半导体工艺装备现状及发展趋势

分立器件相关制造设备

第三代半导体设备   第三代半导体设备主要为SiC、GaN材料生长、外延所需的特种设备，如SiC PVT单晶生长炉、CVD外延设备以及GaN HVPE单晶生长炉、MOCVD外延设备等；以及SiC器件制备中所需的高温设备（高温离子注入机、高温退火炉、高温氧化炉等）；其他部分设备也需针对第三代半导体工艺做定制性开发。  

  第三代半导体设备的发展主要面向晶圆尺寸逐渐增大的需求。SiC材料及器件装备方面，150 mm(6英寸)已经成为国际主流，200 mm(8英寸)逐渐转入商用；GaN材料及器件装备方面，SiC基GaN装备正在由100 mm(4英寸)向150 mm(6英寸)过渡；Si基GaN装备正在由150 mm(6英寸)向200 mm(8英寸)过渡；GaN自支撑衬底所需的HVPE设备已经可以满足50～150 mm (2～6英寸)GaN衬底的制备需求。

红外焦平面探测器制备设备   当今红外焦平面探测器已经发展到第三代，主要以HgCdTe(碲镉汞)、InAs/GaSb II类超晶格材料为代表。红外焦平面探测器设备主要为HgCdTe、InAs/GaSb（砷化铟/锑化镓）材料生长、外延所需的特种设备如HgCdTe液相外延（LPE）设备、分子束外延（MBE）设备等，其他部分设备需针对红外焦平面器件工艺做定制性开发。  

  红外焦平面探测器设备的发展主要面向解决器件小间距、超大面阵、多谱段方向发展的工艺需求，器件面阵大小将由当前的2.7K2.7K，逐渐向4K4K、8K8K、30K30K发展。包括大视场特种投影光刻、高压碲化汞单晶炉、高平整度晶片加工等一批关键工艺设备。

    新兴材料及制备设备  

当前，以氮化铝（AlN）、金刚石、氧化镓（Ga2O3）等为代表的超宽禁带半导体材料日益成为研究热点，主要处于材料制备技术研发、性能优化及器件应用探索阶段。超宽禁带半导体专用设备主要为相关材料制备所需的晶体生长、薄膜外延设备。   AlN制备设备。主要包括用于晶体生长的PVT设备和用于薄膜外延的高温MOCVD设备等。PVT设备方面，已实现50 mm(2英寸)AlN单晶产业化；高温MOCVD设备方面，已经可以支撑50~100 mm(2~4英寸)衬底的高温外延生长需求。  

  金刚石制备设备。半导体级金刚石单晶制备主要通过CVD法实现，可选的制备手段包括微波等离子体化学气相沉积（MPCVD）法、等离子体喷射CVD法、热丝化学气相沉积（HFCVD）法、热阴极等离子体CVD法、激光诱导等离子体CVD法等。其中MPCVD法是目前制备高品质金刚石薄膜的首选，主要技术挑战是大尺寸金刚石薄膜的制备。      

氧化镓制备设备。氧化镓单晶制备可通过以下方法实现：焰熔法、光学浮区法（OFZ法）、边缘限制薄膜生长法（EFG法）、垂直梯度凝固法（VGF法）、垂直布里奇曼法（VB法）和直拉法，其中EFG法和直拉法获得的单晶质量最高，是最有前途的半导体级氧化镓单晶制备技术。目前通过直拉法最高可获得50 mm（2英寸）的氧化镓单晶、通过EFG法可获得100 mm（4英寸）的氧化镓单晶，150 mm（6英寸）EFG法单晶工艺及设备正在开发中。氧化镓外延设备主要包括MOCVD、MBE、HVPE等，其中MOCVD、MBE是器件制备中最常用的两种设备。  

自1947年晶体管问世以来，半导体技术已经走过70余年风风雨雨，衍生出集成电路与微系统、光电子分立器件（激光器、探测器等）、微电子分立器件（微波射频器件、电力电子器件）等诸多细分领域。集成电路主要沿摩尔定律和超越摩尔定律两个方向发展，其工艺装备引领了整个电子制造产业的工艺节点演进；分立器件发展主要通过基础材料创新实现，其工艺装备在集成电路工艺装备的基础上，主要着眼于特定材料体系生长和加工的需求。   总而言之，半导体工艺及制造装备技术的进步主要由特征尺寸（CD）的减小、新器件结构和新材料等因素驱动，以原子级的加工能力、丰富的集成形式、支持多种新材料体系为特征，现代半导体工艺及制造装备技术将持续支撑整个电子信息产业的技术创新需要。  

编辑：黄飞