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第三代半導(dǎo)體：國內(nèi)碳化硅產(chǎn)能增長迅速，8英寸碳化硅時(shí)代在望。
半導(dǎo)體材料是現(xiàn)代科技的基石，經(jīng)歷了從硅（Si）到砷化鎵（GaAs）、磷化銦（InP），再到碳化硅（SiC）的三次重大發(fā)展。這些材料各自具有獨(dú)特的物理和化學(xué)特性，推動(dòng)了精密科技的飛躍發(fā)展。
第一代半導(dǎo)體材料即是以硅和鍺等元素為代表的單質(zhì)半導(dǎo)體材料，它的發(fā)現(xiàn)直接推動(dòng)了人類通信、航空光伏技術(shù)的發(fā)展。自20世紀(jì)中葉以來，硅基半導(dǎo)體在集成電路、微處理器和各種電子設(shè)備中的應(yīng)用無處不在。硅（Si），作為第一代半導(dǎo)體材料，帶隙適中，以其穩(wěn)定性、成熟工藝和低成本占據(jù)了主導(dǎo)地位，硅基半導(dǎo)體材料今日依然是產(chǎn)量最大、應(yīng)用最廣的半導(dǎo)體材料，90%以上的半導(dǎo)體產(chǎn)品是用硅基材料制作的。
第二代半導(dǎo)體材料以砷化鎵（GaAs）、磷化銦（InP）為代表的化合物半導(dǎo)體，相對硅基器件具有高頻、高速的光電性能，被廣泛應(yīng)用于光電子和微電子領(lǐng)域，是制作發(fā)光二極管的關(guān)鍵襯底。
相對于硅基半導(dǎo)體材料，第二代半導(dǎo)體材料（即：單質(zhì)半導(dǎo)體VS化合物半導(dǎo)體）在性質(zhì)上有兩大區(qū)別：
1、電子遷移率快，可適用于高頻傳輸，因此在無線電通訊，如手機(jī)、基地臺(tái)、無線區(qū)域網(wǎng)絡(luò)、衛(wèi)星通訊、衛(wèi)星定位等皆有應(yīng)用；
2、具有直接帶隙，可適用發(fā)光領(lǐng)域，如發(fā)光二極管（LED）、激光二極管（LD）、光接收器（PIN）及太陽能電池等產(chǎn)品?？捎糜谥圃斐咚偌呻娐?、微波器件、激光器、光電以及抗輻射、耐高溫等器件，對國防、航天和高技術(shù)研究具有重要意義。
第二代半導(dǎo)體是高性能微波、毫米波器件及發(fā)光器件的理想材料，廣泛應(yīng)用于衛(wèi)星通訊、移動(dòng)通訊、光通信和GPS導(dǎo)航等領(lǐng)域。然而，由于Ga和In的地殼含量極低，這兩種材料資源稀缺，價(jià)格昂貴。
第三代半導(dǎo)體材料以碳化硅（SiC）和氮化鎵（GaN）為代表的寬禁帶半導(dǎo)體材料。（寬禁帶（Wide Band Gap，WBG）是指半導(dǎo)體材料具有的較大能帶間隙。在固態(tài)物理學(xué)中，禁帶寬度是指價(jià)帶頂部和導(dǎo)帶底部之間的能量差。禁帶寬度的大小直接影響材料的電子特性和物理行為。）第三代半導(dǎo)體材料具有更寬的禁帶寬度、更高的導(dǎo)熱率、更高的抗輻射能力、更大的電子飽和漂移速率，同時(shí)具有電能消耗較少的優(yōu)勢?？梢詫?shí)現(xiàn)更好的電子濃度和運(yùn)動(dòng)控制，更適合于制作高溫、高頻、抗輻射及大功率電子器件，在光電子和微電子領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用價(jià)值。目前，市場火熱的5G基站、新能源汽車和快充等都是第三代半導(dǎo)體的重要應(yīng)用領(lǐng)域。
圖：第一代、第二代、第三代半導(dǎo)體材料的主要應(yīng)用與性能特點(diǎn)
這三種材料的發(fā)展反映了半導(dǎo)體技術(shù)的進(jìn)步和多樣化需求。硅基半導(dǎo)體將繼續(xù)在消費(fèi)電子和計(jì)算領(lǐng)域發(fā)揮重要作用，砷化鎵將在特定的高性能光電子應(yīng)用中保持其地位，而碳化硅則有望在未來的能源和通信技術(shù)中占據(jù)主導(dǎo)地位。
據(jù)《碳化硅產(chǎn)業(yè)調(diào)研白皮書》信息，當(dāng)前中國的碳化硅產(chǎn)業(yè)鏈，已經(jīng)相當(dāng)完善，并且涵蓋了從原材料到最終產(chǎn)品應(yīng)用的多個(gè)環(huán)節(jié)，在碳化硅產(chǎn)業(yè)上所涉及的環(huán)節(jié)包括襯底、外延、設(shè)計(jì)、制造、封測、器件、模組等環(huán)節(jié)。
