一代材料、一代工艺、一代装备。工艺与设备技术的进步将极大的支撑并推动化合物半导体的发展进程。半导体制造工艺的进步也在推动装备企业不断追求技术革新。
在2023年深圳国际电子展论坛上北方华创 张轶铭博士给大家分享了《面向化合物半导体的装备与工艺解决方案》。
报告从化合物是未来半导体高速发展的方向之一、未来中国必将成为化合物半导体创新和应用中心、北方华创的关键设备等方面给大家做了详细分析。
一、化合物是未来半导体高速发展的方向之一
1、 AI时代，化合物半导体应用愈加广泛
ChatGPT上市后，仅两个月时间,月活跃用户量就达到了1亿人，成为世界上突破月活1亿人用时最短的软件。
2030危机? AI发展与能源之间的矛盾全球通用计算的总能耗继续呈指数级增长，而世界能源生产仅每年增长约2%，矛盾凸显。有机构预计2030年AI会消耗全球电力供应的50%。
化合物芯片具有更高的工作频率和更低的功耗，热传导性能好，更有效地散热在AI应用中涉及大是的数据处理、计算传输使用化合物芯片可使整体电能利用效率显苦提升，电力电子装暨小型化，且其优异散热特性有助于维持芯片的稳定性和可靠性。
推动新能源应用；应用于高效光伏电池、风力发电系统的能源装置，提升能显转换效率；应用促使新能源汽车低功耗化提高电力转化效率，减少能源损耗：用于制造高效节能的变频器，逆变器等电力转换装置提高电力转换效率，较低的电阻和导热系数减少电缆、电机等装置的能是损耗。
未来将进入数字能源时代，全面推进低碳化、电气化、智能化转型；
化合物半导体助力AI技术向更高计算性能、更低功耗发展；
化合物推动可再生能源发展，改善能源结构，加速低碳化转型。
2、新能源持续升级，化合物半导体前景广阔
新能源汽车和光伏等产业的需求驱使相应的电力系统升级，推动功率器件向高电压、大功率方向持续发展，SiC器件逐步替代部分Si基功率器件趋势较为明确。
根据Yole预测，2027年SiC器件的市场规模将达63亿美元，SiC器件的需求强劲，其中75%以上的器件会用在电动汽车上。
功率SiC的市场规模预测(百万美元) 数据来源：Yole
3、化合物半导体高度契合光伏逆变器演进方向
在世界能源转型的大趋势下，光伏产业正迎来高光时刻。
化合物半导体光伏逆变器是未来发展趋势，主要有以下优点
使用寿命更长：相比于Si-IGBT，SiC 器件在恶劣环境中更耐用，设备循环寿命提升50倍。
转换效率更高：使用 SiC逆变器，转换效率可提升至99% 以上
更节能：同规格下，与Si-IGBT相比，SiC MOSFET能量损失能够减少66%。
二、未来中国必将成为化合物半导体创新和供应中心
1、有市场需求：中国是全球最大的光伏、新能源汽车市场
IEA在其报告中表示，今年全球可再生能源新增装机容量预计将激增至440 GW，光伏发电将占三分之二。
中国光伏装机量已经连续10年全球第一，装机需求占全球的44%。
2018-2022年全球光伏装机量 数据来源：IEA
全球新能源汽车市场呈现指数级增长，2022年销量突破了1000万辆，渗透率达到14%。IEA预测，新能源汽车销量将在2023年继续保持强劲增长，到2023年底销售量将达到1400万辆，同比增长35%。
中国、美国和欧洲是全球新能源汽车销量的主要驱动力。约占全球新能源汽车销量的60%。
2010-2022年全球新能能源汽车销量数据来源：IEA
中国玩家正在构建以基质自国家打造技术自主供应链的国家政策出台以来，SiC已成为赋能蓬勃发展的中国电动汽车市场的关键技术。为主要重点的各个层面的生态系统，并且正在进行大量投资。国内SiC产业链齐全，并且已初具规模和竞争力，在良好的政策和产业环境下，必将快速发展，成为创新和供应中心。
3、有经验模式：光伏与LED的成功经验借鉴
中国在LED产业、光伏产业的成功经验，对于碳化硅行业的发展具有借鉴意义。中国LED产业起步阶段，芯片主要依赖进口。经过数十年发展，现已形成了上中下游完整的产业链，成为全球LED芯片的主要供应国家。2022年，中国LED厂商全球市占率高达95%。其中大陆厂商市占为64%，台湾地区市占为31%。其中，国产设备覆盖率极高，以刻蚀机为例，国产率达到90%以上
中国大陆LED芯片全球占比 (%)数据来源：行家说
二十年前，中国第一条电池生产线和组件生产线中的所有设备、硅片和原材料全部来自国外进口。2022年，中国光伏制造业在太阳能电池板的全部生产环节，从硅料、硅锭、硅片到电池、组件，都占据了全球70%以上的产能。
其中，国产设备覆盖率达100%，为产业链提供了强有力的支撑。
2022年中国在全球光伏制造环节的产能比重数据来源: 中国光伏行业协会
4、有技术储备: 国产SiC二极管渗透率逐步提升
2014年起，国内SiC二极管产业逐渐打破了国外技术的商业垄断。现在国产碳化硅二极管已经能够稳定交付，整体产业链也较为完善国内从事碳化硅二极管业务的厂商多达上百家。
国产SiC二极管在光伏、充电桩甚至汽车领域实现了一定的渗透率和国产替换。
国内量产的SiC二极管产品覆盖600V-3300V，1A-155A等多款规格。据三代半联盟不完全统计，国内至少有15家企业提供954款SiC二极管产品。
