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      傅里葉紅外光譜儀在第三代Sic半導體應用

      發布時間:2020-09-08 15:55:17瀏覽:eyou:arcclick /}

        據權威消息人士透露,我國計劃把大力支持發展第三代半導體產業,寫入正在制定中的“十四五”規劃,計劃在2021-2025年期間,在教育、科研、開發、融資、應用等等各個方面,大力支持發展第三代半導體產業,以期實現產業獨立自主。當前,以碳化硅為代表的第三代半導體已逐漸受到國內外市場重視,不少半導體廠商已率先入局。不過,量產端面臨多重挑戰下,第三代半導體材料占比仍然較低。未來政策導入有望加速我國第三代半導體產業發展,以期進一步把握主動。

       

       

      第三代半導體材料: SiC的興起與未來

      一、Sic:極限功率器件的理想材料

       

      SiC 是由硅和碳組成的化合物半導體材料,在熱、化學、機械方面都非常穩定。C 原子和 Si 原子不同的結合方式使 SiC 擁有多種晶格結構,如4H、6H、3C 等等。4H-SiC 因為其較高的載流子遷移率,能夠提供較高的電流密度,常被用來做功率器件。

      SiC 晶圓

      SiC 從上個世紀 70 年代開始研發,2001 年 SiC SBD 商用,2010 年 SiCMOSFET 商用,SiC IGBT 還在研發當中。隨著 6 英寸 SiC 單晶襯底和外延晶片的缺陷降低和質量提高,使得 SiC 器件制備能夠在目前現有 6英寸Si基功率器件生長線上進行,這將進一步降低SiC材料和器件成本,推進 SiC 器件和模塊的普及。

       

       

      二、Sic產業鏈:歐美占據關鍵位置

      SiC 生產過程分為 SiC 單晶生長、外延層生長及器件制造三大步驟,對應的是產業鏈襯底、外延、器件與模組三大環節。

      SiC 襯底:SiC 晶體通常用 Lely 法制造,國際主流產品正從 4 英寸向 6 英寸過渡,且已經開發出 8 英寸導電型襯底產品,國內襯底以4 英寸為主。由于現有的 6 英寸的硅晶圓產線可以升級改造用于生產 SiC 器件,所以 6 英寸 SiC 襯底的高市占率將維持較長時間。

      SiC 外延:通常用化學氣相沉積(CVD)方法制造,根據不同的摻雜類型,分為 n 型、p 型外延片。國內瀚天天成、東莞天域已能提供 4 寸/6 寸 SiC 外延片。

      SiC 器件:國際上 600~1700V SiC SBD、MOSFET 已經實現產業化,主流產品耐壓水平在 1200V 以下,封裝形式以 TO 封裝為主。價格方面,國際上的 SiC 產品價格是對應 Si 產品的 5~6 倍,正以每年 10%的速度下降,隨著上游材料器件紛紛擴產上線,未來 2~3年后市場供應加大,價格將進一步下降,預計價格達到對應 Si 產品2~3 倍時,由系統成本減少和性能提升帶來的優勢將推動 SiC 逐步占領 Si 器件的市場空間。

       

       

      國內外廠商爭取卡位時間

      全球范圍內,半導體大廠紛紛布局,IDM廠商意法半導體購并NorstelAB以及法國Exagan、英飛凌收購Siltectra,以及日商ROHM收購SiCrystal等事件都頗受業界關注。國內方面,不少廠商圍繞第三代半導體材料爭取卡位時間。海特高新子公司海威華芯建立了國內第一條6英寸砷化鎵/氮化鎵半導體晶圓生產線。據稱,其技術指標達到國外同行業先進水平,部分產品已經實現量產。賽微電子涉及第三代半導體業務,主要包括GaN(氮化鎵)材料的生長與器件的設計。三安光電在長沙設立子公司湖南三安從事碳化硅等化合物第三代半導體的研發及產業化項目,目前項目正處于建設階段。聚燦光電目前產品涉及氮化鎵的研發和生產,外延片的技術就是研發氮化鎵材料的生長技術,芯片的技術就是研發氮化鎵芯片的制作技術。今年8月,露笑科技投資100億建設第三代功率半導體(碳化硅)產業園。露笑科技與合肥市長豐縣人民政府簽署戰略合作框架協議,包括但不限于碳化硅等第三代半導體的研發及產業化項目,包括碳化硅晶體生長、襯底制作、外延生長等的研發生產,項目投資總規模預計100億元。