SiC襯底：襯底是碳化硅產(chǎn)業(yè)中最重要的環(huán)節(jié)，價(jià)值量占比接近50%。沒有SiC襯底，就造不出SiC器件，所以襯底是最基本的材料基礎(chǔ)。
圖：碳化硅襯底生產(chǎn)流程
近年來，6英寸碳化硅（SiC）襯底產(chǎn)品在國內(nèi)市場實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)，據(jù)《中國6英寸SiC襯底市場研究報(bào)告》顯示，截至2023年，中國6英寸SiC襯底的折合銷量已超過100萬片，占全球產(chǎn)能的42%，預(yù)計(jì)到2026年將達(dá)到50%左右。然而，隨著產(chǎn)能的迅速擴(kuò)張，6英寸碳化硅襯底市場出現(xiàn)了價(jià)格競爭，國內(nèi)價(jià)格與國際市場的差距擴(kuò)大至30%左右。
相較于6英寸碳化硅，8英寸碳化硅具有更高的性能優(yōu)勢。首先，在材料利用率方面，8英寸晶圓的面積是6英寸晶圓的1.78倍，這意味著在相同的原材料消耗下，8英寸晶圓可以產(chǎn)出更多的器件，從而降低了單位成本。其次，8英寸碳化硅襯底的載流子遷移率更高，導(dǎo)電性能更好，有助于提高器件的整體性能。此外，8英寸碳化硅襯底的機(jī)械強(qiáng)度和熱導(dǎo)率也優(yōu)于6英寸襯底，有利于提高器件的可靠性和散熱性能。
SiC外延：外延環(huán)節(jié)，在SiC制備過程中的價(jià)值量占比接近1/4，是從材料到SiC器件制備過程中不可缺少的環(huán)節(jié)。
外延層的制備，主要是在SiC襯底基礎(chǔ)上生長出一層單晶薄膜，再用以制造出所需的電力電子器件。目前外延層的制造，最主流方法是化學(xué)氣相沉積法（CVD法），利用氣態(tài)的先驅(qū)反應(yīng)物，通過原子、分子間化學(xué)反應(yīng)的途徑生成固態(tài)薄膜的技術(shù)。8英寸碳化硅襯底的制備技術(shù)難度較大，目前全球范圍內(nèi)能夠?qū)崿F(xiàn)量產(chǎn)的廠商仍然有限。2023年，全球大約有12個(gè)與8英寸晶圓相關(guān)的擴(kuò)產(chǎn)項(xiàng)目，8英寸SiC襯底和外延片已經(jīng)開始出貨，晶圓制造端的產(chǎn)能也開始逐漸加速落地。
盡管8英寸碳化硅產(chǎn)線在整個(gè)市場中占比不高，但其發(fā)展勢頭強(qiáng)勁，國產(chǎn)碳化硅外延設(shè)備市場份額呈現(xiàn)穩(wěn)步上升態(tài)勢。
在2021年及之前，國際廠商的碳化硅外延設(shè)備在國內(nèi)市場占據(jù)主導(dǎo)地位。然而，隨著國內(nèi)技術(shù)的不斷突破與創(chuàng)新，至2022年，國產(chǎn)設(shè)備與國外設(shè)備在市場占比上已實(shí)現(xiàn)平分秋色，展現(xiàn)出強(qiáng)勁的市場競爭力。國內(nèi)首家開啟8英寸SiC制造的晶圓廠已宣布8英寸SiC工程批順利下線，以外延環(huán)節(jié)為例，在去年頭部企業(yè)瀚天天成就已對外宣布公司實(shí)現(xiàn)8英寸外延技術(shù)的突破，已具備量產(chǎn)能力；東莞天域也在去年發(fā)布了8英寸的樣片，宣布2025年首條8英寸外延產(chǎn)線投產(chǎn)。這一成績不僅驗(yàn)證了國產(chǎn)設(shè)備的技術(shù)實(shí)力和市場認(rèn)可度，更為未來幾年第三代半導(dǎo)體商用步伐提速奠定了堅(jiān)實(shí)的設(shè)備基礎(chǔ)，8 英寸碳化硅時(shí)代在望。
碳化硅襯底缺陷檢測
碳化硅，以其高硬度和強(qiáng)化學(xué)惰性的特質(zhì)，給自身襯底的加工過程（包含切片、減薄、研磨、拋光與清洗等關(guān)鍵步驟）帶來了一系列挑戰(zhàn)。在制備過程中，加工損耗、損傷頻繁出現(xiàn)、效率難以提升等問題接踵而至，并且對后續(xù)外延層的質(zhì)量以及器件的性能產(chǎn)生著深遠(yuǎn)而嚴(yán)峻的影響，因此，對碳化硅襯底的缺陷識(shí)別與檢測意義重大，常見的缺陷有：表面劃痕、凸起、凹坑等缺陷。
圖：SiC襯底晶圓加工過程中裂紋的產(chǎn)生
碳化硅外延片缺陷檢測
