購買一些關(guān)鍵的新工具，一條 150 mm的硅生產(chǎn)線可以以大約 2000 萬美元的價(jià)格轉(zhuǎn)換為 SiC 生產(chǎn)線。這是一種為正在努力保持滿負(fù)荷或?qū)㈥P(guān)閉的舊硅晶圓廠注入新活力的方法。

設(shè)備制造商在這個(gè)市場(chǎng)上進(jìn)行了大量投資。“Lam 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(yè)務(wù)集團(tuán)專業(yè)技術(shù)副總裁 David Haynes 說。“今天，隨著技術(shù)在未來幾年從 150mm 過渡，我們專注于確保我們準(zhǔn)備好應(yīng)對(duì) 200mm 的關(guān)鍵應(yīng)用。”

SiC 電力電子設(shè)備依賴于平面或基于溝槽的 MOSFET 結(jié)構(gòu)以及二極管。“在這些應(yīng)用中，關(guān)鍵的工藝步驟是在 SiC 晶圓本身上制造的，”Haynes 說。“SiC外延、高溫/高能離子注入和高溫退火是關(guān)鍵步驟。用于 MOSFET 制造的 SiC 溝槽蝕刻也很關(guān)鍵，高質(zhì)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的沉積是關(guān)鍵。”

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(jìn)行調(diào)整才能處理 SiC 和 Si 基板，”他說。“所有平臺(tái)的一個(gè)共同挑戰(zhàn)是晶圓處理。SiC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(tǒng)晶圓檢測(cè)系統(tǒng)并不總是能夠檢測(cè)到它們。因此，我們必須為我們的運(yùn)輸和工藝模塊開發(fā)特定于 SiC 的升級(jí)包，以確保可靠的晶圓處理。同樣，在工藝過程中需要對(duì) SiC 晶圓進(jìn)行靜電夾持的情況下，Lam 開發(fā)了優(yōu)化的夾持算法來促進(jìn)這一點(diǎn)。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(qiáng)鍵合材料，具有許多硅中不存在的離子和晶體學(xué)誘導(dǎo)的蝕刻缺陷機(jī)制。為了克服這個(gè)問題，需要開發(fā)特定應(yīng)用的工藝來解決關(guān)鍵步驟，例如 SiC MOSFET 制造中的關(guān)鍵溝槽蝕刻工藝。”

應(yīng)用材料推出了兩種專用于 SiC 的新工具。“SiC芯片比基于 Si 的大功率芯片開關(guān)效率更高，功耗更低，”應(yīng)用材料半導(dǎo)體產(chǎn)品集團(tuán)技術(shù)副總裁 Mike Chudzik 說。“從工程角度來看，SiC芯片的功耗取決于漏極電流 (Id) 的平方和‘導(dǎo)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(dǎo)通’電阻。”

目標(biāo)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，并且與摻雜濃度成反比，”Chudzik 說。“制造過程中產(chǎn)生的SiC晶體缺陷會(huì)降低遷移率，從而增加電阻、降低性能并浪費(fèi)功率。其中兩項(xiàng)關(guān)鍵工藝技術(shù)是減少表面缺陷的SiC晶片 CMP，以及通過減少SiC中的體缺陷來優(yōu)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SiC晶片，因?yàn)樗呛罄m(xù)外延層生長的基礎(chǔ)。“SiC是一種非常堅(jiān)硬的材料——比通常用 CMP 技術(shù)平面化的硅、二氧化硅和銅等材料要硬得多，”他說。“同時(shí)，SiC芯片需要在整個(gè)設(shè)備中具有均勻的晶格。”

為了生產(chǎn)具有[敏感詞]質(zhì)量表面的均勻晶圓，應(yīng)用材料公司開發(fā)了 Mirra Durum CMP 系統(tǒng)，該系統(tǒng)將拋光、材料去除測(cè)量、清潔和干燥集成在一個(gè)系統(tǒng)中（見圖 3）。該公司聲稱，與機(jī)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(tǒng)相比，粗糙度降低了 3 倍。