2022年部分国内企业SiC二极管产品进展数据来源: CASA
2022年，1200V二极管的价格降至0.9元/A，650V二极管价格降至0.65元/A。
碳化硅二极管价格走势 (元/A)数据来源：德邦研究所
5、有追赶速度: SiC MOSFET技术追赶，前景可期
SiC MOSFET的主要应用领域在电动汽车，用于OBC、DC/DC、主驱逆变器，当前供应以国外器件为主。
国内的SiC MOSFET器件不断有技术突破，已经在车载 OBC、DC/DC 甚至电网等领域实现了应用。通过搭乘国内新能源汽车风口，主驱逆变器中采用国产 SiC MOSFET 也将指日可待。
2022年电动汽车市场销售额按产品类型占比数据来源: Yole
全球碳化硅车型中，主驱的SiC MOSFET供应商为ST、onsemi、英飞凌、博世、罗姆等头部供应商，产品供不应求。
6、中国必将成为全球化合物半导体创新和供应中心
天时：有市场，坚定走绿色低碳道路占全球三分之一的消费市场市场驱驱动EV进入发展快车道供应全球80%的光伏组件。
地利：有土壤，产业链布局全面政策导向，投资火热从弱到强的成功经验制造强国。
人和：有种子，国产衬底片获得国际认可国产外延片大批量供应国际大厂国产SiC SBD产量持续走高siC MOSFET芯片技术开始突破。
三、北方华创助力化合物半导体产业创新发展
北方华创面向SiC领域提供专业装备解决方案，SiC长晶炉、SiC外延、ETCH、PVD、PECVD、LPCVD 等设备国内行业领导者，与头部客户全面合作，推动化合物领域爆发式发展。
1、SiC长晶
6吋设备出货量过千台，具有丰富的量产设备经验，具备300台/月的交付能力。
流水线生产6吋SiC长晶设备，能够充分保证设备的稳定性和一致性。
针对8吋SiC长晶设备市场，同时开发了3种机型，匹配不同客户的需求：电阻式加热炉、感应式双线圈加热炉感应式单线圈加热炉。
2、SiC外延
趋势：增加产能、延长PM周期、提高自动化程度、大尺寸
6吋单片机台累计出货~100台，国内SiC外延装备市占率第一
拥有良好的温场与气流场控制能力，膜厚均匀性≤1.5%，量产工艺表现优异。
针对8吋大尺寸发展趋势，开发6/8兼容新设备：3x 6”/1x8”，提高6吋片产能。
3、SiC器件刻蚀
器件耐压性能提升的挑战:追求更高深宽比、更圆滑形貌
NAURA-SiC器件刻蚀(金属/介质/poly-Si/SiC)产品解决方案
应用于SiC器件的刻蚀机出货量200+，市占率领先
SiC trench 刻蚀的圆滑度、侧壁光滑度会影响器件的耐压表现
NAURA专属开发的SiC高速、高密度等离子体刻蚀机，具备独特优势，出货量 50+。
提供金属刻蚀、介质刻蚀、poly-Si刻蚀机等多种机型，NAURA在SiC器件领域具备完整的刻蚀解决方案。
4、SiC高温炉
栅氧SiC/SiO2界面缺陷密度高，器件电子迁移率低
SiC高温炉作业后的SiC MOSFET器件，通道迁移率、栅氧质量、界面态密度等指标表现优异。
沟道迁移率最大达到25cm2/vs，与Baseline相当，助力客户实现国产机台替代。
栅氧膜质量可靠，本征击穿强度达到9.4 MV/cm，接近氧化硅材料理论击穿强度。
界面缺陷密度低于6.5E11/cm2·V1，高于目前产线的平均水平。
5、 HOT AL
热铝机台累计出货200+腔量产经验丰富，完成主流客户工艺验证
丰富的热铝工艺经验，Al腔室Heater2500°C，更大的工艺窗口。
6、RTP
精准控制总热预算，实现电极与半导体间有良好的欧姆接触
开发6&8时兼容的化合物RTP设备，满足300-1200°C全温度段可控。
可分段调节升温过程中的功率参数，快速形成均匀温场，满足客户的多功能化需求。
结合红外加热技术、温控系统，实现精准控温，温度均匀性≤3.5°C@1000°C (SPEC≤±5°C)。
四、设备厂商视角下的产业协同发展之道
产业发展需要应用端的积极牵引，发挥市场优势，以规模化的产品应用来驱动技术迭代。
产业前进需要更深度的战略合作，深度前瞻性技术投入、Total工艺整合方案、与供应商携手的设计创新等。
8吋将是化合物半导体设备大规模应用的主战场，北方华创在8吋设备应用和开发方面具备较多经验积累。
设备厂商是赋能化合物半导体成本降低的主力军，推动国产化，更低的设备拥有成本，创新的设备架构赋能产能提升等。
成为一个成熟的行业，化合物半导体必将经历整合和并购，大装备平台提供更高效、更全面的解决方案，促进产业发展进入高效模式。
化合物芯片在未来半导体产业中将会扮演越来越重要的角色。
在产业同仁携手努力下，中国化合物企业必将走上世界舞台，助力高端器件中国制造。北方华创围绕化合物产业链打造全面装备解决方案，提供长晶、外延、刻蚀、薄膜、高温氧化/激活等多种核心装备解决方案，已实现批量应用，全力支持客户技术创新和迭代。呼吁产业链同仁进一步协同创新，深度绑定，构建化合物半导体行业发展的产业生态圈。
原文始发于微信公众号（艾邦半导体网）：北方华创：面向化合物半导体的装备与工艺解决方案
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