8英寸碳化硅晶圓,這么難的嗎?

            日期:2022-01-11 17:25:45 作者:kunshan 瀏覽量:10

            第三代半導體也稱為寬禁帶半導體,不同于傳統的半導體主要賴硅晶圓,它在材料層面上實現了更新。而與第一代、第二代半導體并非替代關系,而是形成互補,三者特性各異、用途不同。


            具體來看,第一代半導體材料以硅(Si)和鍺(Ge)為主,是CPU處理器等集成電路主要運用的材料;第二代半導體包括砷化鎵(GaAs)、磷化銦(InP)等,目前手機所使用的關鍵通信芯片都采用這類材料制作。


            第三代半導體材料主要是以碳化硅(SiC)、氮化鎵(GaN)、氧化鋅(ZnO)、金剛石、氮化鋁(AlN)為代表的寬禁帶半導體材料。在通信、汽車、高鐵、衛星通信、航空航天等應用場景中有優勢。其中,碳化硅、氮化鎵的研究和發展更為成熟。


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            SiC器件的需求比產量漲的快


            受材料本身特性的限制,傳統硅基功率器件已經漸漸難以滿足 5G 基站、新能源車及高鐵等新興應用對器件高功率及高頻性能的需求,但SiC作為半導體材料具有優異的性能,尤其是用于功率轉換和控制的功率元器件。與傳統硅器件相比可以實現低導通電阻、高速開關和耐高溫高壓工作,因此近年來倍受歡迎。


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            目前,SiC最大的應用市場在新能源汽車的功率控制單元、逆變器、DC-DC轉換器、車載充電器等。以電動汽車為例,采用碳化硅芯片,將使電驅裝置的體積縮小為五分之一,電動汽車行駛損耗降低60%以上,相同電池容量下里程數顯著提高。


            特斯拉此前在Model3率先使用意法半導體和英飛凌的SiC逆變器;2020年國產比亞迪新能源汽車“漢”的電機控制器中開始應用SiC-MOSFET模塊;今年3月,器件廠商斯達半導也宣布加碼車規級SiC模組產線。據Yole預計,到2025年,新能源汽車和充電樁領域的SiC市場將達到17.78億美元,約占SiC總市場規模的七成左右。


            碳化硅具有1X1共價鍵的硅和碳化合物,其莫氏硬度為13,僅次于鉆石(15)和碳化硼(14)。最早是人們在太陽系剛誕生的46億年前的隕石中,發現了少量這種物質,所以它又被稱為“經歷46億年時光之旅的半導體材料”。據說,SiC在天然環境下非常罕見,雖然通過人工合成可以制造,但因在長晶的源頭晶種就要求相當高的純度,且后段加工極其困難,SiC功率元器件量產化曾一度令研究者們頭疼。


            數據顯示,目前全球SiC硅晶圓總年產能約在40-60萬片,而且同時期的硅晶圓已經由200mm(8英寸)向300mm(12英寸)進發,但碳化硅晶圓的主流尺寸一直是150mm(6英寸),每片晶圓能制造的芯片數量不大,遠不能滿足下游需求。


            以特斯拉Model 3主逆變器為例,需要24個電源模塊,每個電源模塊均基于兩個SiC MOSFET裸片,每輛汽車總共有48個SiC MOSFET裸片。按照這個估算若循序漸進采用SiC后,平均2輛特斯拉的純電動車就需要一片150mm SiC晶圓。Wedbush證券分析師Dan Ives曾稱,到2022年特斯拉的交付量可能會達到100萬輛,如果預測成真,那屆時僅特斯拉就將消耗掉全球SiC硅晶圓總產量。


            主流SiC大廠擴產計劃


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            據不完全統計,未來2-5年內碳化硅產能仍將繼續增加(數據自《科創板日報》、芯思想)


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            雖然這些SiC大廠積極擴產,但自2009年紐約州立大學和道康寧公司在150 mm SiC單晶生長取得了重大突破后,全世界SiC產業一直在150 mm產業方向發展。多年來突破200mm、實現大直徑的無缺陷或低缺陷SiC晶體生長的卻是鳳毛麟角,真的這么難嗎?


