芯片外延技术：半导体制造的“隐形基石”

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芯片外延技术：半导体制造的“隐形基石”‌一、外延层是什么？‌

芯片外延（Epitaxy）是指在单晶衬底上生长一层高质量单晶薄膜的工艺，这层薄膜称为“外延层”。外延层与衬底可以是相同材料（同质外延）或不同材料（异质外延），其晶体结构严格遵循衬底晶格排列‌。例如，碳化硅（SiC）外延晶片通常以SiC衬底为基础，通过化学气相沉积（CVD）等工艺生成特定厚度的外延层‌。

‌二、为什么需要外延层？‌

• ‌提升器件性能‌：外延层可优化材料的电学特性（如击穿电压、电子迁移率），满足高频、高功率器件需求。例如，SiC外延层在新能源汽车、5G通信等领域能显著提高芯片效率和耐压能力‌。
• ‌降低缺陷影响‌：第三代半导体（如SiC、GaN）衬底缺陷较多，外延层可在缺陷较少的区域生长，减少器件失效风险‌。
• ‌成本与工艺平衡‌：通过外延技术，可在低成本衬底上生长高性能材料层，例如在硅衬底上外延GaN以实现高性价比器件‌。
  

‌三、外延技术的关键流程‌

以硅外延为例，典型流程包括：

• ‌衬底准备‌：对硅片进行清洗和表面处理，确保无污染。
• ‌气相沉积‌：使用硅源（如SiH₄、SiCl₄）与氢气反应，在高温下生成单晶硅外延层，同时通过掺杂（如磷、硼）调控电学特性‌。
• ‌质量控制‌：实时监测生长速率（受温度、气体流速影响）和缺陷密度，确保外延层均匀性‌。
  

‌四、行业动态与挑战‌

• ‌技术突破‌：中国厂商瀚天天成近期完成8英寸碳化硅外延晶片厂房建设，预计2025年3月启动量产，此举将大幅降低SiC芯片成本并推动国产化进程‌。
• ‌产业链协作压力‌：英伟达与台积电因AI芯片（如Blackwell系列）的封装良率问题产生摩擦，凸显外延及封装环节对高性能芯片量产的重要性‌。
• ‌第三代半导体竞争‌：SiC、GaN外延技术成为全球焦点，国内企业正加速布局，但面临衬底质量、工艺稳定性等瓶颈‌。
  

‌五、未来趋势‌

• ‌大尺寸化‌：8英寸及以上外延晶片逐步取代6英寸，提升生产效率（如瀚天天成8英寸产线）‌。
• ‌异质集成‌：通过外延实现不同材料（如Si基GaN）的集成，拓展芯片功能‌。
• ‌智能化工艺‌：AI辅助外延生长参数优化，减少人工调试成本‌。
  

芯片外延虽非终端产品的“主角”，却是半导体性能跃迁的核心环节。随着第三代半导体需求激增，外延技术的创新将成为全球产业竞争的关键赛道‌。