圖 3：200 mm Mirra Durum CMP 系統(tǒng)旨在通過將拋光、材料去除測(cè)量、清潔和干燥集成在一個(gè)系統(tǒng)中來生產(chǎn)具有[敏感詞]質(zhì)量表面的均勻 SiC 晶圓。資料來源：應(yīng)用材料

第二個(gè)方面涉及高溫?fù)诫s。在制造過程中，將摻雜劑注入材料中，以幫助實(shí)現(xiàn)和引導(dǎo)大功率生產(chǎn)電路中的電流流動(dòng)。由于 SiC 的密度和硬度，在不損壞晶格的情況[敏感詞]入、準(zhǔn)確放置和激活摻雜劑是一項(xiàng)巨大的挑戰(zhàn)，這會(huì)降低性能和功率效率。Applied 使用用于 150 mm和 200 mm SiC 晶圓的熱離子注入系統(tǒng)解決了這一挑戰(zhàn)，據(jù)稱與室溫下的注入相比，該系統(tǒng)的電阻率降低了 40 倍。

在摻雜之后，確保晶體結(jié)構(gòu)完整性和激活摻雜劑的下一個(gè)關(guān)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(gè)問題，centrotherm 的 c.Activator 退火爐可在高達(dá) 2,000°C 的溫度下對(duì)摻雜劑進(jìn)行電激活。它是該公司為 SiC 制造量身定制的幾款產(chǎn)品之一（見圖 4）。

圖 4：centrotherm 提供一系列用于 SiC 制造的設(shè)備，可提供 150/200 mm 橋接能力。資料來源：centrotherm

幾年前，佳能對(duì) 1995 年首次發(fā)布的步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行了整頓使其與 SiC 制造兼容。佳能表示，這些更新使其與支持翹曲或透明晶圓工藝（如 SiC）的晶圓傳輸功能兼容，以及對(duì)齊 X 和 Y 對(duì)齊標(biāo)記測(cè)量以提高步進(jìn)生產(chǎn)率的對(duì)齊系統(tǒng)選項(xiàng)。

盡管有大量公告，但SiC仍有很長的路要走。“SiC現(xiàn)在還處于早期階段，”ACM Research 的業(yè)務(wù)發(fā)展總監(jiān) Sally Ann Henry 說，雖然在媒體上看起來每個(gè)人都在 200mm 上運(yùn)行 SiC，但實(shí)際上大多數(shù) IDM 仍處于構(gòu)建階段，同時(shí)在 150mm 晶圓上運(yùn)行。

當(dāng)被問及 ACM Research 如何支持 SiC 時(shí)，Henry 說它從 2020 年左右開始。“ACM 進(jìn)入SiC業(yè)務(wù)是因?yàn)榭蛻粜枰貏e是在亞洲市場(chǎng)，”她說。“在歐洲和[敏感詞]，我們可以看到有一個(gè)巨大的增長領(lǐng)域，所以我們?nèi)プ非笏！?/span>

ACM 已經(jīng)在其網(wǎng)站上看到了來自較小用戶的詢問。從主要參與者那里，她看到了對(duì)“橋梁工具”的濃厚興趣，這種工具可以支持 150 mm，然后在他們的建筑物完工后也可以移至 200 mm，她認(rèn)為這將在 2024 年完成。

為了做好準(zhǔn)備，ACM Research 為其所有支持 SiC 的工具配備了[敏感詞]的傳感器，因此可以識(shí)別和仔細(xì)處理晶圓。處理系統(tǒng)已適應(yīng)處理 SiC 晶片的彎曲和透明度。

盡管 SiC 功率器件市場(chǎng)在過去五年中一直在穩(wěn)步增長，但預(yù)測(cè)顯示從 2024 年開始將出現(xiàn)大幅增長。領(lǐng)先的設(shè)備供應(yīng)商已經(jīng)應(yīng)對(duì) SiC 制造的基本挑戰(zhàn)，但由于交貨時(shí)間很長，晶圓廠經(jīng)理現(xiàn)在訂購額外的設(shè)備。也就是說，工藝細(xì)節(jié)仍有很大的改進(jìn)空間，IDM 和代工廠繼續(xù)與供應(yīng)商合作。