一代材料、一代工藝、一代裝備。工藝與設備技術的進步將極大的支撐并推動化合物半導體的發(fā)展進程。半導體制造工藝的進步也在推動裝備企業(yè)不斷追求技術革新。
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在2023年深圳國際電子展論壇上北方華創(chuàng)?張軼銘博士給大家分享了《面向化合物半導體的裝備與工藝解決方案》。
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報告從化合物是未來半導體高速發(fā)展的方向之一、未來中國必將成為化合物半導體創(chuàng)新和應用中心、北方華創(chuàng)的關鍵設備等方面給大家做了詳細分析。
一、化合物是未來半導體高速發(fā)展的方向之一
1、?AI時代，化合物半導體應用愈加廣泛
ChatGPT上市后，僅兩個月時間,月活躍用戶量就達到了1億人，成為世界上突破月活1億人用時最短的軟件。
2030危機? AI發(fā)展與能源之間的矛盾全球通用計算的總能耗繼續(xù)呈指數(shù)級增長，而世界能源生產僅每年增長約2%，矛盾凸顯。有機構預計2030年AI會消耗全球電力供應的50%。
化合物芯片具有更高的工作頻率和更低的功耗，熱傳導性能好，更有效地散熱在AI應用中涉及大是的數(shù)據(jù)處理、計算傳輸使用化合物芯片可使整體電能利用效率顯苦提升，電力電子裝暨小型化，且其優(yōu)異散熱特性有助于維持芯片的穩(wěn)定性和可靠性。
推動可再生能源發(fā)展推動能源電氣化、電力低碳化
推動新能源應用；應用于高效光伏電池、風力發(fā)電系統(tǒng)的能源裝置，提升能顯轉換效率；應用促使新能源汽車低功耗化提高電力轉化效率，減少能源損耗：用于制造高效節(jié)能的變頻器，逆變器等電力轉換裝置提高電力轉換效率，較低的電阻和導熱系數(shù)減少電纜、電機等裝置的能是損耗。
未來將進入數(shù)字能源時代，全面推進低碳化、電氣化、智能化轉型；
化合物半導體助力AI技術向更高計算性能、更低功耗發(fā)展；
化合物推動可再生能源發(fā)展，改善能源結構，加速低碳化轉型。
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2、新能源持續(xù)升級，化合物半導體前景廣闊
新能源汽車和光伏等產業(yè)的需求驅使相應的電力系統(tǒng)升級，推動功率器件向高電壓、大功率方向持續(xù)發(fā)展，SiC器件逐步替代部分Si基功率器件趨勢較為明確。
根據(jù)Yole預測，2027年SiC器件的市場規(guī)模將達63億美元，SiC器件的需求強勁，其中75%以上的器件會用在電動汽車上。
功率SiC的市場規(guī)模預測(百萬美元) 數(shù)據(jù)來源：Yole
3、化合物半導體高度契合光伏逆變器演進方向
在世界能源轉型的大趨勢下，光伏產業(yè)正迎來高光時刻。
化合物半導體光伏逆變器是未來發(fā)展趨勢，主要有以下優(yōu)點
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使用壽命更長：相比于Si-IGBT，SiC 器件在惡劣環(huán)境中更耐用，設備循環(huán)壽命提升50倍。
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轉換效率更高：使用 SiC逆變器，轉換效率可提升至99%?以上
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更節(jié)能：同規(guī)格下，與Si-IGBT相比，SiC MOSFET能量損失能夠減少66%。
二、未來中國必將成為化合物半導體創(chuàng)新和供應中心
1、有市場需求：中國是全球最大的光伏、新能源汽車市場
IEA在其報告中表示，今年全球可再生能源新增裝機容量預計將激增至440 GW，光伏發(fā)電將占三分之二。
中國光伏裝機量已經連續(xù)10年全球第一，裝機需求占全球的44%。
2018-2022年全球光伏裝機量?數(shù)據(jù)來源：IEA
全球新能源汽車市場呈現(xiàn)指數(shù)級增長，2022年銷量突破了1000萬輛，滲透率達到14%。IEA預測，新能源汽車銷量將在2023年繼續(xù)保持強勁增長，到2023年底銷售量將達到1400萬輛，同比增長35%。
中國、美國和歐洲是全球新能源汽車銷量的主要驅動力。約占全球新能源汽車銷量的60%。
