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国内碳化硅衬底的难点

文章出处:半导体材料与工艺设备网责任编辑:作者:MRC人气:-发表时间:2022-09-20 16:11:00【

当前,国内厂商碳化硅衬底生产的技术指标与国际主流厂商相比仍有明显差距。碳化硅衬底正在不断向大尺寸的方向发展,目前行业内公司主要量产衬底尺寸集中在4英寸及6英寸。在最新技术研发储备上,以行业领先者WolfSpeed公司的研发进程为例,WolfSpeed公司已成功研发8英寸产品。为提高生产效率并降低成本,大尺寸是碳化硅衬底制备技术的重要发展方向,衬底尺寸越大,单位衬底可制造的芯片数量越多,单位芯片成本越低;衬底的尺寸越大,边缘的浪费就越小,有利于进一步降低芯片的成本。由于现有的6英寸的硅晶圆产线可以升级改造用于生产SiC器件,所以6英寸SiC衬底的高市占率将维持较长时间。目前我国市场上使用的碳化硅衬底一般为4英寸,可生产6英寸碳化硅衬底的企业,全国不足10家。

碳化硅衬底制备主要有以下技术难点:(1)碳化硅单晶的制备对于温度场设计。适宜的温度场是制备碳化硅单晶的基础,不适宜的温度场极易导致单晶开裂等问题。此外,随着碳化硅衬底直径的增加,温度场的设计及实现难度也在增加。(2)降低结晶缺陷密度。衬底中结晶缺陷(如:微管、穿透性螺位错(TSD)、基平面位错(BPD))会对器件造成负面影响。由于碳化硅较高的生长温度,为降低结晶缺陷密度,传统的工艺条件(如掩膜法)已经不能满足低结晶缺陷密度单晶的生长,势必需要导入新工艺,增加工艺复杂性,这会推高单晶成本。因此,需要投入较长的时间及较大的物料成本研发新工艺,较长的研发周期可能会阻碍衬底单位面积成本的下降,且随着单晶生长厚度的增加,单晶残余内应力迅速增加,这会导致单晶结晶质量下降甚至导致单晶开裂等问题,如何有效兼顾单晶可用厚度及单晶结晶质量存在较大难度。

衬底主要的三个几何参数为TTV(总厚度偏差)、Bow(弯曲度)及Wrap(翘曲度),国内厂商与国外领先厂商仍存在明显差距。此外,产品的一致性问题是难以攻克的短板,国产衬底目前较难进入主流供应链。具体来说,国产衬底技术短板以及一致性问题主要包含两个方面:(1)由于国内厂商起步相对较晚,在材料匹配、设备精度和热场控制等技术角度需要长时间的专门知识累积;(2)国内厂商的客户较少且比较分散,客户的反馈速度更慢,反馈内容不彻底。相比较起来,WolfSpeed的产品线覆盖衬底、外延、器件乃至模组,后端反馈充分且及时。因此,国内厂商的技术差距直接导致衬底综合性能较差,无法用于要求更高的产线中;一致性问则表示优质衬底比例较低,直接导致衬底的成本大幅上升,上述两点导致国内厂商制造的衬底还无法进入主流供应链。

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