      量產仍是最大挑戰

      目前,第三代半導體材料的比重仍然相當低。全球以硅為基礎的半導體材料市場約4500億美元,第三代半導體僅占10億美元。業內人士指出,量產端的困難仍是業界的最大挑戰。目前,碳化硅(SiC)和氮化鎵(GaN)較為成熟,并稱為第三代半導體材料的雙雄。氧化鋅、金剛石、氮化鋁等材料的研究則仍處于起步階段。不過,即使是成熟度最高的碳化硅和氮化鎵,也在量產環節面臨諸多困難。氮化鎵的難度主要在于在晶格。當前,氮化鎵發展瓶頸段仍在基板段,成本昂貴且供應量不足,主要是因為氮化鎵長在硅上的晶格不匹配,困難度高。對于碳化硅,長晶的源頭晶種來源純度要求高、取得困難,另外,長晶的時間相當長且長晶過程監測溫度和制程的難度高。碳化硅長一根晶棒需時2周,成果可能僅3公分,也加大了量產的難度。拓墣產業研究院認為,在化合物半導體領域,雖然中國廠商相比國際廠商仍有技術差距,但隨著國家加大支持以及廠商的不斷布局,技術差距將不斷縮小。

       

      傅里葉紅外光譜儀Sic半導體應用

      室溫硅材料中碳、氧的定量分析 傅立葉紅外技術可以快速、靈敏、無損地分析硅材料中的碳、氧含量,因此它在硅材料質量控制領域被廣泛接受 和應用。布魯克在這個前沿領域擁有和積累了幾十年的經驗,并結合布魯克VERTEX 系列傅立葉紅外光譜儀推出 了業內最專業和最與時俱進的完整分析方案。 根據ASTM/SEMI MF1391標準,建立了室溫 硅中代位碳原子含量分析方法。 根據ASTM/SEMI MF1188標準,建立了室溫 硅中間隙氧含量分析方法。 可達最低檢出限: < 400ppba 建議的樣品特征: 厚度0.5-2.5 毫米 (最理想:約1.5 毫米) 雙面拋光 單晶或多晶型

      用于超高靈敏度硅材料質量控制分析的頂級分析儀 CryoSAS 是一款獨一無二的低溫硅材料分析儀,可用于太陽 能和電子硅行業的超高靈敏度質量控制。它可以同時定量分 析碳、氧以及淺層雜質(如硼、磷、砷等)。根據ASTM/SEMI標 準,CryoSAS操作簡便,無需液氦等制冷劑。相比于傳統的濕 化學分析法,CryoSAS更為快速、靈敏,并且對樣品沒有任何 損害。

      鈍化層分析 鈍化層作為保護層、絕緣層或抗反射層,在半 導體材料中扮演著重要的角色。VERTEX 系列 光譜儀是分析鈍化層的理想工具,它可以實 現快速靈敏的無損分析。 磷硅玻璃(PSG)和硼磷硅玻璃(BPSG)中硼和 磷的定量分析 分析SiN等離子層和Si-O基鈍化層 分析超低K層

      厚度分析 VERTEX 系列光譜儀可用于測量半導體層狀結構 中的層厚度,精度極高。此應用是基于對紅外光 在層狀結構中產生的光干涉效應的分析,可用于 亞微米量級至毫米量級的厚度分析。 用反射或透射實驗分析層厚度。 專用的分析軟件,用于分析復雜的層狀結構。 可選薄膜掃描成像附件,可測量直徑至12”的 硅晶片。


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