5G开启了万物智联的时代，将推动IOT、大数据、云计算、汽车电子、机器人、VR、AR等新兴领域迅速发展。芯片是相关产业发展的关键，将推动半导体产业的第三次发展浪潮。其中化合物芯片和传感器芯片将迎来发展机遇。
【分享主题】半导体装备主题报告（三）：面向化合物半导体芯片的制造装备
【分享时间】3月5日（周四）14:00-15:00
【分享嘉宾】张轶铭 北京北方华创微电子装备有限责任公司技术经理
▌以下为整理的分享内容（略有删减）。
大家好，首先要感谢第三代半导体产业技术创新战略联盟提供给我们这样一个线上交流的平台。今天我报告的题目是《面向化合物半导体芯片的刻蚀装备》，我来自北方华创。
今天我的报告分为四个部分，前两个部分针对万物智联时代以及半导体芯片的需求展开；第三个部分主要介绍北方华创的刻蚀解决方案；最后介绍公司在化合物半导体方面的产品以及规划。
随着科技的进步和发展，我们实际上已经进入了万物智联时代。万物智联时代有两个特征，第一个是我们目前使用的5G技术方面，它的开放架构可以提高万物互联的可靠性，让连接无处不在，而且它的连接量是指数级增长的；第二个特点是5G的高速，它可以使得万物智联实现大容量数据的同时传输。也就是说同时连接多台设备传输的速度也不会下降。
5G的生态圈助推了移动互联网应用行业很多新业态的涌现。因为5G可以提供高速率、低时延的网络承载，促使更多互联网应用向云端发展。同时，借助多基站协同实现的高精度定位，室内导航与定位服务也将满足更多行业的新需求。在此趋势下，应用终端将向轻量化、小型化和智能化发展，进而促进相关IOT、大数据、云计算、汽车电子、机器人VR/AR等新兴领域的迅速发展。
根据市场的分析和预测，5G的产业链将推动5G的生态圈最终赋能整个行业，并会构建起一个十万亿级的大生态。
万物互联时代也将带来新的市场机遇和对半导体芯片的新需求。纵观整个发展史，芯片将是相关发展产业的关键，而且将在新兴领域推动半导体产业的第三次的发展浪潮，所以芯片的功能和性能也需要进一步的提升。
对于芯片提出的挑战之一是：5G将采用大规模天线和多频组网，这其中高频器件会带动新工艺和新材料的快速发展。
5G的高速率、低时延的特性要求必须使用大规模天线技术和高中低频协作组网。其中高频含有6GHz以上的毫米波波段，因此大规模多进多出天线等高频器件是5G时代无线通信设备领域值得关注的方向之一。为了满足器件的高频特性，新工艺和新材料在射频器件的应用也发生了巨大的变化，材料科学的突破将影响着信息产业变革向纵深发展。
5G大带宽驱动大规模天线应用，整个基站天线将拥有数百亿级的市场。那么5G带宽大频点高，也带来了射频技术与工艺的新变革，使射频器件量质齐升。其中5G高效率的要求在射频器件领域，是使用GaN与GaAs的功率放大器。
对于芯片提出的另一方面挑战是在万物互联时代需要大量的传感器进行数据的收集以及融合。
因为5G将连接变得前所未有的容易，为信息的快速流动创造了机遇。人工智能、车联网、AR/VR等5G生态应用需要大量的传感器来收集信息。并且对传感器的功耗、可靠性、智能化以及集中化都提出了更高的要求，那么MEMS传感器将是最佳的选择之一。
相关的半导体芯片也迎来了新的机遇：在基站端化合物半导体芯片方面，比如GaN-on-Si HEMT与SiC的MOSFET可以应用在基站电源。那么GaN-on-SiC HEMT的器件可以用于基站的功放领域。
在终端化合物半导体芯片方面，比如GaAs VCSEL 3D传感器。GaAs HBT/pHEMT芯片可以用于终端功放，硅基的或者蓝宝石基的GaN HEMT芯片可以用在快速充电头当中。
另外以麦克风、加速度传感器、陀螺仪、压力传感器等为代表的MEMS传感器也大量使用在终端当中。
化合物半导体的应用主要分为三个大的方面。第一个是功率，第二个是射频通信，第三个是光电子。
下面我将从七个方面进行主要的介绍，分别是GaN射频通讯、GaN功率、SiC功率、InP、GaAs、压电材料和新型材料。
第一个方面是GaN射频通讯器件，事实上以SiC作为衬底的SiC基GaN射频器件已经使用在了5G基站等领域当中。而随着成本等因素的驱动硅基的GaN射频通讯器件也将慢慢的推向使用，甚至是以金刚石为衬底的金刚石基GaN芯片也处在研发当中。
