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baobo 2021-10-08 新闻资讯 20 0

根据东方卫视报道,首片国产 6 英寸碳化硅 MOSFET(金属氧化物场效应晶体管)晶圆于 10 月 16 日在上海正式发布。

从终端应用层上来看在碳化硅材料在高铁、汽车电子、智能电网、光伏逆变、工业机电、数据中心、白色家电、消费电子、5G通信、次世代显示等领域有着广泛的应用,市场潜力巨大。2015年,汽车巨头丰田便展示了全碳化硅模组的PCU。相比之下,碳化硅PCU仅为传统硅PCU的体积的1/5,重量减轻35%,电力损耗从20%降低到5%,提升混动车10%以上的经济性,经济社会效益十分明显。

常州珠宝首饰专用气浮钻石研磨机

据介绍,国产 6 英寸碳化硅 MOSFET 晶圆,基于碳化硅(第三代半导体材料)制成,用于新能源车、光伏发电等新能源产业。

上海瞻芯电子创始人兼总经理张永熙表示:“如果用了碳化硅 MOSFET(金属氧化物场效应晶体管)新能源汽车作电驱动的话,续航里程可以有 5% 到 10% 的提升;比如说用了碳化硅工艺器件的光伏逆变器的话,效率也可以非常大的提升尤其在能耗上面降低 50% 。”

不过目前说碳化硅完全取代硅晶芯片还为时过早,第三代半导体材料和传统硅材料,应用领域是完全不同的,硅更多的是用来制作存储器、处理器、数字电路和模拟电路等传统的集成电路芯片。而碳化硅因为能承受大电压和大电流,特别适合用来制造大功率器件、微波射频器件以及光电器件等。碳化硅如果做商业数字芯片是明显的大材小用,在不考虑外界因素和成本的前提下只能说两者是互补关系,对于部分功率器件领域,未来碳化硅芯片将占据优势。

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上海瞻芯电子科技有限公司是一家聚焦于碳化硅(SiC)半导体领域的高科技芯片公司,2017年成立于上海自贸区临港新片区。官方表示,经过三年的深度研发和极力攻关,瞻芯电子成为中国第一家掌握6英寸SiC MOSFET和SBD工艺,以及SiC MOSFET驱动芯片的公司。

碳化硅材料整线关键工艺设备共22种,下面就介绍一下我国碳化硅的发展现状,和碳化硅晶体生长及加工的关键设备。

碳化硅半导体产业发展现状

在我国进行产业升级的浪潮中,SiC材料以其独特的性能得到了越来越多的应用(如: 高功率电力电子、微波射频、人造宝石、光电照明和显示等)随着技术的不断进步发展,价格也在逐步的下探,正迎来历史性的发展机遇。

有专家预测:以SiC材料为代表的第3代半导体材料及器件产业,将是继风能、太阳能之后又一新兴的大产业。

SiC半导体潜在应用领域较为广泛,对新能源汽车、轨道交通、智能电网和电压转换等领域都具有潜在的应用前景。

随着下游行业对半导体功率器件轻量化、高转换效率、低发热特性需求的持续增加,SiC在功率器件中取代Si成为行业发展的必然。

我国是碳化硅最大的应用市场,占据全球近一半的使用量,但是我国的碳化硅产业还很不完善,国内从事碳化硅材料及器件研发制造的多为高校和科研院所,缺乏产业化能力,不过近两年来国内已有少数企业开始进入碳化硅领域,已具备100mm碳化硅晶片产能,碳化硅器件已初步实现量产。

目前,国外宽禁带半导体产业链日趋完整成熟,在开展工艺技术研究的同时,非常重视对宽禁带半导体设备的研发投入,设备先进稳定,工艺水平较高,自动精密控制能力高。

目前国外150mm设备已经进入产业化阶段,并逐步开展200mm设备研发,以及一些新技术路线的导入。

国内宽禁带半导体设备领域,在国家科技项目的大力推动下,我国宽禁带半导体设备正在逐步缩小与国外先进设备的差距:碳化硅半导体设备方面,100-150mm设备已部分实现国产化。但设备的产线应用较少,进而导致设备技术细节和可靠性有待提高,市场认可度较低。

碳化硅材料及器件整线工艺

碳化硅材料及器件可分以下几个阶段

晶体生长及晶体加工、芯片制造和芯片封装

以碳化硅MOSFET工艺为例,整线关键工艺设备共22种。

1.碳化硅晶体生长及加工关键设备

主要包括:

碳化硅粉料合成设备

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用于制备生长碳化硅单晶所需的碳化硅粉料,高质量的碳化硅粉料在后续的碳化硅生长中对晶体质量有重要作用。主要技术难点:高温高真空密封与控制、真空室水冷、真空及测量系统、电气控制系统、粉料合成坩埚加热与耦合技术。

国内外主要厂商:Cree,Aymont,中国电科二所,山东天岳,天科合达,中科院硅酸盐所,等。

碳化硅单晶生长炉

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一般采用物理气相传输法(PVT法)碳化硅粉,料在高温下直接升华,气态反应物输运到低温籽晶表面结晶,形成碳化硅晶体。主要技术难点:高温大尺寸设备高真空密封与控制、坩埚选择结构设计与密封技术、分子级线圈精密升降机构设计与控制、大尺寸坩埚加热与耦合技术、气体输运与混合控制技术等。

主要厂商:Cree,Aymont,Aixtron,LHT,中国电科二所,山东天岳,天科合达,中科院硅酸盐所,中国电科四十六所,等。

金刚石多线切割机

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主要技术难点:主轴系统设计制造、旋转摆动系统设计制造及摆动切割过程控制、移动布线系统技术、张力调节系统技术及算法、收/放线轮系统技术等。

国内外主要厂家:日本高鸟、MeryerBurger、NTC、中国电科四十五所、湖南宇晶、苏州郝瑞特,等。

碳化硅研磨机

常州珠宝首饰专用气浮钻石研磨机

主要技术难点:高硬度材料减薄厚度的精确测量及控制,磨削后晶圆表面出现损伤层、微裂纹和残余应力,SiC晶圆减薄后产生比S i晶圆更大的翘曲现象,薄晶圆传输中的碎片问题等。

国内外主要厂家:日本不二越、韩国NTS、美国斯德堡、中电科四十五所、湖南宇晶、苏州赫瑞特,等。

碳化硅抛光机

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主要技术难点:大尺寸高精度抛光盘设计、制造及装配技术,工作台振动控制验证平台设计及振动技术,抛光盘温度控制技术,循环水路设计技术,自适应承载器技术,抛光头加压传动技术等。

国内外主要厂家:日本不二越、韩国NTS、美国斯德堡、中电科四十五所、湖南宇晶、苏州赫瑞特,等。

2.芯片制造和芯片封装关键设备

碳化硅外延炉

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化学气相沉积(CVD)是目前生长碳化硅外最常用的生长设备,采用硅烷(SiH4) 和(C3Hg)分别作为硅源和碳源,在衬底表面化学反应生成高质量的碳化硅外延层。

主要技术难点:感应加热系统设计、喷淋气浮传动技术、电磁隔离技术、工艺气体动切换等。

国内外主要厂家:Aixtron,LPE,TEL,中国电科四十六所,中科院半导体所,西南电子大学,等。

碳化硅干法刻蚀机

常州珠宝首饰专用气浮钻石研磨机

主要技术难点:高洁净抗腐蚀工艺腔体设计与制造、高性能等离子体源技术等。

国内外主要厂商:Sentech、TEL、AMAT 、0xford、北方华创、中微半导体、中科院微电子所,等。

高温离子注入机

常州珠宝首饰专用气浮钻石研磨机

主要技术难点:离子源技术,高温靶室技术等。

国内外主要厂商:ULVAC,NISSIN,AMAT,中国电科四十八所,等。

高温退火炉

常州珠宝首饰专用气浮钻石研磨机

主要技术难点:高温炉膛热场设计制造工艺,快速升温降温与控温技术等

国外主要厂商:Centrotherm,日本真空,等。

高温氧化炉

常州珠宝首饰专用气浮钻石研磨机

主要技术难度:无金属加热技术,抗氧化无污染高温炉膛设计与制造,高温氧化工艺等。

国外主要厂商:Centrotherm,东横化学,等。

背面减薄机

常州珠宝首饰专用气浮钻石研磨机

主要技术难点:高硬度材料减薄厚度的精确测量及控制,磨削后晶圆表面出现损伤层、微裂纹和残余应力,SiC晶圆减薄后产生比Si晶圆更大的翘曲现象。

国内外主要厂商:日本不二越、Disco、中国电科四十五所,等。

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