碳化硅襯底有諸多缺陷無法直接加工，需要在其上經(jīng)過外延工藝生長出特定單晶薄膜才能制作芯片晶圓，這層薄膜便是外延層。幾乎所有的碳化硅器件均在外延材料上實現(xiàn)，高質量的碳化硅同質外延材料是碳化硅器件研制的基礎，外延材料的性能直接決定了碳化硅器件性能的實現(xiàn)。

大電流、高可靠性的碳化硅器件對外延材料的表面形貌、缺陷密度以及摻雜和厚度均勻性等方面提出了更苛刻的要求，大尺寸、低缺陷密度和高均勻性的碳化硅外延已成為碳化硅產(chǎn)業(yè)發(fā)展的關鍵。

制備高質量的碳化硅外延，要依靠先進的工藝和設備，目前應用最廣泛的碳化硅外延生長方法是化學氣相沉積（Chemical vapor deposition，CVD），其擁有精確控制外延膜厚度和摻雜濃度、缺陷較少、生長速度適中、過程自動控制等優(yōu)點，是已經(jīng)成功商業(yè)化應用的可靠技術。

碳化硅CVD外延一般采用熱壁或溫壁式CVD設備，在較高的生長溫度條件（1500～1700℃）下保證了外延層4H晶型SiC的延續(xù)，熱壁或溫壁式CVD經(jīng)過多年的發(fā)展，按照進氣氣流方向與襯底表面的關系，反應室可以分為水平臥式結構反應爐和垂直立式結構反應爐。

碳化硅外延爐的好壞主要有三個方面的指標，首先是外延生長性能，包括厚度均勻性、摻雜均勻性、缺陷率和生長速率；其次是設備本身溫度性能，包括升溫/降溫速率、最高溫度、溫度均勻性；最后是設備本身的性價比，包括單臺價格和產(chǎn)能。

三種碳化硅外延生長爐的差異

熱壁水平臥式CVD、溫壁行星式CVD以及準熱壁立式CVD是現(xiàn)階段已實現(xiàn)商業(yè)應用的主流外延設備技術方案，三種技術設備也有各自的特點，可以根據(jù)需求進行選擇，其結構示意如下圖所示：

熱壁水平式CVD系統(tǒng)，一般為氣浮驅動旋轉的單片大尺寸生長系統(tǒng) ，易實現(xiàn)較好的片內指 標，代表性機型為意大利LPE公司的Pe1O6，該機臺可以實現(xiàn)900℃高溫自動裝取片，主要 特點是生長速率高、外延周期短、片內及爐次間一致性好等，在國內市場占有率最高。

根據(jù)LPE官方報道，結合主要用戶的使用情況，Pe1O6外延爐生產(chǎn)的厚度30μm以下100-150mm(4-6英寸)4H-SiC外延片產(chǎn)品可以穩(wěn)定達到如下指標：片內外延厚度不均勻性≤2%，片內摻雜濃度不均勻性≤5%，表面缺陷密度≤1cm-2，表面無缺陷面積(2mm×2mm單元格)≥90%。

國內有晶盛機電、中國電科48所、北方華創(chuàng)、納設智能等企業(yè)開發(fā)了具有類似功能的單片式碳化硅外延設備，并已實現(xiàn)了規(guī)模出貨。如2023年2月，晶盛機電發(fā)布的6英寸雙片式SiC外延設備，該設備通過對反應室石墨件的改造，采用上下層疊加的方式，單爐可以生長兩片外延片，且上下層工藝氣體可以單獨調控，溫差≤5℃，有效彌補了單片水平式外延爐產(chǎn)能不足的劣勢。

溫壁行星式CVD系統(tǒng)，以行星排布基座的方式，特點是單爐多片生長，產(chǎn)出效率較高。代表性機型為德國Aixtron公司的AIXG5WWC（8X150mm）和G10-SiC（9×150mm或6×200mm）系列外延設備。

據(jù)Aixtron官方報道，G10外延爐生產(chǎn)的厚度10μm的6英寸4H-SiC外延片產(chǎn)品可以穩(wěn)定達到如下指標：片間外延厚度偏差土2.5%，片內外延厚度不均勻性2%，片間摻雜濃度偏差土5%，片內摻雜濃度不均勻性<2%。

截至目前，此類機型在國內用戶端使用較少，批量生產(chǎn)數(shù)據(jù)不足，在一定程度上制約了其工程化應用，并且由于多片式外延爐在溫場和流場控制等方面技術壁壘較高，國內同類設備開發(fā)仍處于研發(fā)階段，尚無替代機型。

準熱壁立式CVD系統(tǒng)，主要通過外部機械輔助基座高速旋轉，特點是通過較低的反應室壓力有效降低粘滯層厚度從而提高了外延生長速率，同時其反應室沒有能夠沉積SiC顆粒的上壁，不易產(chǎn)生掉落物，在缺陷控制上擁有先天優(yōu)勢，代表性機型為日本Nuflare公司的單片式外延爐EPIREVOS6、EPIREVOS8。

據(jù)Nuflare報道，EPIREVOS6設備的生長速率可以達到50μm/h以上，且外延片表面缺陷密度可控制在0.1cm-2以下；在均勻性控制方面，Nuflare工程師YoshiakiDaigo報道了采用EPIREVOS6生長的10μm厚6英寸外延片的片內均勻性結果，片內厚度和摻雜濃度不均勻性分別達到1%和2.6%。

目前，芯三代、晶盛機電等國內設備制造商已經(jīng)設計并推出了具有類似功能的外延設備，但還沒有大規(guī)模的使用。

綜合來看，3種結構形式的設備各具自身特點，在不同的應用需求占據(jù)著一定的市場份額：

熱壁水平臥式CVD結構特點是具有超快生長速率、質量與均勻性得到兼顧，設備操作維護簡單，大生產(chǎn)應用成熟，不過由于單片式及經(jīng)常需要維護，生產(chǎn)效率較低；溫壁行星式CVD一般采用6（片）×100 mm（4英寸）或8（片）×150 mm（6英寸）托盤結構形式，在產(chǎn)能方面大大提升了設備的生產(chǎn)效率，但多片一致性控制存在困難，生產(chǎn)良率仍是面臨的最大難題；準熱壁立式CVD結構復雜，生產(chǎn)外延片質量缺陷控制極佳，需要極其豐富的設備維護和使用經(jīng)驗。

隨著產(chǎn)業(yè)不斷發(fā)展，這3種設備進行結構形式上的迭代優(yōu)化升級，設備配置將越來越完善，在匹配不同厚度、缺陷要求的外延片規(guī)格發(fā)揮重要的作用。

審核編輯：湯梓紅