首先我们来看一下SiC基的GaN HEMT器件的刻蚀方面的需求。SiC基的GaN HEMT芯片，衬底的SiC的厚度一般在几十微米，需要将背部的通孔完全的刻穿，有利于散热，需提供背部的互联来降低阻抗。一般使用Ni作为掩膜，刻蚀的深度在几十到一百微米之间。侧壁的角度要求接近90度。
我们通过腔室设计和大量的工艺开发，实现了SiC背孔的刻蚀。刻蚀速率远高于1微米/分钟；对于Ni掩膜的选择比大于30；对于GaN的选择比大于50；整个晶圆表面的温度可以控制在150℃以内；刻蚀的均匀性小于2%；Pillar缺陷可以控制在1%以内；平均清洗间隔时间超过30片。
北方华创的GDE C200型刻蚀机对四寸的刻蚀均匀性可以做到0.94%。，它已经通过了SiC背孔和GaN刻蚀的生产线量产验证，完全满足GaN射频器件的性能要求。
第二个方面是GaN功率器件。我们都知道去年OPPO、今年小米已经发布了65瓦的GaN HEMT快速充电器。国外的EPC和transphorm已经通过了汽车级的认证，GaN System因为有宝马的投资，那么预计也将在今年通过汽车级的验证。
GaN功率器件的市场参与者主要来自几个方面：有传统的硅功率器件转向GaN的，有从化合物半导体切入到GaN功率这个赛道的，还有从传统的led厂商进入GaN领域的，当然还有很多初创公司。
从GaN功率器件的发展来看，从早期的D-mode转向现在的E-mode和系统封装，已有部分公司提出单片集成的GaN功率器件，也就是做到了SOC这个级别。
硅基GaN的结构有非常多的种类，那么这里举一个例子作为代表：可以看到GaN和AIGaN的刻蚀深度要求是在20纳米左右，而且要求低速、低损伤、表面粗糙度也要有一定的控制。
常规的ICP擅长台面刻蚀，刻蚀深度在3um左右，刻蚀速率可以超过150纳米/分钟。对于像Recess这样的结构，可以通过选择低损伤的Bias RF系统来将刻蚀率逐渐的下降，从20纳米/分钟做到8纳米/分钟，最慢可以实现1.5纳米/分钟。
我们也开发了ALE，也就是原子层级的刻蚀技术。ALE刻蚀分为四部一个循环，第一步是表面修饰、第二步是气体切换、第三部是表面层的去除、最后一步也是气体切换，可以逐渐的循环实现一个逐层的刻蚀。
ALE相对于常规的ICP刻蚀有均匀性好、表面粗糙度小和与深宽比无关等一系列的优势。
而且ALE有一个自限制效应，也就是在第三部表面去除部，随着去除时间的逐渐增加会有一个自限制的现象出现，也就是不再对于下层材料进行刻蚀，那么我们的实验结果也表明了我们的装置有ALE这样的一个自限制效应。
对于GaN的慢速刻蚀，我们可以将刻蚀速率控制在1纳米/分钟以下、表面粗糙度的测试小于0.3纳米、而且通过器件的电性测试。北方华创的GSEC200型刻蚀机已通过了GaN低损伤刻蚀，还有氮化硅低损伤刻蚀量产验证，性能稳定，完全满足器件的要求。
除了硅基GaN功率器件以外，SiC也广泛使用在功率器件领域。比如以特斯拉model3这款车型为代表使用的是意法半导体的SiC功率模组。
在上个月，比亚迪宣布汉EV这款电动汽车采用了SiC MOSFET功率器件，百公里加速可以达到3.9秒。
除了电动汽车以外，SiC功率器件在能源、高铁、UPS等领域都有广泛的应用。
这里以SiC MOSFET器件为例：他对于SiC Trench的刻蚀要求侧壁角度88到90度、底部圆角曲率半径大于0.3微米、粗糙度小于0.5纳米。因为Trench的刻蚀形貌将影响整个器件的耐高压等特性。
我们通过设备优化和工艺开发可以将sub-trench完全消除，并且做到底部圆角，可以看到侧壁角度在90度时底部sub-trench是完全被消除了。
整片的刻蚀均匀性可以控制在2%以内。北方华创的刻蚀机已经通过了SiC trench刻蚀的工艺量产验证。工艺兼容性好，完全满足SiC功率器件的性能要求。
第四个方面是GaAs器件。GaAs在射频通讯、led、光电子和光伏领域有广泛的应用。随着iphonex推出的3D结构光使用了GaAs VCSEL芯片将使得GaAs的应用得到进一步的推广。
与SiC基的GaN器件类似，GaAs芯片也需要对背孔进行刻蚀串通。典型的刻蚀深度在100微米以上，侧壁角度要求控制在85度到89.5度。我们实现了这样高速的GaAs背孔刻蚀，深度在100微米上，侧壁角度满足要求。
