Apparaatmakers over de hele wereld nemen toe silicium carbide (SiC)-productie, met een groei die vanaf 2024 echt van de grond zal komen.

Het is bijna vijf jaar geleden dat Tesla en STMicroelectronics de handschoen met SiC in de Model 3 gooiden. Nu twijfelt niemand aan de marktaantrekkingskracht voor elektrische voertuigen, maar consumenten schreeuwen nog steeds om een ​​beter bereik en sneller opladen. SiC-apparaten zijn essentieel om aan deze zorgen tegemoet te komen, en daarom vormen IDM's en gieterijen het toneel voor een tijdperk van snelle groei. Er worden nieuwe productiefaciliteiten gebouwd en apparatuur wordt besteld.

Fig. 1: De markt voor Power SiC-apparaten groeit met een CAGR van 34% (2021-2027), voornamelijk gedreven door de automobiel-, maar ook industriële, energie- en andere transportmarkten. Bron: Yole Développement

Maar het ontwikkelen van een nieuwe technologie voor een hoog volume kost tijd. Achter de schermen moesten leveranciers van productieapparatuur nauw samenwerken met hun klanten om bestaande apparatuur aan te passen of volledig nieuwe oplossingen te ontwerpen voor SiC-productie met een hoge doorvoer en een hoog rendement.

SiC is een erg duur en het is een extreem hard materiaal. Maar SiC-wafels zijn ook erg broos, dus ze moeten met uitzonderlijke zorg worden behandeld. Omdat ze transparant zijn, konden eerdere generaties sensoren die in handlingsystemen werden gebruikt, ze niet zien. De wafels hebben de neiging om te buigen, dus een industrie die gewend is aan de vlakheid van siliciumwafels heeft zich moeten aanpassen. En het materiaal heeft een aantal specifieke eigenschappen die bepaalde processen zoals doping erg moeilijk maken.

Met zulke veelbelovende marktkansen hebben veel van de toonaangevende SiC IDM's echter uitbreidingen van hun productiefaciliteiten aangekondigd. Wolfspeed heeft zijn nieuwe 200 mm-fabriek in de staat New York. Bosch voegt bijna 40,000 vierkante meter aan nieuwe SiC-specifieke cleanroom toe in Duitsland. Rohm opende een nieuwe fabriek in Japan, gericht op een vervijfvoudiging van de SiC-productie in de komende vijf jaar. Infineon is net begonnen met de bouw van een nieuwe SiC-fabriek in Maleisië. De Japanse pers meldt dat Toshiba van plan is de SiC-productie tegen 5 te verdrievoudigen en tegen 2024 10x. En de lijst gaat maar door.

Dat is veel cleanroomruimte om te vullen met apparatuur. Een deel van de apparatuur die in siliciumlijnen wordt gebruikt, kan ook in SiC-lijnen worden gebruikt. Maar voor grootschalige productie zijn enkele speciaal aangepaste gereedschappen nodig.

SEMI werkte onlangs samen met Victor Veliadis, uitvoerend directeur en CTO van de MachtAmerika consortium voor een online webinar getiteld SiC-siliciumcarbide materiaaleigenschappen, fabricageprincipes en belangrijkste toepassingen. In een interview met Semiconductor Engineering heeft Veliadis enkele van de punten toegelicht (zie figuur 2).

Fig. 2: De kritische verschillen tussen SiC- en Si-productieprocessen. Bron: Victor Veliadis/PowerAmerica

"Als je een nieuwe technologie bedenkt, wil je in principe zoveel mogelijk van de siliciuminfrastructuur benutten, want dat is de enige manier om economisch levensvatbaar te zijn", zegt Veliadis. Er zijn echter nog bijzonderheden.

Wat IDM's en gieterijen nodig hebben?
Met de oprit voor Tesla versnelde STMicroelectronics vroeg naar hoge volumes.

"Een grote uitdaging van apparatuur voor SiC heeft te maken met het hanteren van wafers, naast meerdere procesvereisten", zegt Giuseppe Arena, programmabeheerbureaudirecteur voor de Power Transistor Sub-Group van ST's Automotive Product Group. “Vanwege de inherente chemisch-fysische eigenaardigheden van materialen met een brede bandgap, gebruiken we een aantal nieuwe apparatuur en processen in de productiestroom. Dit geldt met name voor epitaxie- en ionenimplantatieprocessen en thermische behandelingen bij hoge temperatuur, in vergelijking met de processen die gewoonlijk worden gebruikt voor op silicium gebaseerde stroomapparaten."