在產(chǎn)業(yè)鏈中，碳化硅外延片處于碳化硅襯底和碳化硅器件之間，主要通過化學(xué)氣相沉積法進(jìn)行生長。由于碳化硅特殊性，其缺陷類型也不同于其他晶體，主要有滴落物（downfall）、三角形（triangle）缺陷、胡蘿卜（carrot）缺陷、長三角形（large triangle）缺陷、臺(tái)階聚集（step bunching）等，這些缺陷都會(huì)對后端器件的電學(xué)性能造成影響，比如使器件提前擊穿，產(chǎn)生較大的漏電流等。
圖：滴落物（downfall）缺陷
圖：三角形（triangle）缺陷
圖：胡蘿卜（carrot）缺陷
圖：長三角（large triangle）缺陷
圖：表面臺(tái)階聚集（step bunching）
在碳化硅襯底與外延片檢測等相關(guān)領(lǐng)域的研究中，慕藤光憑借自身專業(yè)領(lǐng)域的深厚積淀，創(chuàng)新性地給出了別具一格的解題路徑。專業(yè)光學(xué)成像系統(tǒng)解決方案貫穿于半導(dǎo)體制造的全流程，能夠依據(jù)自動(dòng)對焦、自動(dòng)跟焦的技術(shù)及圖像算法，精確地獲取圖像數(shù)據(jù)，精準(zhǔn)無誤地識(shí)別并鎖定缺陷所在，大幅提高了產(chǎn)品良率，為半導(dǎo)體制造領(lǐng)域的發(fā)展增添了強(qiáng)勁的動(dòng)力。
SR超分辨率變倍系列，提供更高分辨率，最大變倍比可達(dá)到192：1， 對傳感器最大可兼容至Φ44，最大NA值提升至0.32，兼容靶 面更大，更大視野范圍，提升鏡頭進(jìn)光量，成像效果更優(yōu)無論是視場的邊緣區(qū)域還是中心區(qū)域，都能提供高質(zhì)量圖像，為定位、識(shí)別、測量、檢測等項(xiàng)目上提供更精準(zhǔn)視覺成像效果。
圖：慕藤光SR超分辨率變倍
線激光對焦傳感器，則可以實(shí)時(shí)對被測物體進(jìn)行對焦清晰度監(jiān)測并反饋信息，實(shí)時(shí)跟焦，400ms內(nèi)快速響應(yīng)調(diào)整焦距，且高速對焦下實(shí)時(shí)保持高對焦清晰度，視野中心與焦點(diǎn)同軸無偏移。此外，還可以分段測量，更大的焦點(diǎn)標(biāo)記范圍，解決以往單點(diǎn)對焦過程中遇到坑洼狀況時(shí)不能對焦的場景。
圖：慕藤光線激光對焦傳感器
圖像對焦傳感器MIAF-400目前已升級(jí)到第四代，在原有的基礎(chǔ)上各性能都有所提升。是一款具有高速對焦和高精度對焦能力的自動(dòng)光學(xué)檢測裝置，對焦時(shí)間精確小于0.2s，對焦精度高達(dá)±0.5μm（10X物鏡），對焦范圍可達(dá)300μm以上，結(jié)合自研專利圖像算法，可自主調(diào)節(jié)對焦范圍，精度與速度均顯著優(yōu)于同類型的傳感器。
圖：慕藤光圖像對焦傳感器
以上三款產(chǎn)品在半導(dǎo)體領(lǐng)域應(yīng)用十分廣泛，慕藤光專注AOI檢測，其功能還可覆蓋到例如外觀缺陷、尺寸大小、間隔定位、識(shí)別校準(zhǔn)等方面。具體包括晶圓分選機(jī)的視覺定位、高精密度晶圓探針臺(tái)定位、Hybrid Bonding混合鍵合工藝中的視覺定位、SMT產(chǎn)品的外觀檢測、晶圓表面檢測等。慕藤光始終致力于通過先進(jìn)的光學(xué)成像技術(shù)，為半導(dǎo)體行業(yè)提供卓越的檢測解決方案，助力客戶提升產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率。
半導(dǎo)體行業(yè)的道路并非坦途，從最初的代工模仿，到如今的自主研發(fā)與創(chuàng)新，國產(chǎn)芯片行業(yè)在困境中崛起，在挑戰(zhàn)中前行。這一過程中，既有企業(yè)的興衰沉浮，也有國家政策的引導(dǎo)與支持，更有無數(shù)科技工作者的辛勤付出與智慧結(jié)晶。一直以來，慕藤光致力于踐行自己的使命：構(gòu)建微觀世界之美，不斷深耕研發(fā)能力，汲取客戶需求與困難，助力國產(chǎn)設(shè)備在激蕩的國際市場環(huán)境中競逐不敗之地。未來，我們定能在微觀世界中創(chuàng)造更多奇跡，讓國產(chǎn)半導(dǎo)體之光閃耀全球！
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