2010-2022年全球新能能源汽車銷量數(shù)據(jù)來源：IEA
2、有產業(yè)基礎：中國化合物半導體產業(yè)鏈齊全
中國玩家正在構建以基質自國家打造技術自主供應鏈的國家政策出臺以來，SiC已成為賦能蓬勃發(fā)展的中國電動汽車市場的關鍵技術。為主要重點的各個層面的生態(tài)系統(tǒng)，并且正在進行大量投資。國內SiC產業(yè)鏈齊全，并且已初具規(guī)模和競爭力，在良好的政策和產業(yè)環(huán)境下，必將快速發(fā)展，成為創(chuàng)新和供應中心。
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3、有經驗模式：光伏與LED的成功經驗借鑒
中國在LED產業(yè)、光伏產業(yè)的成功經驗，對于碳化硅行業(yè)的發(fā)展具有借鑒意義。中國LED產業(yè)起步階段，芯片主要依賴進口。經過數(shù)十年發(fā)展，現(xiàn)已形成了上中下游完整的產業(yè)鏈，成為全球LED芯片的主要供應國家。2022年，中國LED廠商全球市占率高達95%。其中大陸廠商市占為64%，臺灣地區(qū)市占為31%。其中，國產設備覆蓋率極高，以刻蝕機為例，國產率達到90%以上
中國大陸LED芯片全球占比?(%)數(shù)據(jù)來源：行家說
二十年前，中國第一條電池生產線和組件生產線中的所有設備、硅片和原材料全部來自國外進口。2022年，中國光伏制造業(yè)在太陽能電池板的全部生產環(huán)節(jié)，從硅料、硅錠、硅片到電池、組件，都占據(jù)了全球70%以上的產能。
其中，國產設備覆蓋率達100%，為產業(yè)鏈提供了強有力的支撐。
2022年中國在全球光伏制造環(huán)節(jié)的產能比重數(shù)據(jù)來源:?中國光伏行業(yè)協(xié)會
4、有技術儲備:?國產SiC二極管滲透率逐步提升
2014年起，國內SiC二極管產業(yè)逐漸打破了國外技術的商業(yè)壟斷。現(xiàn)在國產碳化硅二極管已經能夠穩(wěn)定交付，整體產業(yè)鏈也較為完善國內從事碳化硅二極管業(yè)務的廠商多達上百家。
國產SiC二極管在光伏、充電樁甚至汽車領域實現(xiàn)了一定的滲透率和國產替換。
國內量產的SiC二極管產品覆蓋600V-3300V，1A-155A等多款規(guī)格。據(jù)三代半聯(lián)盟不完全統(tǒng)計，國內至少有15家企業(yè)提供954款SiC二極管產品。
2022年部分國內企業(yè)SiC二極管產品進展數(shù)據(jù)來源:?CASA
2022年，1200V二極管的價格降至0.9元/A，650V二極管價格降至0.65元/A。
碳化硅二極管價格走勢?(元/A)數(shù)據(jù)來源：德邦研究所
5、有追趕速度:?SiC?MOSFET技術追趕，前景可期
SiC MOSFET的主要應用領域在電動汽車，用于OBC、DC/DC、主驅逆變器，當前供應以國外器件為主。
國內的SiC MOSFET器件不斷有技術突破，已經在車載 OBC、DC/DC 甚至電網等領域實現(xiàn)了應用。通過搭乘國內新能源汽車風口，主驅逆變器中采用國產 SiC MOSFET 也將指日可待。
在電動車里，主驅逆變器占據(jù)SiC市場的92%。
2022年電動汽車市場銷售額按產品類型占比數(shù)據(jù)來源:?Yole
全球碳化硅車型中，主驅的SiC MOSFET供應商為ST、onsemi、英飛凌、博世、羅姆等頭部供應商，產品供不應求。
國內SiC芯片企業(yè)已開始上車，未來成長空間可觀
6、中國必將成為全球化合物半導體創(chuàng)新和供應中心
天時：有市場，堅定走綠色低碳道路占全球三分之一的消費市場市場驅驅動EV進入發(fā)展快車道供應全球80%的光伏組件。
地利：有土壤，產業(yè)鏈布局全面政策導向，投資火熱從弱到強的成功經驗制造強國。
人和：有種子，國產襯底片獲得國際認可國產外延片大批量供應國際大廠國產SiC SBD產量持續(xù)走高siC MOSFET芯片技術開始突破。
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三、北方華創(chuàng)助力化合物半導體產業(yè)創(chuàng)新發(fā)展
北方華創(chuàng)面向SiC領域提供專業(yè)裝備解決方案，SiC長晶爐、SiC外延、ETCH、PVD、PECVD、LPCVD 等設備國內行業(yè)領導者，與頭部客戶全面合作，推動化合物領域爆發(fā)式發(fā)展。