            有多難?——長晶、襯底、外延


            包括SiC在內的第三代半導體產業鏈包括包括襯底→外延→設計→制造→封裝。其中,襯底是所有半導體芯片的底層材料,起到物理支撐、導熱、導電等作用;外延是在襯底材料上生長出新的半導體晶層,這些外延層是制造半導體芯片的重要原料,影響器件的基本性能;設計包括器件設計和集成電路設計,其中器件設計包括半導體器件的結構、材料,與外延相關性很大;制造需要通過光刻、薄膜沉積、刻蝕等復雜工藝流程在外延片上制作出設計好的器件結構和電路;封裝是指將制造好的晶圓切割成裸芯片。


            SiC器件成本高的一大原因就是SiC襯底制造困難。數據顯示,襯底成本大約占晶片加工總成本的50%,外延片占25%,器件晶圓制造環節20%,封裝測試環節5%。SiC襯底不止貴,生產工藝還復雜,與硅相比,SiC很難處理。


            合肥鑫晟光電科技有限公司 設備與工藝工程師 @石大小生 在其知乎專欄上分析了SiC生產的兩個難點,即襯底和外延生長。


            與傳統的單晶硅使用提拉法制備不同,目前規?;LSiC單晶主要采用物理氣相輸運法(PVT)或籽晶的升華法。這也就帶來了SiC晶體制備的兩個難點:


            1、 生長條件苛刻,需要在高溫下進行。一般而言,SiC氣相生長溫度在 2300℃以上,壓力 350MPa,而硅僅需 1600℃左右。高溫對設備和工藝控制帶來了極高的要求,生產過程幾乎是黑箱操作難以觀測。如果溫度和壓力控制稍有失誤,則會導致生長數天的產品失敗。


            2、 生長速度慢。PVT 法生長SiC的速度緩慢,7 天才能生長 2cm 左右。而硅棒拉晶 2-3 天即可拉出約 2m 長的 8 英寸硅棒。


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            碳化硅生長爐的技術指標和工藝過程中的籽晶制備、生長壓力控制、溫度場分布控制等因素,決定了單晶質量和主要成本


            另一方面,SiC存在 200 多種晶體結構類型,其中六方結構的 4H 型(4H-SiC)等少數幾種晶體結構的單晶型SiC才是所需的半導體材料,在晶體生長過程中需要精確控制硅碳比、生長溫度梯度、晶體生長速率以及氣流氣壓等參數,否則容易產生多晶型夾雜,導致產出的晶體不合格。


            PVT法生長的SiCk單晶一般是短圓柱狀,柱狀高度(或長度)在20 mm以內,需要通過機械加工整形、切片、研磨、拋光等化學機械拋光和清洗等工藝,才能成為器件制造前的襯底材料。這一機械、化學的制造過程普遍存在著加工困難、制造效率低、制造成本高等問題。SiC單晶加工關注點是晶片不僅具備良好的幾何形貌,如總厚度變化、翹曲度、變形,而且具備較高的晶片表面質量(微粗糙度、劃傷等)。此外,還要考慮單晶加工的效率和成本問題,這也就給SiC襯底制備提出很大的挑戰。


            單晶的生長缺陷,主要是SiC 晶片大面積應用中的螺旋位錯(稱為微管)。目前先進的技術指標是直徑100 mm以上的SiC,其微管缺陷密度小于1 每平方厘米。150 mm的SiC材料制備技術,2014年國內已經取得了突破。但規?;a制造SiC晶片,達到低微管密度或零缺陷質量還存在一些技術工藝問題。


            SiC器件制造必須要經過外延步驟,外延質量對器件性能影響很大。SiC基器件與傳統的硅器件不同,SiC襯底的質量和表面特性不能滿足直接制造器件的要求,因此在制造大功率和高壓高頻器件時,不能直接在SiC襯底上制作器件,而必須在單晶襯底上額外沉積一層高質量的外延材料,并在外延層上制造各類器件,目前效率也比較低。另外SiC的氣相同質外延一般要在 1500℃以上的高溫下進行。由于有升華的問題,溫度不能太高,一般不能超過 1800℃,因而生長速率較低。


            有多難?——切劃、研磨、器件制造


            我們前面也提到,SiC是世界上硬度排名第三的物質,不僅具有高硬度的特點,高脆性、低斷裂韌性也使得其磨削加工過程中易引起材料的脆性斷裂從而在材料表面留下表面破碎層,且產生較為嚴重的表面與亞表層損傷,影響加工精度。所以在研磨、鋸切和拋光階段,挑戰也非常大,其加工難主要體現在:


            (1)硬度大,莫氏硬度分布在 9.2~9.6;

            (2)化學穩定性高,幾乎不與任何強酸或強堿發生反應;

            (3) 加工設備尚不成熟。


            一句話就是——SiC襯底的劃切非常棘手,并且晶圓尺寸越大越棘手。據“半導體封裝工程師之家”介紹,目前,用于制作電子器件的SiC晶圓主要有 2 種:


            1、N 型導電晶圓厚度 150~350 μm,電阻率0.010~0.028 Ω·cm 2 ,主要應用于發光二極管、電力電子行業的功率器件;


            2、高純半絕緣晶圓厚度50~100 μm,電阻率 1×10 8 Ω·cm 2 ,主要用于微波射頻、氮化鎵晶體管等領域。


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            針對半導體行業應用的 SiC 晶圓劃切,主要有砂輪劃片、激光全劃、激光半劃、激光隱形劃切、水導激光劃切等幾種加工方法。半導體封裝工程師之家介紹了每種方法的特點及應用,分析后認為激光隱形劃片與裂片結合的加工方法,加工效率高、工藝效果滿足生產需求,是SiC晶圓的理想加工方式。


            激光隱形劃切,是指將激光聚焦在材料內部,形成改質層,然后通過裂片或擴膜的方式分離芯片。表面無粉塵污染,幾乎無材料損耗,加工效率高。實現隱形劃切的 2 個條件是材料對激光透明,足夠的脈沖能量產生多光子吸收。據介紹,SiC在室溫下的帶隙能量 Eg 約為 3.2 eV,即為 5.13×10 -19 J。1 064 nm 激光光子能量 E=hc/λ=1.87×10 -19 J??梢?1 064 nm 的激光光子能量小于碳化硅材料的吸收帶隙,在光學上呈透明特性,滿足隱形劃切的條件。實際的透過率與材料表面特性、厚度、摻雜物的種類等因素有關,以厚度 300 μm 的碳化硅拋光晶圓為例,實測 1 064 nm 激光透過率約為67%。選用脈沖寬度極短的皮秒激光,多光子吸收產生的能量不轉換成熱能,只在材料內部引起一定深度的改質層,改質層是材料內部裂紋區、熔融區或折射率變化區。然后通過后續的裂片工藝,晶粒將沿著改質層分離。


            碳化硅材料解理性差,改質層的間隔不能太大。試驗采用全自動劃片機和 350 μm厚的 SiC 晶圓,劃切 22 層,劃切速度 500 mm/s,裂開后的斷面比較光滑,崩邊小,邊緣整齊,如下圖所示。


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            英飛凌為了提高產量,就曾在2018年收購了SiC晶圓切割領域的新銳公司Siltectra,據悉Siltectra的冷切割技術(Cold Spilt)相比傳統工藝將提高90%的生產效率。


            另外,在器件制造過程中SiC的難度也有所增加,主要體現在部分工藝需要在高溫下完成:


            1、 摻雜步驟中,傳統硅基材料可以用擴散的方式完成摻雜,但由于碳化硅擴散溫度遠高于硅,無法使用擴散工藝,只能采用高溫離子注入的方式;


            2、 高溫離子注入后,材料原本的晶格結構被破壞,需要用高溫退火工藝進行修復。碳化硅退火溫度高達 1600℃,這對設備和工藝控制都帶來了極大的挑戰。


            3、碳化硅器件工作溫度可達 600℃以上,組成模塊的其他材料,如絕緣材料、焊料、電極材料、外殼等也無法與硅基器件通用;


            4、器件的引出電極材料也需要同時保證耐高溫和低接觸電阻,大部分材料難以同時滿足兩條要求。


            科銳之后,ST也拿出了200mm SiC晶圓


            雖然不知道是不是采用上述先進制備方法,但日前意法半導體(ST)宣布,在他們位于瑞典的北雪平工廠已經成功制造出首批200mm的SiC晶圓,將用于生產下一代電力電子芯片的產品原型。


