碳化硅（SiC）材料的特性要求其晶圆制造设备必须进行专门设计与优化，以确保生产的高效性与高质量。碳化硅晶圆的生产涉及多个环节，并且需要使用一系列关键设备，主要包括以下几类：

01.衬底制备设备

（1）粉料合成设备

SiC半导体产业的基础是高纯原材料的获取，其中包括高纯SiC粉末和SiC晶体。在碳化硅粉末的生产过程中，当前商业化生产的高纯SiC粉末纯度普遍达到99.999%。国内主要厂商通常采用高纯硅粉与高纯碳粉混合，装入石墨坩埚或反应炉内，通过导入除杂气体并采用碳热还原法或自蔓延高温合成法（SHS）制备高纯度的SiC粉末。

（2）晶体生长设备

SiC晶体生长的主流方法是物理气相传输法（PVT），该方法通过在升华系统中形成的晶体，能够有效降低缺陷水平，因此是当前商业化生产的主要工艺。SiC晶体的生长难度较大，尤其是4H-SiC晶体的生长，其重复性和良率较低。晶体生长过程需要精确控制温度、压力（约2300℃和350MPa）以及气体流量，以确保晶体的质量与均匀性。

晶体生长的核心设备为长晶炉，主要由炉体、加热/降温温控组件、线圈传动、真空抽取系统和气路系统等部分组成。随着技术的不断进步，未来的长晶设备将朝着更高的自动化、工艺重复性、晶体生长良率提升以及大直径（如8寸）晶体生长方向发展。

在长晶炉的加热方式上，感应加热法SiC PVT长晶炉是主流工艺，国内市场占比约90%。其余为电阻加热法长晶炉，尽管电阻加热法可以精确控制轴向和径向的温度分布，未来有可能在高品质8寸碳化硅晶体生长方面发挥更大作用。

02.切磨抛设备

碳化硅（SiC）晶圆的切磨抛过程常常面临碎裂、翘曲等问题，因此，SiC切磨抛的技术要求主要集中在提高生产效率和降低损耗上。

（1）切片机

当前，SiC晶圆切割主要采用两种工艺方式：机械切割（包括砂浆切割、金刚线多线切割）和激光切割。

机械切割：这种技术存在效率较低、损伤较严重等问题，虽然成本较低，但在生产过程中容易导致晶圆表面破损，影响后续处理质量。

激光切割：激光切割设备虽然较为昂贵，并且技术尚需完善，但其在SiC晶圆的切割中具有明显的优势，尤其是在降低材料损耗和提高产量方面。例如，日本Disco公司开发的KABRA激光晶圆系统，可以减少60%的晶圆制造材料损失，并提升40%的单个SiC晶片产量。这一技术路线有望成为碳化硅衬底降本的关键路径。

（2）研磨、抛光机

随着SiC晶圆尺寸逐步向8寸发展，且晶圆厚度越来越薄，晶圆在切割和磨抛过程中所承受的压力分布变得更加复杂，磨抛环节更容易受到应力的影响，导致良率不易控制。

研磨工艺：研磨过程分为粗磨和精磨两个阶段。粗磨主要去除切片工序中给晶圆表面带来的切痕及损伤层；精磨则是去除粗磨留下的损伤层，并确保晶圆表面粗糙度（Ra）小于3nm，晶圆的总厚度偏差（TTV）小于3μm，以满足抛光的要求。

抛光工艺（CMP）：化学机械抛光（CMP）技术是目前应用最广泛的抛光技术，属于湿法抛光的一种。CMP结合了化学腐蚀和机械磨损，通过去除材料表面层来实现晶圆的平坦化。该工艺的关键耗材，如抛光液和抛光垫，其性能直接影响到抛光效果和效率。因此，抛光液和抛光垫的配方与性能优化一直是提高抛光质量和生产效率的重点。

此外，对于600V至1200V的SiC器件，由于其衬底电阻占比较大，通常需要对SiC衬底的背面进行减薄，以完成背面金属的欧姆合金化。主流的减薄方法是砂轮减薄，然而减薄得越薄，界面质量的控制就越难，碎片的风险也相应增大。

03.外延设备

碳化硅衬底上生长外延层是制造高质量碳化硅晶圆的关键步骤。外延生长技术的主要发展趋势包括增加产能、延长PM（生产维护）周期、提高自动化程度以及支持大尺寸衬底的生长。