SiC-epitaxie is met name van cruciaal belang om kristaldefecten tijdens het proces te beheersen en om de doorvoer te behouden. "Het vereist de beschikbaarheid van goed ontworpen epi-reactoren", legt Arena uit. “Vanuit het oogpunt van SiC-etsen vereist het de beschikbaarheid van goed ontworpen plasma-etsers. Het wafelverdunningsproces vereist ook speciaal gereedschap om de hardheidskenmerken van dit materiaal te beheren. We hebben ook de reinigingsstappen en ets- en depositieprocessen aangepast om ze af te stemmen op de specificiteit van dit materiaal. Ten slotte hebben leveranciers van apparatuur de handlingsystemen van enkele belangrijke apparatuur aangepast aan de karakteristieke transparantie van SiC-wafers.”

Omdat proces en ontwerp zo nauw met elkaar verbonden zijn in SiC, is het grotendeels een door IDM gedomineerde business gebleven. Maar gieterij X-Fab zag de kansen al vroeg.

"Het is een opwindende tijd om in de siliciumcarbidebusiness te werken", zegt Agnes Jahnke, productmarketingmanager voor SiC & GaN bij X-Fab. “Als de eerste pure-play-gieterij voor SiC - we zijn ongeveer 10 jaar geleden begonnen met ons engagement - hebben we onze SiC-capaciteiten voortdurend uitgebreid. X-Fab heeft een lange geschiedenis van nauwe samenwerking met onze leveranciers van apparatuur en we hebben in een vroeg stadium speciale SiC-productieapparatuur zoals implantaten en SiC-epitaxie toegevoegd, wat een zeer goede beslissing was, aangezien de doorlooptijden voor apparatuur momenteel omhoogschieten. Maar het gaat niet alleen om capaciteit. Het gaat ook om kwaliteit. Onze ingenieurs verbeteren voortdurend de SiC-verwerking en ondersteunen onze klanten om de opbrengst en doorvoer te verbeteren, wat beide ook zeer belangrijke factoren zijn om de SiC-chipvoorziening te beheren. Zo is X-Fab erin geslaagd een solide klantenbestand op te bouwen van SiC-klanten die de wereld voorzien van SiC-transistors en diodes om de groene energietransitie te ondersteunen.”

Er zijn ook nieuwe gieterijen gewijd aan SiC. Clas-SiC in Schotland is een goed voorbeeld, maar heeft een andere benadering gekozen om de fabvloer te vullen met apparatuur. "We zijn een nieuw bedrijf, ongeveer vijf jaar oud", zegt algemeen directeur Rae Hyndman. “We hebben een nieuwe, volledig operationele, end-to-end verwerking, productievolume, 150 mm, open wafer fab die uitsluitend bestemd is voor SiC-verwerking. Het grootste deel van het engineeringteam bestaat uit een zeer ervaren groep ingenieurs met ongeveer 20 tot 35 jaar ervaring in high-volume automotive silicium. Een groot deel van het team heeft 10 tot 15 jaar ervaring in SiC-ontwikkeling. We hebben onze nieuwe waferfabriek iets meer dan drie jaar geleden laten ontwerpen en bouwen, en we hebben de meeste apparatuur gekocht als volledig gerenoveerde 150 mm-apparatuur, of nieuw.” Ongeveer 10% tot 15% is gespecialiseerde SiC-apparatuur, merkte ze op.

Beschikbaarheid van apparatuur blijft overal een issue. "Ik zou zeggen dat de doorlooptijd voor wafer fab- en testapparatuur de grootste uitdaging is, en ik zou zeggen dat dit over de hele linie geldt voor alle halfgeleiderapparatuur," zei Hyndman. "Dit is te wijten aan de wereldwijde sterke vraag naar halfgeleiders in het algemeen, zowel traditionele silicium- als samengestelde halfgeleiders. Samengestelde halfgeleiders stimuleren ook de vraag naar gerenoveerde 150 mm-apparatuur.”

Dat gezegd hebbende: "Het komt door de beschikbaarheid van middelen en gereedschap en onderdelen voor renovatie - Covid zal dit niet hebben geholpen", voegde ze eraan toe.

Andere IDM's overwegen de conversie van siliciumlijnen naar SiC. Veliadis stelt dat een siliciumproductielijn van 150 mm kan worden omgezet in een SiC-lijn voor ongeveer $ 20 miljoen door bestaande processen en apparatuur aan te passen en slechts een paar belangrijke nieuwe gereedschappen aan te schaffen. Dit is een manier om oude siliconenfabrieken nieuw leven in te blazen die moeite hebben om vol te blijven, of die anders zouden sluiten.