            新的碳化硅產品STPOWER SiC是在意大利卡塔尼亞、新加坡宏茂橋兩家150mm晶圓廠完成前工序制造的,而后工序制造在中國深圳、摩洛哥布斯庫拉的兩家封測廠進行。據悉, ST正在建SiC襯底新廠和內部采購SiC襯底占比超40%的生產計劃,將SiC晶圓升級到200mm屬于這個計劃的一部分。


            意法半導體表示,這標志著該公司面向汽車、工業客戶的擴產計劃取得重要的階段性成功,鞏固了在這一開創性技術領域的領導地位,提高了電力電子芯片的輕量化和能效,降低客戶獲取這些產品的總擁有成本。此前,福布斯報道稱,雷諾集團與意法半導體公司達成戰略合作伙伴關系,以確保雷諾從2026年開始為旗下的純電動和混合動力汽車提供足夠的功率半導體。


            意法半導體在碳化硅晶圓的研發上已經投入了25年之久,擁有70多項專利,2019年還收購了Norstel,并改名為意法半導體碳化硅公司,獲得了碳化硅硅錠生長技術開發方面的技術積累。


            意法半導體表示,首批200mm碳化硅晶圓質量上乘,影響芯片良率、晶體位錯的缺陷非常少。對比150mm晶圓,200mm晶圓可增加產能,可用于芯片制造的面積擴大幾乎一倍,合格芯片產量則增加80-90%。


            新晶圓可以實現更高效的電能轉換,更小、更輕量化的設計,節省系統設計總體成本,而這些都是決定汽車和工業系統成功的關鍵參數和因素。據Strategy Analytics最新發布的《2020年汽車半導體廠商市場份額報告》顯示,意法半導體與英飛凌、恩智浦、瑞薩、德州儀器為全球Top 5汽車半導體供應商,2020年這五家供應商共占據了全球汽車半導體市場近49%的份額。


            意法半導體并不是第一家生產出200mm SiC晶圓的廠商,早在2019年10月,科銳就宣布在紐約州立理工學院奧爾巴尼分校成功完成了首批200mm SiC晶圓樣品的制備。


            據悉,科銳位于紐約Marcy的200mm SiC晶圓工廠已于2020年2月開工,2021年4月設備開始搬入,預計將在2022年啟用生產。FAB空間458000平方英尺,其中潔凈室空間為135000平方英尺。到2024年滿產時,將達到2017年產能的30倍,同時產品要符合車規級。


            中國的機會


            中泰證券分析師張欣預計,2021年汽車領域SiC有望進入放量元年。該分析師表示,當下的全球 SiC 產業格局呈現美國、歐洲、日本三足鼎立態勢,國內企業在襯底、外延和器件方面均有所布局,包括SiC 襯底材料廠商露笑科技、天科合達(天富能源參股 3.7%)、山東天岳(未上市),器件商斯達半導、華潤微、揚杰科技、泰科天潤(未上市)等;代工龍頭三安集成(三安光電子公司) 。


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            圖自東興證券


            由于“高溫”為核心的難點構筑了較強的技術壁壘,SiC襯底制造難度極大,所以大多數企業都是從科銳、羅姆等供應商處直接購買。目前科銳是全球最大的SiC襯底和外延片供應商,約占全球一半產能;羅姆、高意(II-VI)分列二、三位,合計占有全球35%的產能。這三家廠商的長晶爐都是自行設計,掌握著關鍵的上游設備資源,同時他們又是器件供應商,所以與眾多客戶構成了直接競爭關系,且能夠通過SiC襯底和外延片的銷售情況,獲取客戶的產品研發節奏、產能安排等核心商業信息,未來這些SiC原廠們肯定都會有所忌憚。


            國內公司體量與歐美日本廠商比較均較小,并且在相關工藝和設備問題上面臨挑戰,但在摩爾定律遇到瓶頸、中國智造2025的大背景下,寬禁帶半導體材料,無疑是中國半導體產業實現自我突破一次好機會。當前,中國對于寬禁帶半導體材料器件研發正進行針對性規劃和布局,其中“十三五”國家科技創新規劃、2030計劃和“十四五”國家研發計劃中都將其作為重點突破方向。


            注:作者:Luffy Liu,本文內容參考意法半導體、科創板日報、東興證券、In semi、半導體封裝工程師之家、芯思想,版權原作者所有,入侵發您的權益,我們將第一時間刪除。



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