【導(dǎo)讀】如果說(shuō)人類世界當(dāng)前面臨的最緊迫危機(jī)是如何降低二氧化碳排放量，以減緩已經(jīng)造成的災(zāi)難性環(huán)境破壞以及人口損害，那么，在當(dāng)前的地球溫室氣體排放中，交通業(yè)的“貢獻(xiàn)”最大，傳統(tǒng)上它已被視為重要的污染源。
Christophe Maleville
Soitec 創(chuàng)新部門副總裁
問(wèn)題 1：相比傳統(tǒng)的碳化硅（SiC）技術(shù)，Soitec 的 SmartSiC? 技術(shù)還較年輕，您能否介紹一下它目前發(fā)展的成熟度？
Christophe Maleville：Soitec 的 SmartSiC? 技術(shù)正在步入產(chǎn)業(yè)化階段。我們利用在 CEA-Leti （法國(guó)微電子研究實(shí)驗(yàn)室法國(guó)原子能委員會(huì)電子與信息技術(shù)實(shí)驗(yàn)室）的先進(jìn)試驗(yàn)線進(jìn)行開發(fā)與原型設(shè)計(jì)，并選擇記錄工具實(shí)現(xiàn)大批量生產(chǎn)。目前，我們關(guān)注如何降低變異性、缺陷率并提高良率，同時(shí)優(yōu)化測(cè)量取樣，以最佳的工藝流程進(jìn)入大批量生產(chǎn)階段。Soitec 在批量應(yīng)用 SmartCut? 技術(shù)方面已經(jīng)擁有 30 年的經(jīng)驗(yàn)，能夠借此加速 SmartSiC? 工藝的成熟，這是我們的優(yōu)勢(shì)。Soitec已為2023 年的生產(chǎn)做好充足的準(zhǔn)備。
問(wèn)題 2：在降低產(chǎn)品的變異性方面，SmartSiC?可以達(dá)到怎樣的水平？
Christophe Maleville：SiC 的前沿開發(fā)人員已經(jīng)完成了大量出色的工作，他們?cè)?nbsp;SiC 的晶體質(zhì)量和尺寸方面做出了重大改進(jìn)。目前，SiC 器件已經(jīng)能夠?yàn)榈缆飞先粘Ｐ旭偟碾妱?dòng)汽車提供動(dòng)力。但每個(gè) SiC 晶錠以及每個(gè)晶錠內(nèi)的每片晶圓都是不同的，這給生產(chǎn)帶來(lái)了相當(dāng)大的變數(shù)。然而，憑借 SmartCut? 工藝，每個(gè)晶圓都可以實(shí)現(xiàn)重復(fù)利用十次以上，從而降低了變異性。通過(guò)使用外延層作為供體，我堅(jiān)信我們的下一代SiC 晶圓——SmartSiC? 晶圓，將完全消除源于晶體的變異性。通過(guò)在晶層轉(zhuǎn)移之前消除基面位錯(cuò)（BPD），用于器件生產(chǎn)的每片晶圓都將相同，這將有利于大批量生產(chǎn)，與傳統(tǒng)硅技術(shù)之間的差距也將隨之縮小。
問(wèn)題 3：Soitec 能否獨(dú)領(lǐng)變革？
Christophe Maleville：這是一場(chǎng)引領(lǐng) SiC 器件性能與指標(biāo)重大進(jìn)步的革命。但我們并不是獨(dú)自前行。我們與戰(zhàn)略伙伴的合作涵蓋了方方面面，從技術(shù)研發(fā)組織、材料和設(shè)備供應(yīng)商，到領(lǐng)先的設(shè)備制造商。這為加速基于 SmartSiC? 設(shè)備的應(yīng)用和下一代產(chǎn)品的落地奠定了基礎(chǔ)。我們將于 2023 年開始第一代 SmartSiC? 晶圓的生產(chǎn)。我們的開發(fā)周期非常短，從最初的開發(fā)工作到批量生產(chǎn)僅用了四年時(shí)間，這充分展現(xiàn)了 Soitec 在行業(yè)生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)緊密合作的高效工作模式。
