市场|国产碳化硅外延炉设备竞争江湖

原创 碳化硅芯观察 2023-06-29 16:54

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芯三代半导体科技(苏州)有限公司投资公司德观资本在官微宣布芯三代完成C轮投资。其他参与本轮投资的还有江苏省产业技术研究院、浑璞投资和海通证券等旗下基金。该轮融资已成为芯三代在本年度内完成的第四轮融资。


碳化硅外延市场扩产 “火热”

在碳化硅晶体生长和晶片加工过程中,会不可避免地在表面或近表面引入缺陷,导致衬底的体材料质量和表面质量都不够好,直接用其制得器件的性能较差。外延层的生长可以消除许多缺陷,使晶格排列整齐,表面形貌较衬底大为改观。这样的外延片用于制造功率器件,可以极大提高器件的参数稳定性和良率。

外延工艺是整个碳化硅产业中的非常关键的一环,所有的器件基本上都是在外延上实现,所以外延的质量对器件的性能是影响非常大,同时外延的质量又受到晶体和衬底加工的影响,所以外延环节在碳化硅产业链中承上启下,对产业发展起到非常关键的作用。

受益于碳化硅下游市场需求逐步放大,国内多个碳化硅外延项目发布了扩产和新建开工的计划:

一代工艺一代设备。下游市场的飞速增长,不断的扩产需求也助推了碳化硅外延设备的市场增长,海外龙头LPE、Aixtron公司,nuflare纷纷趁机扩大产能,国内外延设备企业更是签单、融资、扩产动作频频,今年来更是有多个碳化硅外延设备新项目成立,参与竞争。

水平单片/多片机台与垂直机台之争

化学气相沉积(CVD)是 最 为 普 及 的 4H-SiC 同 质 外 延 方 法 , 4H-SiC CVD 外延一般采用热壁或温壁式CVD设备,在较高的生长温度条件(1500-1700℃)下保证了外延层4H晶型SiC的延续。

热壁或温壁式 CVD 经过多年的发展,按照进气气流方向与衬底表面的关系,反应室可以 分 为 水 平 卧 式 结 构 反 应 炉 和 垂 直 立 式 结 构 反 应 炉 。

热壁水平卧式 CVD、温壁行星式 CVD 以及准热壁立式 CVD 是现阶段主流外延设备技术方案,已实现商业化应用,其主要结构示意图如下所示。

(a)热壁水平卧式;(b) 温壁行星式;(c) 准热壁立式

热壁水平式CVD系统:一般为气浮驱动旋转的单片大尺寸生长系统 ,易 实 现 较 好 的 片 内 指 标 ,代表性机型为意大利LPE公司的Pe1O6,该机台可以实 现 900℃ 高 温 自 动 装 取 片 ,主 要 特 点 是 生 长 速 率 高 、外延周期短 、片内及炉次间一致性好等 ,在国内市场占有率最高。

根据LPE官方报道,结合主要用户的使用情况 ,Pe1O6外延炉生产的厚度30μm以下100-150mm(4-6英寸)4H-SiC外延片产品可以稳定达到如下指标:片内外延厚度不均匀性≤2%,片内掺杂浓度不均匀性≤5%,表面缺陷密度≤1cm-2,表面无缺陷面积(2mm×2mm单元格)≥90%。
国内市场,晶盛机电、中国电科48所、北方华创、纳设智能均开发了具有类似功能的单片式SiC外延设备,并推进应用,以上4家公司的水平外延炉均已实现大规模出货。
2023年2月,晶盛机电发布了6英寸双片式SiC外延设备,该设备通过对反应室石墨件的改造,采用上下层叠加的方式,单炉可以生长两片外延片,且上下层工艺气体可以单独调控,温差≤5℃,有效弥补了单片水平式外延炉产能不足的劣势。
温壁行星式CVD系统:以行星排布基座的方式,特点是单炉多片生长,产出效率较高。
代表性机型为德国Aixtron公司的AIXG5WWC(8×150mm)和G10-SiC(9×150mm或6×200mm)系列外延设备。
据Aixtron官方报道,G10外延炉生产的厚度10μm的6英寸4H-SiC外延片产品可以稳定达到如下指标:片间外延厚度偏差±2.5%,片内外延厚度不均匀性≤2%,片间掺杂浓度偏差±5%,片内掺杂浓度不均匀性≤2%。截至目前,此类机型在国内用户端使用较少,批量生产数据不足,在一定程度上制约了其工程化应用。
由于多片式外延炉在温场和流场控制等方面技术壁垒较高,国内同类设备开发仍处于研发阶段,尚无替代机型。
准热壁立式 CVD 系统:主要通过外部机械辅助基座高速旋转,特点是通过较低的反应室压力有效降低粘滞层厚度从而提高了外延生长速率,同时其反应室没有能够沉积 SiC 颗粒的上壁,不易产生掉落 物 ,在缺 陷 控 制 上 拥 有 先 天 优 势 ,代 表 性 机 型 为日本Nuflare 公司的单片式外 延 炉 EPIREVO S6。

