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(zhì)量的碳化硅同質(zhì)外延材料是碳化硅器件研制的基礎(chǔ)，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(guān)鍵。

制備高質(zhì)量的碳化硅外延，要依靠先進的工藝和設(shè)備，目前應(yīng)用最廣泛的碳化硅外延生長方法是化學(xué)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(yīng)用的可靠技術(shù)。

碳化硅CVD外延一般采用熱壁或溫壁式CVD設(shè)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(guān)系，反應(yīng)室可以分為水平臥式結(jié)構(gòu)反應(yīng)爐和垂直立式結(jié)構(gòu)反應(yīng)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(shè)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(shè)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(yīng)用的主流外延設(shè)備技術(shù)方案，三種技術(shù)設(shè)備也有各自的特點，可以根據(jù)需求進行選擇，其結(jié)構(gòu)示意如下圖所示：

熱壁水平式CVD系統(tǒng)，一般為氣浮驅(qū)動旋轉(zhuǎn)的單片大尺寸生長系統(tǒng) ，易實現(xiàn)較好的片內(nèi)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(nèi)及爐次間一致性好等，在國內(nèi)市場占有率最高。

根據(jù)LPE官方報道，結(jié)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(nèi)外延厚度不均勻性≤2%，片內(nèi)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(nèi)有晶盛機電、中國電科48所、北方華創(chuàng)、納設(shè)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(shè)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(shè)備，該設(shè)備通過對反應(yīng)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(diào)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(shè)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(nèi)外延厚度不均勻性2%，片間摻雜濃度偏差土5%，片內(nèi)摻雜濃度不均勻性<2%。

截至目前，此類機型在國內(nèi)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(yīng)用，并且由于多片式外延爐在溫場和流場控制等方面技術(shù)壁壘較高，國內(nèi)同類設(shè)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(zhuǎn)，特點是通過較低的反應(yīng)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(yīng)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(shè)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(nèi)均勻性結(jié)果，片內(nèi)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(nèi)設(shè)備制造商已經(jīng)設(shè)計并推出了具有類似功能的外延設(shè)備，但還沒有大規(guī)模的使用。

綜合來看，3種結(jié)構(gòu)形式的設(shè)備各具自身特點，在不同的應(yīng)用需求占據(jù)著一定的市場份額：

熱壁水平臥式CVD結(jié)構(gòu)特點是具有超快生長速率、質(zhì)量與均勻性得到兼顧，設(shè)備操作維護簡單，大生產(chǎn)應(yīng)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(jié)構(gòu)形式，在產(chǎn)能方面大大提升了設(shè)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(jié)構(gòu)復(fù)雜，生產(chǎn)外延片質(zhì)量缺陷控制極佳，需要極其豐富的設(shè)備維護和使用經(jīng)驗。

隨著產(chǎn)業(yè)不斷發(fā)展，這3種設(shè)備進行結(jié)構(gòu)形式上的迭代優(yōu)化升級，設(shè)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