電動(dòng)汽車助推電力電子領(lǐng)域的創(chuàng)新
如果說(shuō)人類世界當(dāng)前面臨的最緊迫危機(jī)是如何降低二氧化碳排放量，以減緩已經(jīng)造成的災(zāi)難性環(huán)境破壞以及人口損害，那么，在當(dāng)前的地球溫室氣體排放中，交通業(yè)的“貢獻(xiàn)”最大，傳統(tǒng)上它已被視為重要的污染源。但現(xiàn)在，交通行業(yè)已經(jīng)揚(yáng)帆起航，準(zhǔn)備迎接百年一遇的重大轉(zhuǎn)型。交通生態(tài)系統(tǒng)的所有利益相關(guān)者，包括研究人員、公司、機(jī)構(gòu)和客戶，都在努力塑造更綠色的未來(lái)，而電動(dòng)汽車將是有助于減少機(jī)動(dòng)車碳排放的關(guān)鍵創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)力。
更低的成本、更長(zhǎng)的續(xù)航里程和更短的充電時(shí)間正在助推電動(dòng)汽車的應(yīng)用。傳動(dòng)系統(tǒng)的優(yōu)化是推動(dòng)電動(dòng)汽車突破當(dāng)前極限的方向，這也是一項(xiàng)密集且尖端的研發(fā)主題。由于電池提供的是直流電 (DC) ，而牽引電機(jī)只接收交流電 （AC），牽引AC/DC 逆變器的效率就成為了提高動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)能源效率的關(guān)鍵。
特斯拉在 2018 年就首次展示了碳化硅器件是動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)和車載充電器中能夠以高性能水平管理功率轉(zhuǎn)換的最佳選擇。隨著每年汽車銷售數(shù)量的不斷增長(zhǎng)（見(jiàn)圖 1），電動(dòng)汽車中 SiC 的滲透率預(yù)計(jì)也將在未來(lái)十年顯著提升，從 30% 躍升至70%。
圖 1：全球 EV 市場(chǎng)趨勢(shì)和 SiC 滲透率
根據(jù)碳化硅基器件與技術(shù)的滲透率預(yù)測(cè)，以及全球幾大主要的市場(chǎng)對(duì) EV 需求的激增，很顯然，健全有效的 SiC 供應(yīng)鏈?zhǔn)谴_保 EV 被市場(chǎng)廣泛應(yīng)用的關(guān)鍵。
電動(dòng)汽車市場(chǎng)的到來(lái)及其超乎尋常的加速發(fā)展，為電力電子市場(chǎng)中節(jié)能解決方案提供了巨大動(dòng)力。許多功率器件制造商已經(jīng)制定了相應(yīng)的戰(zhàn)略舉措，包括加大投資以提升大批量晶圓制造能力、建立垂直整合模式并進(jìn)行戰(zhàn)略收購(gòu)以鞏固其供應(yīng)鏈等。
來(lái)自客戶的助推壓力，如要求傳動(dòng)系統(tǒng)中擁有更高效率的逆變器，且能夠通過(guò) 800V 快充實(shí)現(xiàn)電池快速充電能力，使得 SiC 器件成為人們關(guān)注的焦點(diǎn)。
SiC 早在二十年前就以電力電子中硅的顛覆性替代者的角色出現(xiàn)，盡管成本更高、制造工藝更復(fù)雜，但在能量轉(zhuǎn)換方面優(yōu)勢(shì)顯著。從 25 mm 發(fā)展到今天的 200 mm 晶圓，晶圓面積的變大加上其他各方面的改進(jìn)， SiC 已成為在促進(jìn)增長(zhǎng)與提供設(shè)計(jì)機(jī)遇領(lǐng)域最具活力的市場(chǎng)之一。
EV 市場(chǎng)中的 SiC 成本效益比顯而易見(jiàn)，而汽車和工業(yè)市場(chǎng)也正是SiC前進(jìn)的目標(biāo)方向。
