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在第1-3期内容中，“行家说三代半“介绍了日本电装（Denso）的SiC长晶核心技术（链接），今天这期内容我们给大家剖一下他们和昭和电工（Resonac）的超快速SiC外延生长技术。
30年技术研发，SiC外延具备4大优势
Denso很早就意识到，要实现SiC半导体技术的全面普及，不仅要降低衬底成本，降低外延成本也同样很关键，而他们重点是要提高SiC外延的生产效率。
于是，电装与丰田中央研究所、日本电力工业中央研究所（CRIEPI）和钮富来（NuFlare）很早就进行SiC外延技术和设备的联合开发。
1997年，他们自主开发并推出了独有的垂直式SiC外延设备，而当时的主流设备是水平式的。
2014年，钮富来实现了6英寸SiC外延设备（EPIREVO S6）的商业化，2021年还推出8英寸SiC外延设备EPIREVO S8。
我们先看Deso的碳化硅外延技术有多强，后面再详细介绍设备的相关信息。
2024年3月，Denso与昭和电工（现Resonac）、日本电力中央研究所和钮富来4家企业共同获得了“2023年第50届岩谷直二纪念奖”，获奖的研发主题为“高质量SiC外延薄膜的高速制造技术。”
据获奖公告，Denso、CRIEPI与钮富来合作开发出单片式6吋SiC外延炉，随后Resonac加入了联合开发行列，并为Denso供应SiC外延片，用于生产沟槽栅SiC MOSFET，2020年SiC MOSFET被丰田燃料汽车MIRAI的增压动力模块所采用，2023年又被搭载于共蓝科技（BluE Nexus）的电驱中，该电驱供给了雷克萨斯RZ。
获奖SiC外延技术的合作示意图 来源：行家说Research
据介绍，这项外延技术具备4大优势：
● 高生产效率：6吋SiC外延片超过50μm/小时，比传统外延生长技术快5-10倍；
● 高均匀性：6吋SiC外延片厚度均匀性不超过2%，掺杂密度均匀性不超过4%，为传统方法的3倍；
● 低缺陷密度：6吋SiC外延片为0.02个/cm2，小于传统方法的1/5；8吋SiC外延三角缺陷＜0.25个/cm2。
● 高厚度：成功生产出了厚度为160μm的碳化硅外延薄膜，耐电压达到10kV或以上。
垂直设备历经多次改进，实现高速、高质量SiC外延生长
他们认为，碳化硅外延要同时实现高速和高质量生长，应该采用单腔单片式设备，而不是传统的单腔多片。
从他们的多篇论文来看，他们的外延设备历经了多次改进。最早，他们是通过调整气压和配方，来提高碳化硅外延生长速率。
因为在传统的H2-SiH4-C3H8气体系统中，典型的外延生长温度为1600-1650℃，通常是采取增加原料气体分压来提高生长速率，但这会出现气相均匀成核和团块问题。
他们经过研究找到了一个既能解决气相均匀成核问题，又能提升生长速度的有效方法——降低了系统压力，并在气体系统中添加 HCl或使用含Cl 的原料气体（如 SiHCl3）。
电装6吋SiC外延设备改进过程示意图
其研究表明，通过将 H2-SiH4-C3H8气体系统的压力降低到2kPa，并使用相对较高的H2流量和原料气体流量，可以实现250μm/h 的高生长率。
不过，他们发现，这种方式只适用于小尺寸碳化硅外延片，在大直径衬底上实现快速、均匀的外延生长仍存在问题。
因此，在开发6英寸碳化硅外延生长技术时，他们除了开发了一种含有 H2-SiH4-C3H8-HCl 的气体系统，还采用高转速来解决较高气压力均匀成核的问题，从而实现了高生长率和良好的膜厚均匀性。
其论文显示，当晶圆转速为1000rpm、系统压力增加到80 kPa时，SiC 外延的生长率约为低转速时的2倍。
理论上，单腔单片生产效率不如多片式设备，但是他们想到了几个解决方法：
● 一是提高转速：
他们通过以每分钟最大1000转的速度，实现了缺陷更少的高速碳化硅外延生长——生长速率为42 µm/h，6英寸外延片的膜厚分布约为1.5%，浓度分布为5.2%。
在小尺寸碳化硅外延衬底上，他们的速度更快。根据他们2009年的论文，其设备最大沉积速度可达250 µm/h，这是当时最高的碳化硅外延沉积速度，比传统系统快20多倍。
这意味着，生产1000V的碳化硅外延片可以在几分钟内完成，而以前需要一到两个小时；生产30kV的碳化硅外延片可以在大约一个小时内完成，而以前需要一到两天。当时5英寸外延片也能达到79µm/h的平均沉积速度，并成功实现了在均匀厚度和掺杂浓度。
● 二是其他环节提速：
通过使用自动输送系统，缩短了加热和冷却时间，并缩短了晶圆输送的时间。在该系统中，从晶片传输温度到生长温度的总加热和冷却时间约为15分钟。
● 三是使用2个腔室
据他们验证，在双腔单片设备中，1200V碳化硅外延的生长时间约为15分钟，每小时可生产4片。超过50μm/h的生长速度可有效提高更厚外延薄膜的产量。
这项技术是Denso与其他几家公司共同开发的，Denso正在建设产线，预计也将内部生产碳化硅外延片，至于是否与Resonac的技术有所差异还未可知。
