直播回顧 | 「圖文實錄」面向化合物半導體芯片的制造裝備

5G開啟瞭萬物智聯的時代,將推動IOT、大數據、雲計算、汽車電子、機器人、VR、AR等新興領域迅速發展。芯片是相關產業發展的關鍵,將推動半導體產業的第三次發展浪潮。其中化合物芯片和傳感器芯片將迎來發展機遇。

【分享主題】半導體裝備主題報告(三):面向化合物半導體芯片的制造裝備

【分享時間】3月5日(周四)14:00-15:00

【分享嘉賓】張軼銘 北京北方華創微電子裝備有限責任公司技術經理

▌以下為整理的分享內容(略有刪減)。

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大傢好,首先要感謝第三代半導體產業技術創新戰略聯盟提供給我們這樣一個線上交流的平臺。今天我報告的題目是《面向化合物半導體芯片的刻蝕裝備》,我來自北方華創。

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今天我的報告分為四個部分,前兩個部分針對萬物智聯時代以及半導體芯片的需求展開;第三個部分主要介紹北方華創的刻蝕解決方案;最後介紹公司在化合物半導體方面的產品以及規劃。

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隨著科技的進步和發展,我們實際上已經進入瞭萬物智聯時代。萬物智聯時代有兩個特征,第一個是我們目前使用的5G技術方面,它的開放架構可以提高萬物互聯的可靠性,讓連接無處不在,而且它的連接量是指數級增長的;第二個特點是5G的高速,它可以使得萬物智聯實現大容量數據的同時傳輸。也就是說同時連接多臺設備傳輸的速度也不會下降。

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5G的生態圈助推瞭移動互聯網應用行業很多新業態的湧現。因為5G可以提供高速率、低時延的網絡承載,促使更多互聯網應用向雲端發展。同時,借助多基站協同實現的高精度定位,室內導航與定位服務也將滿足更多行業的新需求。在此趨勢下,應用終端將向輕量化、小型化和智能化發展,進而促進相關IOT、大數據、雲計算、汽車電子、機器人VR/AR等新興領域的迅速發展。

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根據市場的分析和預測,5G的產業鏈將推動5G的生態圈最終賦能整個行業,並會構建起一個十萬億級的大生態。

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萬物互聯時代也將帶來新的市場機遇和對半導體芯片的新需求。縱觀整個發展史,芯片將是相關發展產業的關鍵,而且將在新興領域推動半導體產業的第三次的發展浪潮,所以芯片的功能和性能也需要進一步的提升。

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對於芯片提出的挑戰之一是:5G將采用大規模天線和多頻組網,這其中高頻器件會帶動新工藝和新材料的快速發展。

5G的高速率、低時延的特性要求必須使用大規模天線技術和高中低頻協作組網。其中高頻含有6GHz以上的毫米波波段,因此大規模多進多出天線等高頻器件是5G時代無線通信設備領域值得關註的方向之一。為瞭滿足器件的高頻特性,新工藝和新材料在射頻器件的應用也發生瞭巨大的變化,材料科學的突破將影響著信息產業變革向縱深發展。

5G大帶寬驅動大規模天線應用,整個基站天線將擁有數百億級的市場。那麼5G帶寬大頻點高,也帶來瞭射頻技術與工藝的新變革,使射頻器件量質齊升。其中5G高效率的要求在射頻器件領域,是使用GaN與GaAs的功率放大器。

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對於芯片提出的另一方面挑戰是在萬物互聯時代需要大量的傳感器進行數據的收集以及融合。

因為5G將連接變得前所未有的容易,為信息的快速流動創造瞭機遇。人工智能、車聯網、AR/VR等5G生態應用需要大量的傳感器來收集信息。並且對傳感器的功耗、可靠性、智能化以及集中化都提出瞭更高的要求,那麼MEMS傳感器將是最佳的選擇之一。

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相關的半導體芯片也迎來瞭新的機遇:在基站端化合物半導體芯片方面,比如GaN-on-Si HEMT與SiC的MOSFET可以應用在基站電源。那麼GaN-on-SiC HEMT的器件可以用於基站的功放領域。

在終端化合物半導體芯片方面,比如GaAs VCSEL 3D傳感器。GaAs HBT/pHEMT芯片可以用於終端功放,矽基的或者藍寶石基的GaN HEMT芯片可以用在快速充電頭當中。

另外以麥克風、加速度傳感器、陀螺儀、壓力傳感器等為代表的MEMS傳感器也大量使用在終端當中。

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化合物半導體的應用主要分為三個大的方面。第一個是功率,第二個是射頻通信,第三個是光電子。

下面我將從七個方面進行主要的介紹,分別是GaN射頻通訊、GaN功率、SiC功率、InP、GaAs、壓電材料和新型材料。

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第一個方面是GaN射頻通訊器件,事實上以SiC作為襯底的SiC基GaN射頻器件已經使用在瞭5G基站等領域當中。而隨著成本等因素的驅動矽基的GaN射頻通訊器件也將慢慢的推向使用,甚至是以金剛石為襯底的金剛石基GaN芯片也處在研發當中。