然而，盡管特斯拉早在 2018 年就首次推出了應(yīng)用于電動(dòng)汽車的 SiC MOSFET，但截至目前，SiC 仍然只是一種用于高端工業(yè)和其他功率轉(zhuǎn)換應(yīng)用的材料，設(shè)備制造商提供的產(chǎn)品范圍也相對(duì)狹窄。很少有專門為 EV 應(yīng)用設(shè)計(jì)的器件，而其制造良率也仍然受到現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn) SiC 晶圓缺陷率的影響。
電動(dòng)汽車牽引逆變器所需的功率水平催生了新的器件需求，即單芯片電流處理水平需高達(dá) 200A。為了達(dá)到這一電氣性能水平，SiC MOSFET 單一表面面積需要至少達(dá)到 40mm2。但在標(biāo)準(zhǔn)單晶 SiC 襯底上制造這些器件無(wú)法達(dá)到必要的良率，而且經(jīng)濟(jì)上也不可行。此外，用于制造 SiC 晶錠的 PVT 工藝固有的缺陷范圍，直到今天仍然是實(shí)現(xiàn)高良率的物理障礙。
Soitec 全球領(lǐng)先的 SmartSiC? 解決方案
Soitec 大展拳腳的時(shí)機(jī)已經(jīng)來(lái)臨。
Soitec 每年在各種產(chǎn)品線（主要面向智能手機(jī)）中銷售的 SmartCut? 晶圓超過(guò) 200 萬(wàn)片，是射頻和手機(jī)市場(chǎng)中優(yōu)化襯底的最大供應(yīng)商。
目前，Soitec 希望在汽車和工業(yè)市場(chǎng)繼續(xù)保持成功。憑借深耕 SmartCut? 工藝三十年的專業(yè)積淀，Soitec 推出了全新的顛覆性優(yōu)化襯底 SmartSiC?，為晶圓電氣性能、供應(yīng)鏈生產(chǎn)力以及器件功率密度帶來(lái)了全新解決方案。
SmartSiC? 還創(chuàng)造了器件層面與系統(tǒng)層面的顯著價(jià)值，助推了智慧移動(dòng)（eMobility）的落地應(yīng)用，并推動(dòng)了充電基礎(chǔ)設(shè)施和可再生能源行業(yè)的完善。
過(guò)去幾年間，Soitec 一直在格勒諾布爾 CEA-Leti 的襯底創(chuàng)新中心深入研究 SmartSiC? 解決方案。該方案利用了單晶 SiC 襯底的卓越物理特性，通過(guò)將其作為供體可提供十倍的重復(fù)利用率，并結(jié)合了創(chuàng)新性的高導(dǎo)電多晶襯底作為操作晶圓（handle wafer）。
SmartSiC? 晶圓可提供卓越性能：更環(huán)保、更高效、更出色
SmartSiC? 晶圓
無(wú)論是對(duì)于 150 mm晶圓還是 200 mm晶圓而言，SmartSiC? 都是一種更環(huán)保、更高效、更出色的技術(shù)解決方案，有望成為 SiC 市場(chǎng)的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)之一。
SmartSiC? 將可重復(fù)利用十次的優(yōu)質(zhì)單晶 SiC 與超高導(dǎo)電性操作晶圓相結(jié)合，與傳統(tǒng) SiC 襯底相比，這種即插即用的解決方案可以無(wú)縫集成到所有現(xiàn)存的電源生產(chǎn)線中，并表現(xiàn)出明顯的商用、環(huán)境與制造優(yōu)勢(shì)。
簡(jiǎn)單且節(jié)能的制造工藝使 SmartSiC? 的碳足跡更少，更為環(huán)保。與傳統(tǒng) SiC 相比，每片SmartSiC? 晶圓減少的碳排放量可高達(dá) 70%。
