PVA推出PVT长晶设备，助力SiC衬底企业降本提效

有目共睹，碳化硅（SiC）半导体这几年的发展速度几乎超出了所有人意料。
 
在刚经历的半导体行业的周期性“寒冬”之下，消费电子需求疲软、存储芯片腰斩，各企业相继通过减产、缩减投资等方式应对危机。而SiC市场的建厂扩产热潮却愈演愈烈。
 
据Yole预测，2025年全球碳化硅功率半导体市场规模将达到25.62亿美元，2019-2025年均复合增长率超过30%，成长空间巨大。
 
作为第三代半导体材料，SiC相较于硅材料，具有大禁带宽度、高击穿电场、高饱和电子漂移速度、高热导率、高抗辐射等特点，适合制造高温、高压、高频、大功率的器件。
 
当前从光伏到新能源汽车，SiC下游市场需求旺盛，特别是随着电动汽车和新能源需求的持续增长，对SiC材料的需求呈现出井喷式增长的态势。国产SiC正在从产业化向商业化加速迈进。
 
从产业链来看，SiC产业链条较长，涉及衬底、外延、器件设计、制造和封测等一系列环节，各环节专业性要求较强，同时对技术和资本投入的要求也很高。其中，碳化硅衬底的价值量最大，占比达47%，成为决定碳化硅器件品质的关键。
 
在此背景和趋势下，设备厂商或将最先受益，由于碳化硅的扩建扩产，相关设备市场皆呈现供不应求的状态。据Insemi预计，2025年碳化硅衬底规划产能达636.2万片，对应约200亿的设备总市场空间。
 

• PVA推出首款碳化硅晶体生长设备

 
据了解，碳化硅衬底制备目前主要以高纯碳粉、硅粉为原料合成碳化硅粉，采用物理气相传输法（PVT法），在单晶炉中生长成为晶体，随后碳化硅晶体经过切片、研磨、抛光、清洗等步骤制成单晶薄片作为衬底。
 
碳化硅晶体的制备有两大难点，一方面是碳化硅晶棒生长速度慢，约2cm的晶棒就需要7-10天的生长时间；另一方面，碳化硅晶体生长对各种参数要求高，需要精确控制硅碳比、生长温度梯度等参数，并且生长过程很难监控，对工艺要求非常高。
 
诸多严苛要求下，对碳化硅晶体生长设备在内的关键设备提出了越来越高的要求和技术挑战。
 
对此，德国企业PVA TePla在2024年SENICON China展会期间，召开媒体沟通会，介绍了PVA首款国产碳化硅晶体生长设备与多款全类型长晶工艺设备，共同探讨碳化硅市场前景与未来发展。
 
据PVA TePla集团半导体业务中国区负责人谢秀红介绍，PVA公司已经制造了将近20年的设备，包含直拉炉、区熔炉、VGF系统以及PVT 系统。
 
而本次针对SiC市场，PVA的技术在SiC领域的应用首先是晶体生长、测试测量、提纯和涂层等。
 
谢秀红表示，由于SiC材料具备高硬度、高熔点、高密度等特性，在材料和芯片制备过程中，存在一些制造工艺的特殊性，PVT法长晶是整个工艺流程效率的关键因素。
 
PVT方法主要是将高纯的SiC粉末在高温和极低真空下进行加热升华，在顶部籽晶上凝结成固定取向晶格结构的单晶，这种方法目前发展较为成熟，但生产较为缓慢，产能有限。
 
采用PTV法生长碳化硅晶体的设备为长晶炉，该设备在保证满足设计技术要求基础上，还要注意到长晶炉部件在碳化硅晶体生长中经历的苛刻条件。长晶炉加工制作工艺的精密要求，即要求反应室及炉体具有优异的密封性和隔热性等等。正是这些原因，致使长晶炉的结构和设计变得极其复杂。
 
而PVA在此已有多年的丰富经验，据悉，在2007年PVA就跟客户一起研制了HTCVD化学气相沉积法设备；2012年意识到第三代半导体市场将会爆发，把HTCVD简化成PVT工艺，也就是现在业内都在用的PVT设备，供给北欧的客户使用。这一工艺革新保留了碳化硅生长晶体的一些技术属性和工艺经验，简化了很多不必要的化学危险的安全设计，使得整体设备更加轻巧简洁，具有成本优势，适合工业化生产和下端客户的应用。
 

 
得益于PVA公司的PVT法设备，客户成功批量生产了全球领先的8英寸碳化硅衬底材料，取得市场领先地位。
 
在此基础上，随着中国电动汽车以及大基建、5G通信、高铁等多行业的蓬勃发展，在高电流、高电压领域的需求不断增大，PVA为了配合中国市场和客户的需求，鞥好的服务中国市场，决定在中国采用一些中国元素和德国设计，保证以德国的高品质在中国本土生产顺应中国市场的碳化硅晶体成长设备——SiCN。谢秀红强调，CN也代表中国，这是为中国市场提供的关键设备，现在已经在最后的调试阶段，预计今年Q2即将面世。
 

 
据介绍，该SiCN设备具有整机设计优势，采用模组化设计理念，可兼容多种尺寸；经过实操认证的低功耗线圈设计；完善的安全设计通过多重软件和硬件的安全互锁；占地面积小，布局紧凑；移动式装卸物料车的设计等，来保证未来工艺的一致性。
 
谢秀红表示：“我们的理念是符合工业化大规模生产的要求。因此，设备的一致性至关重要。”
 