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首先我們來看一下SiC基的GaN HEMT器件的刻蝕方面的需求。SiC基的GaN HEMT芯片,襯底的SiC的厚度一般在幾十微米,需要將背部的通孔完全的刻穿,有利於散熱,需提供背部的互聯來降低阻抗。一般使用Ni作為掩膜,刻蝕的深度在幾十到一百微米之間。側壁的角度要求接近90度。

我們通過腔室設計和大量的工藝開發,實現瞭SiC背孔的刻蝕。刻蝕速率遠高於1微米/分鐘;對於Ni掩膜的選擇比大於30;對於GaN的選擇比大於50;整個晶圓表面的溫度可以控制在150℃以內;刻蝕的均勻性小於2%;Pillar缺陷可以控制在1%以內;平均清洗間隔時間超過30片。

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北方華創的GDE C200型刻蝕機對四寸的刻蝕均勻性可以做到0.94%。,它已經通過瞭SiC背孔和GaN刻蝕的生產線量產驗證,完全滿足GaN射頻器件的性能要求。

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第二個方面是GaN功率器件。我們都知道去年OPPO、今年小米已經發佈瞭65瓦的GaN HEMT快速充電器。國外的EPC和transphorm已經通過瞭汽車級的認證,GaN System因為有寶馬的投資,那麼預計也將在今年通過汽車級的驗證。

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GaN功率器件的市場參與者主要來自幾個方面:有傳統的矽功率器件轉向GaN的,有從化合物半導體切入到GaN功率這個賽道的,還有從傳統的led廠商進入GaN領域的,當然還有很多初創公司。

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從GaN功率器件的發展來看,從早期的D-mode轉向現在的E-mode和系統封裝,已有部分公司提出單片集成的GaN功率器件,也就是做到瞭SOC這個級別。

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矽基GaN的結構有非常多的種類,那麼這裡舉一個例子作為代表:可以看到GaN和AIGaN的刻蝕深度要求是在20納米左右,而且要求低速、低損傷、表面粗糙度也要有一定的控制。

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常規的ICP擅長臺面刻蝕,刻蝕深度在3um左右,刻蝕速率可以超過150納米/分鐘。對於像Recess這樣的結構,可以通過選擇低損傷的Bias RF系統來將刻蝕率逐漸的下降,從20納米/分鐘做到8納米/分鐘,最慢可以實現1.5納米/分鐘。

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我們也開發瞭ALE,也就是原子層級的刻蝕技術。ALE刻蝕分為四部一個循環,第一步是表面修飾、第二步是氣體切換、第三部是表面層的去除、最後一步也是氣體切換,可以逐漸的循環實現一個逐層的刻蝕。

ALE相對於常規的ICP刻蝕有均勻性好、表面粗糙度小和與深寬比無關等一系列的優勢。

而且ALE有一個自限制效應,也就是在第三部表面去除部,隨著去除時間的逐漸增加會有一個自限制的現象出現,也就是不再對於下層材料進行刻蝕,那麼我們的實驗結果也表明瞭我們的裝置有ALE這樣的一個自限制效應。

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對於GaN的慢速刻蝕,我們可以將刻蝕速率控制在1納米/分鐘以下、表面粗糙度的測試小於0.3納米、而且通過器件的電性測試。北方華創的GSEC200型刻蝕機已通過瞭GaN低損傷刻蝕,還有氮化矽低損傷刻蝕量產驗證,性能穩定,完全滿足器件的要求。

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除瞭矽基GaN功率器件以外,SiC也廣泛使用在功率器件領域。比如以特斯拉model3這款車型為代表使用的是意法半導體的SiC功率模組。

在上個月,比亞迪宣佈漢EV這款電動汽車采用瞭SiC MOSFET功率器件,百公裡加速可以達到3.9秒。

除瞭電動汽車以外,SiC功率器件在能源、高鐵、UPS等領域都有廣泛的應用。

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這裡以SiC MOSFET器件為例:他對於SiC Trench的刻蝕要求側壁角度88到90度、底部圓角曲率半徑大於0.3微米、粗糙度小於0.5納米。因為Trench的刻蝕形貌將影響整個器件的耐高壓等特性。

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我們通過設備優化和工藝開發可以將sub-trench完全消除,並且做到底部圓角,可以看到側壁角度在90度時底部sub-trench是完全被消除瞭。

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整片的刻蝕均勻性可以控制在2%以內。北方華創的刻蝕機已經通過瞭SiC trench刻蝕的工藝量產驗證。工藝兼容性好,完全滿足SiC功率器件的性能要求。

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第四個方面是GaAs器件。GaAs在射頻通訊、led、光電子和光伏領域有廣泛的應用。隨著iphonex推出的3D結構光使用瞭GaAs VCSEL芯片將使得GaAs的應用得到進一步的推廣。

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與SiC基的GaN器件類似,GaAs芯片也需要對背孔進行刻蝕串通。典型的刻蝕深度在100微米以上,側壁角度要求控制在85度到89.5度。我們實現瞭這樣高速的GaAs背孔刻蝕,深度在100微米上,側壁角度滿足要求。