通過(guò)重復(fù)利用稀缺的 200mm 單晶供體，Soitec 能夠助力這些大尺寸襯底的快速落地應(yīng)用，賦能市場(chǎng)的增長(zhǎng)。SmartSiC? 的優(yōu)化設(shè)計(jì)所帶來(lái)的卓越生產(chǎn)良率、更高的效率和功率密度，為電力電子設(shè)備提供了更好的解決方案。相比塊狀 SiC，SmartSiC? 具有更高的導(dǎo)電性，可為功率器件（例如 MOSFET 或二極管）每平方毫米提供多達(dá) 20% 的電流。這是生成新一代功率器件的制勝秘訣。
Soitec 的 SmartSiC? 產(chǎn)品系列由 SmartSiC?-Performance 和 SmartSiC?-Advanced 襯底組成。SmartSiC?-Performance 目前處于原型開發(fā)階段，正在與 Soitec 客戶進(jìn)行驗(yàn)證。而 Soitec 的創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)正在研發(fā) SmartSiC?-Advanced 無(wú) BPD 襯底，該產(chǎn)品目前處于送樣階段。
圖 2： Soitec 獨(dú)特且專利的 SmartCut? 工藝同樣適用于 SiC 材料
在具有超高導(dǎo)電性的多晶碳化硅操作襯底之上（其 150 mm 和 200 mm 晶圓的總厚度分別為 350 μm和500 μm），SmartSiC? 襯底的優(yōu)化設(shè)計(jì)能夠提供最高水準(zhǔn)、厚度小于 1 μm的單晶 SiC 層。供體晶圓減去用于第一個(gè) SmartSiC? 晶圓的 1 μm 層之后，可重復(fù)用于第二個(gè)SmartSiC? 晶圓。以此類推，每個(gè)供體晶圓至少可用于十個(gè) SmartSiC? 晶圓。
與塊狀 SiC 中使用的物理氣相傳輸 (PVT) 相比，采用多晶碳化硅作為每個(gè) SmartSiC? 晶圓生產(chǎn)的操作晶圓則是基于更環(huán)保、用時(shí)更短的化學(xué)氣相沉積 (CVD) 工藝。Soitec 和合作伙伴共同開發(fā)的 PolySiC 具有足夠的摻雜來(lái)控制襯底的導(dǎo)電性，同時(shí)還能保持極具競(jìng)爭(zhēng)力的成本優(yōu)勢(shì)（見(jiàn)圖 3）。
圖 3：PolySiC 主要工藝步驟
經(jīng)過(guò)多年積淀，無(wú)論成熟度還是專業(yè)儲(chǔ)備，Soitec 都具備能力定義并確保晶圓幾何構(gòu)造的完美，而這恰是掌握晶圓鍵合的關(guān)鍵所在。2021 年 11 月 Soitec 收購(gòu)NovaSiC，為公司帶來(lái)超過(guò) 25 年的 SiC 晶圓生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，是Soitec 在碳化硅戰(zhàn)略路線上的又一里程碑。
截至目前，Soitec 的 SmartSiC? 已在襯底工藝和設(shè)計(jì)中達(dá)到了穩(wěn)定的高水平。經(jīng)過(guò)密集和大規(guī)模的測(cè)試與原型設(shè)計(jì)，Soitec 生產(chǎn)的晶圓為市場(chǎng)、電力設(shè)備和電力系統(tǒng)帶來(lái)的價(jià)值和益處顯著。采用 SmartSiC? 生產(chǎn)的 MOSFET 和二極管性能均獲得大幅提升，同時(shí)擁有了更為長(zhǎng)期的可靠性和更強(qiáng)的高溫穩(wěn)健性。目前，多家設(shè)備制造商已承諾加大資源投入力度，在其下一代產(chǎn)品的認(rèn)證中采用 SmartSiC?。
探秘 SmartSiC? 的研發(fā)
Soitec 最初派遣研發(fā)團(tuán)隊(duì)深入研究SmartSiC?項(xiàng)目時(shí)，目的在于將 SiC 的制造良率提高到全球公認(rèn)的硅基功率器件標(biāo)準(zhǔn)水平。