Leveranciers stappen op
Fabrikanten van apparatuur investeren fors in deze markt. "Lam heeft procestools ingezet in vele aspecten van SiC-fabricage, waaronder SiC-geuletsen, diëlektrische afzetting en etsen, verwerking van dik metaal en passivering van apparaten", zegt David Haynes, vice-president voor speciale technologieën in Lam Research's Klantenservice bedrijfsgroep. "Vandaag de dag zijn we gefocust om ervoor te zorgen dat we voorbereid zijn om kritieke toepassingen op 200 mm aan te pakken, aangezien de technologie de komende jaren overgaat van 150 mm."

SiC-vermogenselektronica vertrouwt op vlakke of geulgebaseerde MOSFET-structuren, evenals op diodes. "In deze toepassingen worden de kritische processtappen op de SiC-wafer zelf vervaardigd", zegt Haynes. "SiC-epitaxie, ionenimplantatie bij hoge temperatuur/hoge energie en gloeien bij hoge temperatuur zijn belangrijke stappen. SiC-geulets voor MOSFET-fabricage is ook van cruciaal belang, evenals de afzetting van hoogwaardige ionenimplantaatmaskers en uitgloeikappen die koolstofverlies van het substraat tijdens het uitgloeien voorkomen. In de BEOL staan ​​de verwerking van dik metaal en de depositie van hoogwaardige passivering centraal.”

In het algemeen kunnen met betrekking tot ets-, depositie- en reinigingsprocessen gevestigde Si-procestools worden gebruikt voor de fabricage van SiC-apparaten. "Maar ze moeten meestal worden aangepast om SiC- en Si-substraten te kunnen verwerken," zei hij. “Een gemeenschappelijke uitdaging op alle platforms is het hanteren van wafers. Het feit dat SiC-substraten semi-transparant zijn bij infrarode golflengten, betekent dat het conventionele waferdetectiesysteem dat wordt gebruikt op Si-procestools niet altijd in staat is om ze te detecteren. Daarom moesten we SiC-specifieke upgradepakketten voor onze transport- en procesmodules ontwikkelen om een ​​betrouwbare waferbehandeling te garanderen. Evenzo, waar SiC-wafels tijdens het proces elektrostatisch moeten worden geklemd, heeft Lam geoptimaliseerde klemalgoritmen ontwikkeld om dit te vergemakkelijken. Ten slotte kan SiC zich heel anders gedragen dan Si, vooral vanuit een etsperspectief. Het is een sterk gebonden materiaal dat een aantal ion- en kristallografie-geïnduceerde etsdefectiviteitsmechanismen vertoont die niet bestaan ​​in silicium. Om dit te verhelpen, is toepassingsspecifieke procesontwikkeling nodig om belangrijke stappen aan te pakken, zoals het kritieke geul-etsproces in de SiC MOSFET-productie.”

Applied Materials van haar kant koos ervoor om een ​​MasterClass te geven, waarbij het twee nieuwe tools voor SiC lanceerde. "Siliconencarbide-chips schakelen efficiënter dan op silicium gebaseerde high-power-chips en dissiperen minder stroom", zegt Mike Chudzik, vice-president technologie voor Applied's Semiconductor Products Group. “Vanuit technisch oogpunt wordt de vermogensdissipatie van een siliciumcarbidechip bepaald door het kwadraat van de afvoerstroom (Id) en de 'aan'-weerstand (Ron). Om de efficiëntie te verbeteren, verlagen we de 'aan'-weerstand door de elektronenmobiliteit te vergroten.”

Het doel is een perfect kristal. "Elektronenmobiliteit kan worden verbeterd met gate-oriëntatie en celpitch-reductie, en is omgekeerd evenredig met de dopingconcentratie," zei Chudzik. "Defecten in het siliciumcarbidekristal dat tijdens het productieproces ontstaat, verslechteren de mobiliteit, wat de elektrische weerstand verhoogt, de prestaties vermindert en energie verspilt. Twee van de belangrijkste procestechnologieën zijn siliciumcarbidewafer CMP, die oppervlaktedefecten vermindert, en ionenimplantatie, die de elektronenmobiliteit optimaliseert door bulkdefecten in het siliciumcarbide te verminderen.”

Hij legde uit dat de vorming van vermogenschips begint met een kale siliciumcarbidewafel die glad moet worden gepolijst omdat het de basis is waarop een volgende epi-laag wordt gekweekt. "Siliciumcarbide is een zeer hard materiaal - veel harder dan materialen zoals silicium, siliciumdioxide en koper die gewoonlijk worden vlakgemaakt met CMP-technologieën," zei hij. "Tegelijkertijd moet een siliciumcarbide-chip een uniform kristalrooster door het hele apparaat hebben."