据Nuflare报道EPIREVOS6设备的生长速率以达到50 μm/h以上,且外延片表面缺陷密度可控制 在 0.1cm-2 以下。在均匀性控制方面 , Nuflare工程师Yoshiaki Daigo曾称,片内厚度和掺杂浓度不均匀性分别达到 1%和2.6%。
目前 ,芯三代 、晶盛机电、中微半导体等国内设备制造商已经设计并推出了具有类似功能的外延设备,但还没有大规模的使用。但垂直机台的优势十分明显,据芯三代报道称:公司将工艺和设备紧密结合研发的SiC-CVD设备通过温场控制、流场控制等方面的设计,在高产能、6/8英寸兼容、COO成本、长时间多炉数连续自动生长控制、低缺陷率、维护便利性和可靠性等方面都具有明显的优势。


8英寸机台推出进度之争

碳化硅降本势在必行,相比于6英寸,8英寸碳化硅晶圆的边缘损耗更小、可利用面积更大,未来通过产量和规模效益的提升,成本有望降低60%以上8英寸的碳化硅衬底和外延材料量产已呼之欲出,配套设备推进的进度决定了8英寸材料的量产时间,所以今年来,各大设备公司推出8英寸相关的信息频繁出现。

2022年9月13日,AIXTRON在行业会议上推出全新的G10-SiC 200mm外延系统。 G10-SiC 提供9x150 mm 6x200 mm 的灵活双晶圆尺寸配置。有助于 SiC 行业从 150 mm(6 英寸)晶圆直径过渡到 200 mm(8 英寸)晶圆直径


LPE和意法半导体也合作开发了自己的8英寸碳化硅外延炉PE108,该设备的核心是一个卧式热壁反应器,具有三通道喷射系统和石墨热室。一方面,三通道喷射系统使气体在沉积室中均匀输送,也使化学物质在衬底上的局部分布得以调整。另一方面,PE108的小石墨质量和自动加载/卸载系统最大限度地减少了加热和冷却时间,可以在不到75 min的时间内完成10 μm厚SiC涂层的沉积,从而抑制了烘烤步骤,从而使真正未掺杂材料的生长成为可能。
  

国内市场,日前,晶盛机电发布消息称公司已成功研发出具有国际先进水平的8英寸单片式碳化硅外延生长设备。


据悉,该8英寸单片式碳化硅外延设备可兼容6、8寸碳化硅外延生产,在6英寸外延设备原有的温度高精度闭环控制、工艺气体精确分流控制等技术基础上,解决了腔体设计中的温场均匀性、流场均匀性等控制难题,实现了成熟稳定的8英寸碳化硅外延工艺。目前,在子公司晶瑞的8英寸衬底基础上,已实现8英寸单片式碳化硅外延生长设备的自主研发与调试,外延的厚度均匀性1.5%以内、掺杂均匀性4%以内,已达到行业领先水平。


工艺结果



8英寸外延片



那些新入局的“玩家”

长城旗下精工自动化将建SiC外延设备项目

5月18日,“长城控股招标中心”发文称,他们已启动“精工自动化碳化硅外延厂房改造设计项目”,目前正在进行招标工作。

碳化硅外延厂房改造设计项目位于保定市徐水经济技术开发区,建筑面积约5633m²,主要改造包括生产厂房内办公区、洁净间、液氮、液氩气站、氢气站、特气间、尾气处理间、危化品库、纯水间、消防等。据调研,该公司此前为汽车零部件制造公司,本次产线改造后将建成碳化硅外延设备制造产线。

「中科汇珠」粤升子公司成功研发碳化硅外延设备

今年5月消息,粤升公司自主研发的4/6吋SiC外延设备,已无故障连续稳定运行近300小时,生长的4/6吋SiC外延片质量均达到国际先进水平,满足MOSFET和SBD器件的制备要求。粤升SiC外延设备的成功研制,意味着国产SiC外延设备又添新的主力军。

汉印机电新增碳化硅外延设备和外延项目

5月22日,盐城市盐都区人民政府报道提到,汉印机电2022年投资了10亿元,启动汉印半导体装备项目,新上40台(套)第三代半导体碳外延设备,可年产20万片碳化硅外延片。汉印机电与中科院半导体所、清华大学化工学院等多家高校深入产学研合作,开展了产业化的SiC设备开发等一系列规划。

由上文梳理,可以发现碳化硅外延厂商在产业扩张的大形势下均在大幅提升产能。碳化硅外延设备环节市场“蛋糕”不断增大,随着新入局的玩家增多,机台结构逐步优化,在生长速率,COO成本、设备稳定性、维护便利性和可靠性等方面稳步提升,以及大尺寸设备的开发推进,国产替代步伐加快,碳化硅外延环节的降本指日可待!

我们和业内人士的调研中,行业人士指出,新一轮碳化硅外延投扩产产生的设备采购需求红利或将持续1-3年。这意味着在未来3年内碳化硅外延设备需求将持续增长,设备企业将迎来增长机遇。但企业需要在这一轮周期中,锻造大规模交付能力、强大的创新研发能力、优秀的成本管控能力,才有可能进入主流市场。


素材来源:芯路说《SiC外延设备炉不同设计浅谈》、晶盛机电官微、芯三代官微

*免责声明:本文由作者原创。文章内容系作者个人观点,碳化硅芯观察转载仅为了传达观点,仅代表碳化硅芯观察对该观点赞同或支持,如果有任何异议,欢迎联系碳化硅芯观察。

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