• 优秀的工艺匹配性，客户可以在PVA设备上使用原有自身工艺，无需进行大幅改动
• 设备同一标准，多台设备使用时，卓越的设备一致性和稳定性
• 适合规模化生产的自动化控制系统
• 集中管理软件解决方案

 
此外，结合PVA的布局排放、控制软件界面、工艺菜单、“章鱼”集中管理软件、远程服务系统等多重举措，都致力于保证每一台设备工艺的一致性和易操作性。
 
在一系列优势背后，离不开PVA多年以来在晶体生长过程中积攒的经验和技术积累。同时，“德国设计，中国制造”的“四化”要求，即技术团队本地化，服务制造国产化、供应链全球化、质量标准一致化，也是其保证整体技术水平领先性的关键。
 
据PVA西安普发半导体技术总监王觅表示，这台设备的零部件 来自于本土供应商，尤其是机械部件的比例已经超过了80%，我们现在也在进一步进行控制或者是电子元件的国产化的询价、选型和替代，我们希望最终的比例整体会达到80%。
 

• 国产化趋势下，PVA如何看待竞争挑战？

 
众所周知，在过去很长一段时间来，包括碳化硅长晶设备在内的这些关键设备都严重依赖进口。近年来，在市场需求的拉动下，国产碳化硅设备发展迅速，设备的国产化有利于推动碳化硅成本的下降，提高国内企业的市场竞争力，加速追赶上国际先进水平
 
面对国内“友商”的竞争势头，谢秀红表示，我们很高兴看到本土设备供应商的技术进步，其实我们也是跟他们一起成长，也跟客户一起成长。
 
面对竞争，PVA拥有很多优势。一方面，跨领域设备制造的经验，是PVA一些独有的技术诀窍，会把在其他晶体行业所应用的经验或设计应用到碳化硅设备中来。相比于一些本土设备厂商，PVA的业务是比较宽泛的，覆盖领域更广，基本上全品类设备都可以生产，可借鉴的经验应该会更多一些。
 
另一方面，中国市场对PVA来说既是机遇，也是挑战。
 
她指出，“我们一开始在中国面临的最大劣势就是价格。对于材料研发领域提出来的要求，我们的设备基本上都是可以做到的，但是单一设备的价格没有优势。我们更多是注重全生命周期的成本，尤其是高价值、高品质的前沿设备。”
 
而之所以来到中国，源于中国市场和配套产业链发展十分迅速。从PVA已经深耕中国20多年的布局来看，进入中国以来，中国市场一直是集团非常重要的单一市场，基本上最近几年它的单一市场销售额为集团整体营收做出重要贡献。
 
尤其是在碳化硅领域，中国正在经历新一轮的发展浪潮。在此机遇下，PVA觉得现在扎根中国市场，一定会有收获，也一定能够助力中国半导体产业的快速发展。
 
而PVA本次在华打造的首款国产碳化硅晶体生长设备“SiCN”，旨在帮助公司更好的满足本土化需求，为中国市场提供成熟稳定的工艺设备，进一步帮助合作伙伴提升市场竞争力。
 
为了坚定服务中国市场的决心，PVA已经在中国建立了生产基地、演示中心、供应链中心与本土化配套服务。据了解，针对大中华区，PVA在北京、西安和台湾都有分支机构，北京主要是负责工业系统中国业务的售前和售后，西安主要是负责半导体板块的中国业务，旨在将高端设备国产化，以更好地助力中国半导体产业提升和发展，特别是碳化硅晶体和大尺寸单晶硅片的生产。
 
同时，为了贴合本土市场需求，PVA集团也在进一步完善本地团队技术服务，加强与下游合作伙伴的研发合作，并且提供更加专业化、定制化的本地支持，帮助合作伙伴更加便捷、快速的实现大规模生产能力。
 
谢秀红表示，中国已成为全球第三代半导体产业链中碳化硅衬底织造的重要基地，PVA在晶体生长设备设计和制造领域积累了丰富的经验，未来将持续致力于加强本土化供应链建设，助力中国半导体产业高质量发展。
 

• 整合并购，PVA关键优势所在

 
自1991年成立以来，PVA公司发展30多年的历史，已经掌握了几乎所有工业领域应用的各种晶体生长的模式，无论是区熔法、直拉法、垂直梯度法，还是化学气相沉积法以及PVT法，拥有了完备的晶体生长、计量科学和等离子处理领域提供先进系统和解决方案。基于广泛的产品组合，PVA产品已相继成功打入行业大厂供应链，成为不可或缺的关键设备。
 
之所以能够取得如此快速的进展，与这些年来的整合并购不无关系。
 
谢秀红表示，PVA在成长过程中通过不停地收购跟材料相关的成熟企业和先进技术，实现了如今的核心竞争力和市场规模。我们在收购过程中注重跟现有的产品谱系互补，围绕核心业务查漏补缺；并且我们通过与市场和客户的沟通，形成协同效应，在国际市场也有非常积极的进展。
 

 
基于这样的收购策略，以及在这个过程中对于经验技术的高效吸收和整合，让PVA得以在整体半导体产业链中多板块提供设备的同时，也能够追求非常极致的质量和安全标准，并且对系统的自动化、标准化都是有独到的理解和技术诀窍。
 
当前，PVA重点进行碳化硅晶体生长工艺的研发，配合碳化硅未来高良品率的需求。未来，将凭借跨学科的研发优势，聚焦下一代半导体材料的研发，开发新的应用场景，为半导体产业发展贡献新力量。