Om uniforme wafels met de hoogste kwaliteit oppervlakken te produceren, heeft Applied het Mirra Durum CMP-systeem ontwikkeld, dat polijsten, meten van materiaalverwijdering, reiniging en droging in één systeem integreert (zie figuur 3). Het bedrijf claimt een 50x vermindering van de oppervlakteruwheid van de afgewerkte wafels in vergelijking met mechanisch geslepen SiC-wafels, en een 3x vermindering van de ruwheid in vergelijking met batch-CMP-verwerkingssystemen.

Fig. 3: Het 200 mm Mirra Durum CMP-systeem is ontworpen om uniforme SiC-wafels te produceren met de hoogste kwaliteit oppervlakken door polijsten, materiaalverwijdering, meting, reiniging en droging in één systeem te integreren. Bron: Toegepaste materialen

De tweede introductie betreft doping bij hoge temperatuur. Tijdens de fabricage worden doteermiddelen in materiaal geïmplanteerd om de stroom van stroom binnen de hoogvermogen producerende circuits mogelijk te maken en te sturen. Vanwege de dichtheid en hardheid van SiC is het een enorme uitdaging om de doteermiddelen te injecteren, nauwkeurig te plaatsen en te activeren zonder het kristalrooster te beschadigen, wat de prestaties en energie-efficiëntie zou verminderen. Applied ging deze uitdaging aan met behulp van een implantaatsysteem met hete ionen voor SiC-wafels van 150 mm en 200 mm, wat naar verluidt resulteert in een 40x reductie in weerstand in vergelijking met implantatie bij kamertemperatuur.

Na doping is de volgende kritieke fase voor het waarborgen van de integriteit van de kristallijne structuur en het activeren van de doteermiddelen gloeien, wat in SiC een veel heter proces is dan in silicium. Om dat aan te pakken, zorgt de c.Activator-gloeioven van centrotherm voor elektrische activering van doteermiddelen bij temperaturen tot 2,000 °C. Het is een van de vele producten die het bedrijf heeft ontwikkeld voor SiC-productie (zie figuur 4).

Afb. 4: centrotherm biedt een reeks apparatuur voor SiC-productie die 150/200 mm-brugmogelijkheden biedt. Bron: centrotherm

En een paar jaar geleden heeft Canon een stepper gereviseerd die het voor het eerst uitbracht in 1995 om het compatibel te maken met SiC-productie. Canon zei dat de updates het compatibel maken met functies voor waferoverdracht die kromgetrokken of transparante waferprocessen ondersteunen, zoals SiC, en uitlijnsysteemopties die de X- en Y-uitlijnmarkeringsmetingen uitlijnen om de productiviteit van de stepper te verhogen.

Zijn we er al?
Ondanks de vele aankondigingen is er nog een lange weg te gaan. "Het staat nog in de kinderschoenen", zegt Sally Ann Henry, directeur bedrijfsontwikkeling bij ACM Research, een relatief jonge maar snelgroeiende leverancier van apparatuur die vooral bekend staat om zijn geavanceerde front-end reinigingstechnologie voor silicium. Ze zei dat hoewel het in de media lijkt alsof iedereen SiC op 200 mm gebruikt, de meeste IDM's zich in feite nog in de bouwfase bevinden en in de tussentijd op 150 mm-wafers draaien.

Op de vraag hoe ACM Research SiC ging ondersteunen, zei Henry dat het rond 2020 begon. "ACM is in de siliciumcarbidebusiness gestapt omdat klanten erom vroegen, met name op de Aziatische markt", zei ze. "In Europa en de VS zagen we dat er een enorm groeigebied was, dus gingen we er achteraan."

ACM heeft op haar website vragen gezien van kleinere spelers. Van grote spelers heeft ze veel interesse gezien in 'bruggereedschappen', die kunnen worden gekwalificeerd op 150 mm en vervolgens kunnen worden verplaatst naar 200 mm wanneer hun gebouwen klaar zijn, waarvan ze denkt dat ze in 2024 grotendeels voltooid zijn.

Om klaar te zijn, heeft ACM Research al haar SiC-compatibele tools uitgerust met state-of-the-art sensoren, zodat de wafers kunnen worden geïdentificeerd en zorgvuldig kunnen worden gehanteerd. De handlingsystemen zijn aangepast aan de buiging en transparantie van SiC-wafers.

Conclusie
Hoewel de markt voor SiC-stroomapparatuur de afgelopen vijf jaar gestaag is gegroeid, wijzen voorspellingen op een grote stijging vanaf 2024. Toonaangevende leveranciers van apparatuur zijn de fundamentele uitdagingen van SiC-productie aangegaan, maar omdat de doorlooptijden erg lang zijn, plaatsen fab-managers bestellingen voor extra apparatuur nu. Dat gezegd hebbende, is er nog veel ruimte voor verbetering in procesdetails, iets waar de IDM's en gieterijen samen met hun leveranciers aan blijven werken.