外延生长过程中面临的技术难点包括：随着器件耐压值的增加，外延层的厚度必须相应增加。例如，1200V至1700V的SiC器件需要至少10至15μm的外延层厚度。与此同时，要保持外延层均匀的掺杂浓度、增加生长速率、避免内部位错缺陷以及减少热应力，变得更加困难。这些因素直接影响碳化硅器件的电气性能。

外延设备的主要技术路径

MOCVD（金属有机化学气相沉积）设备

MOCVD设备是目前碳化硅外延生长中最为常见的技术，其优势在于价格适中、质量优良且生长速度较快。MOCVD设备广泛应用于SiC衬底的外延生长，能够提供高质量且均匀的外延层。

其他外延生长方法除MOCVD外，SiC外延生长还可采用其他方法，包括：

LPE（液相外延）：液相外延方法通过在液态溶液中生长外延层，适用于一些高精度的应用。

MBE（分子束外延）：分子束外延技术适用于研究和开发阶段，通常用于生长高质量的外延层。

蒸发生长法：通过气体源在高温下蒸发材料并沉积到衬底上，形成外延层。

MOCVD设备主要有两种反应炉结构：热壁式和温壁式。

水平式反应炉：水平式反应炉的进气方向与衬底表面平行，适用于大规模生产。其结构设计能使气体流动均匀，有助于提高外延生长的均匀性。

垂直式反应炉垂直式反应炉的进气方向与衬底表面垂直，适用于较为精细的控制要求。其结构特点使得气体与衬底表面接触时间较长，从而有助于更均匀的生长外延层。

行星旋转式反应炉：行星旋转式反应炉原理类似于水平式反应炉，但其设计有助于改善气体流动和衬底加热均匀性，进一步提升外延层的生长质量。

外延生长设备的技术优化旨在解决外延层生长过程中遇到的困难，并推动SiC器件生产工艺的不断进步。这些设备将随着产能扩张和工艺需求的提升，朝着更高效、更自动化、更大尺寸的方向发展。

04.热处理设备

热处理在碳化硅（SiC）晶圆的制造过程中扮演着重要角色，主要包括热氧化、高温扩散和退火等关键工艺步骤。热氧化和退火是SiC晶圆制备中的核心环节，直接影响器件的电气性能和可靠性。

（1）热氧化设备/高温栅氧设备

热氧化工艺用于在SiC晶圆表面形成高质量的SiO₂层，这一过程对于提高SiC MOSFET（碳化硅金属氧化物半导体场效应管）沟道的迁移率和栅极的可靠性至关重要。SiC与SiO₂之间的界面缺陷，特别是碳悬挂键，可能会影响器件的性能，因此高质量的栅氧层至关重要。

设备类型：热氧化工艺通常采用高温氧化炉。此类炉具的最高温度一般达到1400℃-1500℃，以保证SiC晶圆表面能够快速形成高质量的氧化层。

技术挑战：氧化速率、界面缺陷控制及氧化层均匀性是热氧化工艺的技术难点。随着SiC器件逐渐向更高耐压方向发展，对氧化层的要求也越来越高。

（2）高温扩散炉

高温扩散炉主要用于SiC晶圆的重掺杂工艺。掺杂扩散工艺改变了SiC晶圆内部杂质的种类、浓度和分布，从而在晶圆中形成不同的电特性区域，这对于实现不同类型的器件至关重要。

应用：通过扩散工艺，可以控制P型和N型掺杂区的形成，从而优化晶体管的工作特性。

要求：高温扩散炉需要具备稳定性、均匀性、精确的温度控制、低微粒污染和高生产率等特性。此外，设备的可靠性和低成本工艺要求也是关键因素。

（3）退火设备

退火工艺用于修复SiC晶圆中因高温离子注入而产生的晶格损伤，激活注入的离子并降低背面欧姆接触电阻。退火过程有助于提高SiC晶圆的电气性能和材料的整体质量。

快速退火：通过快速加热和冷却过程，可以有效修复离子注入损伤，并激活注入离子。这一过程有助于改善电导率并优化欧姆接触。

N型和P型掺杂退火温度：通常，N型掺杂退火温度超过1200℃，而P型掺杂退火则需要超过1600℃。

设备类型：常用的退火设备包括管式退火炉和快速热退火设备。这些设备能够实现快速加热、降温和精准的温控，满足快速退火的技术要求。

激光退火：激光退火作为一种新兴的工艺，能够提供高精度的温控，减少热损伤，并实现更良好的欧姆接触。因此，激光退火逐渐成为SiC退火工艺的替代方案，特别是在高要求的应用中。