SmartCut? 工藝可以保持來(lái)料供體晶圓的晶體質(zhì)量。如圖 4 所示，在供體和 SmartSiC? 表面的相同位置可以觀察到KOH（氫氧化鉀）蝕刻晶體產(chǎn)生的缺陷。
圖 4：晶體缺陷表征、KOH 蝕刻和光學(xué)顯微鏡觀察結(jié)果；單晶 SiC 供體（左）和 SmartSiC?（右）點(diǎn)對(duì)點(diǎn)比對(duì)
為降低缺陷水平，Soitec 探索并采用了一種新的概念，即在已去除基面位錯(cuò) (BPD) 的供體上采用 Smart Cut? 工藝。
利用單晶 SiC 晶圓獨(dú)特的生長(zhǎng)特性，無(wú)BPD的供體能夠?qū)o(wú)BPD 層轉(zhuǎn)移到多晶 SiC 操作晶圓上。這種新型優(yōu)化襯底稱為SmartSiC?-Advanced。SmartSiC?-Advanced 襯底的 BPD 密度值如圖 5 所示。
襯底 | 標(biāo)準(zhǔn)4H-mSiC | SmartSiC?-Advanced |
BPD 密度(/cm2) | ~ 500 | < 0.1 |
圖 5：供體 SmartSiC?-Advanced 襯底中的 BPD 缺陷密度
具備無(wú) BPD頂層的SmartSiC?-Advanced 襯底因此成為漂移外延環(huán)節(jié)的優(yōu)質(zhì)晶種層。
這明顯降低了致命缺陷的潛在成核位置密度，同時(shí)擴(kuò)大了外延工藝窗口并簡(jiǎn)化了外延堆棧，而且無(wú)需轉(zhuǎn)換緩沖層。
良率模擬和實(shí)驗(yàn)表明，這些改進(jìn)將引入的外延生長(zhǎng)致命缺陷密度降低了 10 倍，并且將大于 20 平方毫米的器件生產(chǎn)良率提高到 20% 以上。在器件可靠性方面，無(wú)基面位錯(cuò)層不僅可以防止位錯(cuò)滑動(dòng)，還能消除器件中的雙極退化。Soitec 的下一代SmartSiC?-Advanced 襯底消除了 SiC 晶圓中的 BPD，對(duì)整個(gè) SiC 行業(yè)而言，有望將 SiC 器件制造良率提升至 90%。
而且，SmartSiC? 中采用的多晶 SiC 操作襯底具有高摻雜水平，這使 SiC 功率器件（二極管或MOSFET）背面的歐姆接觸層更易制成。
Soitec 的最新研究證明，無(wú)需退火的歐姆接觸工藝可在SmartSiC? 襯底上輕松執(zhí)行，且長(zhǎng)遠(yuǎn)芯片組裝的可靠性不會(huì)因此受到影響。
Soitec 150 mm 的SmartSiC?-Advanced 產(chǎn)品已經(jīng)開始送樣。其原型襯底正接受主要客戶的檢驗(yàn)，并可根據(jù)需求向其他客戶彈性交付。更多數(shù)據(jù)已于 ICSCRM 2022 國(guó)際會(huì)議（2022 年碳化硅及相關(guān)材料國(guó)際會(huì)議）上進(jìn)行公布。
SmartSiC? 晶圓廠的啟動(dòng)與擴(kuò)產(chǎn)
圖 6：位于法國(guó)的新工廠貝寧 4 廠
大批量生產(chǎn)是 Soitec 的下一步目標(biāo)舉措。Soitec 用于 SmartSiC? 大規(guī)模生產(chǎn)的新工廠 Bernin 4 已于 2022 年 3 月破土動(dòng)工，開工日期定為 2023 年年中（如圖 6 所示）。憑借最先進(jìn)的設(shè)備設(shè)施，Soitec 將在 2024 年實(shí)現(xiàn) SmartSiC? 的產(chǎn)能提升；到 2030 年，SmartSiC? 晶圓總產(chǎn)能（包括 150mm 和 200mm）將達(dá)到 100 萬(wàn)片/年。其中大部分為 200mm 晶圓，這得益于 Soitec 的兩項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)：