1、SiC長晶
6吋設備出貨量過千臺，具有豐富的量產設備經驗，具備300臺/月的交付能力。
流水線生產6吋SiC長晶設備，能夠充分保證設備的穩(wěn)定性和一致性。
針對8吋SiC長晶設備市場，同時開發(fā)了3種機型，匹配不同客戶的需求：電阻式加熱爐、感應式雙線圈加熱爐感應式單線圈加熱爐。
2、SiC外延
趨勢：增加產能、延長PM周期、提高自動化程度、大尺寸
6吋單片機臺累計出貨~100臺，國內SiC外延裝備市占率第一
擁有良好的溫場與氣流場控制能力，膜厚均勻性≤1.5%，量產工藝表現(xiàn)優(yōu)異。
針對8吋大尺寸發(fā)展趨勢，開發(fā)6/8兼容新設備：3x 6”/1x8”，提高6吋片產能。
開發(fā)搭載自動傳片系統(tǒng)，進一步提高設備量產能力。
開發(fā)等離子體原位清洗技術，延長維維護周期。
3、SiC器件刻蝕
成本及器件尺寸的挑戰(zhàn):?追求更小尺寸的器件結構
器件耐壓性能提升的挑戰(zhàn):追求更高深寬比、更圓滑形貌
NAURA-SiC器件刻蝕(金屬/介質/poly-Si/SiC)產品解決方案
應用于SiC器件的刻蝕機出貨量200+，市占率領先
SiC?trench?刻蝕的圓滑度、側壁光滑度會影響器件的耐壓表現(xiàn)
NAURA專屬開發(fā)的SiC高速、高密度等離子體刻蝕機，具備獨特優(yōu)勢，出貨量 50+。
提供金屬刻蝕、介質刻蝕、poly-Si刻蝕機等多種機型，NAURA在SiC器件領域具備完整的刻蝕解決方案。
4、SiC高溫爐
柵氧SiC/SiO2界面缺陷密度高，器件電子遷移率低
SiC高溫爐作業(yè)后的SiC MOSFET器件，通道遷移率、柵氧質量、界面態(tài)密度等指標表現(xiàn)優(yōu)異。
溝道遷移率最大達到25cm2/vs，與Baseline相當，助力客戶實現(xiàn)國產機臺替代。
柵氧膜質量可靠，本征擊穿強度達到9.4 MV/cm，接近氧化硅材料理論擊穿強度。
界面缺陷密度低于6.5E11/cm2·V1，高于目前產線的平均水平。
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5、?HOT?AL
熱鋁機臺累計出貨200+腔量產經驗豐富，完成主流客戶工藝驗證
系統(tǒng)支持10個工藝腔室，兼容6/8吋晶圓。
豐富的熱鋁工藝經驗，Al腔室Heater2500°C，更大的工藝窗口。
?6、RTP
精準控制總熱預算，實現(xiàn)電極與半導體間有良好的歐姆接觸
開發(fā)6&8時兼容的化合物RTP設備，滿足300-1200°C全溫度段可控。
可分段調節(jié)升溫過程中的功率參數(shù)，快速形成均勻溫場，滿足客戶的多功能化需求。
結合紅外加熱技術、溫控系統(tǒng)，實現(xiàn)精準控溫，溫度均勻性≤3.5°C@1000°C (SPEC≤±5°C)。
四、設備廠商視角下的產業(yè)協(xié)同發(fā)展之道
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產業(yè)發(fā)展需要應用端的積極牽引，發(fā)揮市場優(yōu)勢，以規(guī)模化的產品應用來驅動技術迭代。
產業(yè)前進需要更深度的戰(zhàn)略合作，深度前瞻性技術投入、Total工藝整合方案、與供應商攜手的設計創(chuàng)新等。
8吋將是化合物半導體設備大規(guī)模應用的主戰(zhàn)場，北方華創(chuàng)在8吋設備應用和開發(fā)方面具備較多經驗積累。
設備廠商是賦能化合物半導體成本降低的主力軍，推動國產化，更低的設備擁有成本，創(chuàng)新的設備架構賦能產能提升等。
成為一個成熟的行業(yè)，化合物半導體必將經歷整合和并購，大裝備平臺提供更高效、更全面的解決方案，促進產業(yè)發(fā)展進入高效模式。
化合物芯片在未來半導體產業(yè)中將會扮演越來越重要的角色。
在產業(yè)同仁攜手努力下，中國化合物企業(yè)必將走上世界舞臺，助力高端器件中國制造。北方華創(chuàng)圍繞化合物產業(yè)鏈打造全面裝備解決方案，提供長晶、外延、刻蝕、薄膜、高溫氧化/激活等多種核心裝備解決方案，已實現(xiàn)批量應用，全力支持客戶技術創(chuàng)新和迭代。呼吁產業(yè)鏈同仁進一步協(xié)同創(chuàng)新，深度綁定，構建化合物半導體行業(yè)發(fā)展的產業(yè)生態(tài)圈。
原文始發(fā)于微信公眾號（艾邦半導體網）：北方華創(chuàng)：面向化合物半導體的裝備與工藝解決方案