05.刻蚀设备

与传统的硅基刻蚀技术不同，碳化硅（SiC）材料因其高硬度和高化学稳定性，面临着更大的刻蚀难度。在SiC的刻蚀过程中，刻蚀速率较慢，需要更高的离子体密度和能量。因此，通常采用干法刻蚀技术，特别是电感耦合等离子刻蚀（ICP）技术，以满足高效、均匀的刻蚀需求。

SiC的刻蚀过程主要依赖于高能离子与气体反应，且对于等离子体的要求非常高。常见的气体混合物包括氟基等离子体或氟、氧等离子体，它们有助于提高刻蚀效果和实现特定的结构要求。

干法刻蚀：由于SiC的高硬度和稳定性，干法刻蚀成为主要的加工方式。干法刻蚀通过高能等离子体与气体反应，能够精确去除SiC表面材料并形成所需的图案。

电感耦合等离子体（ICP）刻蚀：ICP技术通过独立控制等离子体的密度和能量，提供高质量的刻蚀效果。该技术能够实现高侧壁垂直度和均匀的刻蚀深度，尤其适用于SiC材料的刻蚀加工，尤其是在高密度、复杂结构的器件生产中。

气体选择：刻蚀过程中使用的气体类型直接影响刻蚀速率和质量。氟基等离子体是常用的气体，它能够有效地与SiC反应，去除不需要的材料。此外，氟、氧等气体混合物也被广泛应用，帮助改善刻蚀过程的均匀性与精度。

SiC的刻蚀工艺面临几个技术难题，主要集中在设备的设计和离子源技术上：

高洁净抗腐蚀工艺腔体设计：由于SiC材料的强腐蚀性和刻蚀过程中的高温高能环境，对刻蚀设备的腔体设计要求较高。设备腔体必须具备高洁净、抗腐蚀和耐高温的特性，以保证长时间的稳定性和可靠性。

高性能等离子体源技术：高效的等离子体源技术是成功进行SiC刻蚀的关键。ICP-RIE技术由于能够精确控制等离子体的密度和能量，使得刻蚀过程更加可控，能够处理更复杂的结构和较大的功率需求。

复杂刻蚀需求：随着SiC器件性能的不断提高，刻蚀工艺的复杂度也在增加。尤其是在制作高密度、耐高压的沟槽结构SiC器件时，刻蚀工艺需要更高的精度和更加稳定的设备支持。

06.离子注入机

碳化硅（SiC）材料的离子注入工艺面临多重技术挑战，主要体现在高温、高能量注入的要求、精确的掺杂控制以及设备的稳定性与可靠性。与硅基晶圆相比，SiC的离子注入工艺更为复杂，尤其是在注入能量和温度方面的要求更为严格。

技术难点

高温、高能注入：SiC的掺杂剂（如氮、磷、铝等）通常需要在高能量（如300 keV甚至更高）下注入。这意味着离子注入机需要能够处理较高能量的离子束。SiC晶体的特殊性质要求离子注入过程中需维持较高的温度（通常在500℃以上），以减少对4H-SiC晶格结构的破坏。低温下的离子注入容易导致晶格损伤，影响最终的电气性能。

精确的掺杂控制：SiC材料对掺杂精度的要求极高，必须在注入过程中精确控制掺杂浓度和分布，才能确保器件的良好性能。尤其是对于高功率、高耐压的SiC器件，掺杂参数的微小波动都可能影响其性能和可靠性。

注入时长和能量：与硅基晶圆相比，SiC的离子注入工艺要求较长的注入时间。硅基晶圆的离子注入通常是在较低的温度下进行，能量较低，注入过程较为快速。而SiC的离子注入需要在较高的温度和较高的能量下进行，工艺时间较长。

国内设备短缺：由于高温离子注入机的技术要求较高，国内高温离子注入机的保有量相对较低，这使得部分国内厂商无法自主完成SiC晶圆的关键掺杂工艺，只能选择将晶圆送至外部厂商代工。这一问题限制了国内SiC器件的生产自主性。