化合物半导体材料

晶圆制备: 衬底与外延工艺

晶圆制备包括衬底制备和外延工艺两大环节。 衬底(substrate)是由半导体单晶材料制造而成的晶圆片， 衬底可以直接进入晶圆制造环节生产半导体器件，也可以进行外延工艺加工生产外延片。 外延(epitaxy)是指在单晶衬底上生长一层新单晶的过程，新单晶可以与衬底为同一材料，也可以是不同材料。 外延可以生产种类更多的材料，使得器件设计有了更多选择。

衬底制备的基本步骤如下: 半导体多晶材料首先经过提纯、掺杂和拉制等工序制得单晶材料，以硅为例， 硅砂首先提炼还原为纯度约 98%的冶金级粗硅，再经多次提纯，得到电子级高纯度多晶硅(纯度达 99.%以上， 9~11 个 9)，经过熔炉拉制得到单晶硅棒。单晶材料经过机械加工、化学处理、 表面抛光和质量检测，获得符合一定标准(厚度、晶向、平整度、平行度和损伤层)的单晶抛光薄片。 抛光目的是进一步去除加工表面残留的损伤层，抛光片可直接用于制作器件，也可作为外延的衬底材料。

衬底制备的基本步骤

外延生长工艺目前业界主要包括 MOCVD(化学气相沉淀)技术以及 MBE(分子束外延)技术两种。 例如，全新光电采用 MOCVD，英特磊采用 MBE 技术。

外延晶圆片结构示意图

相比之下， MOCVD技术生长速率更快，更适合产业化大规模生产，而 MBE 技术在部分情况如 PHEMT 结构、Sb 化合物半导体的生产中更适合采用。 HVPE(氢化物气相外延)技术主要应用于 GaN 衬底生产。 LPE(液相沉积)技术主要用于硅晶圆，目前已基本被气相沉积技术所取代。

MBE 与 MOCVD 技术对比

晶圆尺寸: 技术发展进程不一

硅晶圆尺寸最大达 12 寸， 化合物半导体晶圆尺寸最大为 6 英寸。 硅晶圆衬底主流尺寸为 12 英寸，约占全球硅晶圆产能 65%， 8 寸也是常用的成熟制程晶圆，全球产能占比 25%。GaAs 衬底主流尺寸为 4 英寸及 6 英寸; SiC 衬底主流供应尺寸为 2 英寸及 4 英寸; GaN 自支撑衬底以 2 英寸为主。

衬底晶圆材料对应尺寸

SiC 衬底目前尺寸已达 6 英寸， 8 英寸正在研发(II-VI 公司已制造出样品) 。而实际上主流采用的仍为 4 英寸晶圆。主要原因是(1)目前 6 英寸 SiC 晶圆大概是 4 英寸成本的 2.25倍，到 2020 年大概为 2 倍，在成本缩减上并没有大的进步，并且更换设备机台需要额外的资本支出， 6 英寸目前优势仅在生产效率上;(2) 6 英寸 SiC 晶圆相较于 4 英寸晶圆在品质上偏低，因而目前 6 英寸主要用于制造二极管，在较低质量晶圆上制造二极管比制造MOSFET 更为简单。

外延生长对应 wafer 尺寸

GaN 材料在自然界中缺少单晶材料，因而长期在蓝宝石、 SiC、 Si 等异质衬底上进行外延。 现今通过氢化物气相外延(HVPE)、氨热法可以生产 2 英寸、 3 英寸、 4 英寸的 GaN自支撑衬底。 目前商业应用中仍以异质衬底上的 GaN 外延为主， GaN 自支撑衬底在激光器上具有最大应用，可获得更高的发光效率及发光品质。

不同晶圆尺寸发展历程

硅: 主流市场， 细分领域需求旺盛

从硅晶圆供给厂商格局: 日厂把控， 寡头格局稳定。日本厂商占据硅晶圆 50%以上市场份额。前五大厂商占据全球 90%以上份额。 其中，日本信越化学占比 27%、日本 SUMCO 占比 26%，两家日本厂商份额合计 53%，超过一半，中国台湾环球晶圆于 2016 年 12 月晶圆产业低谷期间收购美国 SunEdison 半导体，由第六晋升第三名，占比 17%，德国 Siltronic 占比 13%，韩国 SK Siltron(原 LG Siltron， 2017年被 SK 集团收购) 占比 9%，与前四大厂商不同， SK Siltron 仅供应韩国客户。

此外还有法国 Soitec、中国台湾台胜科、合晶、嘉晶等企业，份额相对较小。各大厂商供应晶圆类别与尺寸上有所不同，总体来看前三大厂商产品较为多样。 前三大厂商能够供应 Si 退火片、 SOI 晶片，其中仅日本信越能够供应 12 英寸 SOI 晶片。德国Siltronic、韩国 SK Siltron 不提供 SOI 晶片， SK Siltron 不供应 Si 退火片。而 Si 抛光片与Si 外延片各家尺寸基本没有差别。

文章来源：《现代电子技术》 网址: http://www.xddzjs.cn/zonghexinwen/2020/1020/548.html