圖7： 150 mm 和 200 mm 規(guī)格的 SmartSiC 晶圓
經(jīng)過(guò)數(shù)十年的發(fā)展，晶圓的尺寸面積不斷擴(kuò)大，SmartCut? 工藝的效益規(guī)模也呈現(xiàn)出指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)，而200 mm規(guī)格的晶圓變得愈發(fā)重要。
200 mm SmartSiC? 晶圓所具備的10倍重復(fù)利用率，將成倍優(yōu)化資源利用率，緩解供應(yīng)鏈壓力，并加速汽車和工業(yè)市場(chǎng)中高質(zhì)量晶圓的高效生產(chǎn)與應(yīng)用。
隨著多個(gè)合作伙伴對(duì) SmartSiC?-Performance 產(chǎn)品原型的認(rèn)可（如圖 7所示），2022 年的產(chǎn)品認(rèn)證正處于緊鑼密鼓地?cái)U(kuò)大范圍并加速推進(jìn)中。
SmartSiC? 晶圓正成為新的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)
電動(dòng)汽車正在經(jīng)歷百年一遇的變革，市場(chǎng)上的創(chuàng)新成果不斷涌現(xiàn)。上一次交通業(yè)變革發(fā)生在二十世紀(jì) 90 年代左右，人類用了 15 年時(shí)間從馬車交通時(shí)代轉(zhuǎn)進(jìn)入機(jī)械交通時(shí)代；而鑒于 CO2 減排和減緩全球變暖的迫切需要，從汽油車時(shí)代進(jìn)入電動(dòng)車時(shí)代的轉(zhuǎn)變應(yīng)該會(huì)更快。
自 2018 年特斯拉引入 SiC 并開創(chuàng)電動(dòng)汽車市場(chǎng)以來(lái)，這項(xiàng)技術(shù)已被大多數(shù)汽車制造商采納。然而，SiC 還需要克服在電氣性能、產(chǎn)能、成本和良率方面的眾多障礙，才能在電動(dòng)汽車領(lǐng)域獨(dú)占鰲頭。
Soitec 成功預(yù)見(jiàn)了上述挑戰(zhàn)以及電動(dòng)汽車行業(yè)蓬勃發(fā)展的勢(shì)頭。我們推出的 SmartSiC? 是具有更高附加值的單晶 SiC 襯底替代品，能夠?yàn)楦咝实碾娫刺峁└h(huán)保、更高效、更出色的解決方案。
由于單晶 SiC 供體晶圓可重復(fù)使用 10 次，并且低 RDSON 功率器件的電導(dǎo)率提高了 10 倍，SmartSiC? 已能夠?qū)崿F(xiàn)大批量生產(chǎn)，并有望成為行業(yè)新標(biāo)準(zhǔn)。
Soitec 汽車與工業(yè)部門副總裁 Emmanuel Sabonnadiere 表示：“我們的 SmartSiC? 襯底將成為加速電動(dòng)汽車變革的關(guān)鍵，可幫助電力電子設(shè)備的能效與性能提升至新高度，賦能電動(dòng)汽車的發(fā)展。”
圖 8：SmartSiC? 產(chǎn)業(yè)化藍(lán)圖
Soitec 的創(chuàng)新將助力提升資源利用及能效，助推經(jīng)濟(jì)發(fā)展和賦能商業(yè)成功。我們的創(chuàng)新成果正在推動(dòng)眾多行業(yè)和生態(tài)系統(tǒng)的發(fā)展，而半導(dǎo)體及其基礎(chǔ)襯底的戰(zhàn)略地位正是他們所一致認(rèn)可的。
Soitec 的創(chuàng)新土壤孕育著美好未來(lái)！
注：Soitec 的四篇科學(xué)出版物已于 ICSCRM 2022 上正式發(fā)布。
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