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對於GaAs mesa的刻蝕,典型的刻蝕深度大於500納米,側壁角度控制在55度左右。我們實現瞭GaAs mesa的刻蝕,刻蝕深度在600微米以上,側壁角度在60度左右。北方華創的GSE C200型刻蝕機通過瞭GaAs背孔刻蝕、GaAs mesa刻蝕的量產驗證,工藝穩定,完全滿足GaAs射頻通訊器件的性能要求。

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GaAs VCSEL器件隨著iphoneX的使用走進瞭普通消費者的視野,隨著VCSEL芯片的廣泛使用,它的要求也在進一步的提高。

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GaAs系列的VCSEL芯片要求刻蝕的側壁光滑,而且沒有底部的sub-trench。我們實現瞭GaAs VCSEL mesa的刻蝕,其深度可以超過4.5微米。側壁角度在75到90度范圍內可以調節。而且我們使用瞭OES作為終點檢測的手段,可以清晰地反映出刻蝕膜層的變化,並且自動的抓取刻蝕的終點。

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第五個方面是InP器件,InP器件從60年代問世以來,它的使用也在逐漸的推廣,目前主要集中在光電子和RF通訊領域。

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這裡面展示的是InP光波導和InP光柵的刻蝕效果,完全滿足器件的使用要求。

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第六個方面是壓電材料。從最早的壓電式陀螺噴墨打印頭,現在逐漸使用到濾波器、麥克風、揚聲器等領域。

在表面或體聲波濾波器方面主要使用的材料是LiNbO3、LiTaO3或石英等壓電材料。在FBAR方面主要刻蝕的是Mo、ALN或AIN(AIScN)/Mo的復合膜層結構。

這裡面展示的是LiNbO3的刻蝕,還有FBAR的Mo/ALN/Mo這樣復合膜層結構的刻蝕效果。北方華創GSE C200型刻蝕機已經在著名的Foundry/IDM上線,用於濾波器的量產使用中。

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在電聲學領域方面,主要是麥克風和揚聲器。從消費類電子,包括手機、平板電腦、筆記本電腦到智能音箱以及各種工業級的應用,麥克風以及揚聲器的使用量是非常巨大的。

以iphone系列手機為例,每套手機加耳機的麥克風數量從最早的兩顆逐漸增長到後期的5顆,而且對麥克風的信噪比等性能提出更高的要求。

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以Vesper為代表的公司是將AIN作為壓電材料使用到瞭壓電式的麥克風當中,以Usound為代表的公司是將壓電材料使用到瞭MEMS揚聲器當中。不管是壓電式的還是電容式的麥克風,除瞭刻蝕敏感結構以外,還要對矽基的背腔進行刻蝕串通。

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我們使用北方華創HSE系列刻蝕機對矽基麥克風的背腔進行刻蝕串通,典型的刻蝕深度大於400微米。正式器件片的SOI是沒有notch的,而且麥克風的敏感震動膜保持完整。

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除瞭麥克風的背腔刻蝕,HSE系列刻蝕機可以對一系列的深矽刻蝕提供良好的工藝解決方案,包括MEMS的加速度計陀螺儀、封裝領域的CIS、TSV、深槽深孔刻蝕、功率器件的DTI深槽可以調節各種側壁角度,最高的深寬比可以達到70:1。

北方華創HSE系列刻蝕機的深矽刻蝕工藝已經經過多年的產線驗證,性能穩定,完全匹配客戶的要求。

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在新興材料方面,我們始終面向前沿科技,不斷研發新型材料的刻蝕技術,以滿足客戶日益增長的需求。

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最後做一個總結,在化合物半導體MEMS和功率器件方面,我們有完善的工藝裝備解決方案。

在微波功率器件方面,我們的GaN低損傷刻蝕、SiC高速刻蝕、PECVD等設備在國內多條主流生產線上批量應用。

應用於SiC功率器件的ETCH、PVD、清洗機、PECVD等設備也進入瞭國內主流的SiC生產線。

刻蝕設備已批量銷往多傢生產線及科研機構,服務於MEMS及微納制造,光通信等多個新興領域,安裝量超過50臺。

深矽等離子刻蝕機突破海外市場進入海外晶圓代工廠,提供MEMS和功率IC等工藝制程解決方案。

SiC長晶爐已在客戶端批量投入使用,應用於IGBT的高溫AI及薄片PVD設備、深槽刻蝕設備也進入瞭國內主流的IGBT生產線。

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最後總結:5G開啟瞭萬物智聯的時代,將推動IOT、大數據、雲計算、汽車電子、機器人、VR、AR等新興領域迅速發展。芯片是相關產業發展的關鍵,將推動半導體產業的第三次發展浪潮。其中化合物芯片和傳感器芯片將迎來發展機遇。

北方華創為GaN RF、GaN power、Sic Power、GaAs VCSEL、GaAs RF、InP、SAW/BAW/FBAR、MEMS提供最新的成套裝備、工藝、技術解決方案。

北方華創願進一步加強與芯片設計制造企業及研究機構的合作,滿足新工藝技術和定制開發的需求。

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