对于GaAs mesa的刻蚀，典型的刻蚀深度大于500纳米，侧壁角度控制在55度左右。我们实现了GaAs mesa的刻蚀，刻蚀深度在600微米以上，侧壁角度在60度左右。北方华创的GSE C200型刻蚀机通过了GaAs背孔刻蚀、GaAs mesa刻蚀的量产验证，工艺稳定，完全满足GaAs射频通讯器件的性能要求。
GaAs VCSEL器件随着iphoneX的使用走进了普通消费者的视野，随着VCSEL芯片的广泛使用，它的要求也在进一步的提高。
GaAs系列的VCSEL芯片要求刻蚀的侧壁光滑，而且没有底部的sub-trench。我们实现了GaAs VCSEL mesa的刻蚀，其深度可以超过4.5微米。侧壁角度在75到90度范围内可以调节。而且我们使用了OES作为终点检测的手段，可以清晰地反映出刻蚀膜层的变化，并且自动的抓取刻蚀的终点。
第五个方面是InP器件，InP器件从60年代问世以来，它的使用也在逐渐的推广，目前主要集中在光电子和RF通讯领域。
这里面展示的是InP光波导和InP光栅的刻蚀效果，完全满足器件的使用要求。
第六个方面是压电材料。从最早的压电式陀螺喷墨打印头，现在逐渐使用到滤波器、麦克风、扬声器等领域。
在表面或体声波滤波器方面主要使用的材料是LiNbO3、LiTaO3或石英等压电材料。在FBAR方面主要刻蚀的是Mo、ALN或AIN(AIScN)/Mo的复合膜层结构。
这里面展示的是LiNbO3的刻蚀，还有FBAR的Mo/ALN/Mo这样复合膜层结构的刻蚀效果。北方华创GSE C200型刻蚀机已经在著名的Foundry/IDM上线，用于滤波器的量产使用中。
在电声学领域方面，主要是麦克风和扬声器。从消费类电子，包括手机、平板电脑、笔记本电脑到智能音箱以及各种工业级的应用，麦克风以及扬声器的使用量是非常巨大的。
以iphone系列手机为例，每套手机加耳机的麦克风数量从最早的两颗逐渐增长到后期的5颗，而且对麦克风的信噪比等性能提出更高的要求。
以Vesper为代表的公司是将AIN作为压电材料使用到了压电式的麦克风当中，以Usound为代表的公司是将压电材料使用到了MEMS扬声器当中。不管是压电式的还是电容式的麦克风，除了刻蚀敏感结构以外，还要对硅基的背腔进行刻蚀串通。
我们使用北方华创HSE系列刻蚀机对硅基麦克风的背腔进行刻蚀串通，典型的刻蚀深度大于400微米。正式器件片的SOI是没有notch的，而且麦克风的敏感震动膜保持完整。
除了麦克风的背腔刻蚀，HSE系列刻蚀机可以对一系列的深硅刻蚀提供良好的工艺解决方案，包括MEMS的加速度计陀螺仪、封装领域的CIS、TSV、深槽深孔刻蚀、功率器件的DTI深槽可以调节各种侧壁角度，最高的深宽比可以达到70:1。
北方华创HSE系列刻蚀机的深硅刻蚀工艺已经经过多年的产线验证，性能稳定，完全匹配客户的要求。
在新兴材料方面，我们始终面向前沿科技，不断研发新型材料的刻蚀技术，以满足客户日益增长的需求。
最后做一个总结，在化合物半导体MEMS和功率器件方面，我们有完善的工艺装备解决方案。
在微波功率器件方面，我们的GaN低损伤刻蚀、SiC高速刻蚀、PECVD等设备在国内多条主流生产线上批量应用。
应用于SiC功率器件的ETCH、PVD、清洗机、PECVD等设备也进入了国内主流的SiC生产线。
刻蚀设备已批量销往多家生产线及科研机构，服务于MEMS及微纳制造，光通信等多个新兴领域，安装量超过50台。
深硅等离子刻蚀机突破海外市场进入海外晶圆代工厂，提供MEMS和功率IC等工艺制程解决方案。
SiC长晶炉已在客户端批量投入使用，应用于IGBT的高温AI及薄片PVD设备、深槽刻蚀设备也进入了国内主流的IGBT生产线。
最后总结：5G开启了万物智联的时代，将推动IOT、大数据、云计算、汽车电子、机器人、VR、AR等新兴领域迅速发展。芯片是相关产业发展的关键，将推动半导体产业的第三次发展浪潮。其中化合物芯片和传感器芯片将迎来发展机遇。
北方华创为GaN RF、GaN power、Sic Power、GaAs VCSEL、GaAs RF、InP、SAW/BAW/FBAR、MEMS提供最新的成套装备、工艺、技术解决方案。
北方华创愿进一步加强与芯片设计制造企业及研究机构的合作，满足新工艺技术和定制开发的需求。
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