助推電動(dòng)汽車發(fā)展的新動(dòng)力：Soitec 的 SmartSiC?

問題 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 （法國微電子研究實(shí)驗(yàn)室法國原子能委員會(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)?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，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（見圖 1），電動(dòng)汽車中 SiC 的滲透率預(yù)計(jì)也將在未來十年顯著提升，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)略收購以鞏固其供應(yīng)鏈等。

來自客戶的助推壓力，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 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，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 200 萬片，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

無論是對(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。SmartSiC? 的優(yōu)化設(shè)計(jì)所帶來的卓越生產(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 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)（見圖 3）。

圖 3：PolySiC 主要工藝步驟

經(jīng)過多年積淀，無論成熟度還是專業(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NovaSiC，為公司帶來超過 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)特的生長特性，無BPD的供體能夠?qū)oBPD 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。

圖 5：供體 SmartSiC?-Advanced 襯底中的 BPD 缺陷密度

具備無 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，無需退火的歐姆接觸工藝可在SmartSiC? 襯底上輕松執(zhí)行，且長遠(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 國際會(huì)議（2022 年碳化硅及相關(guān)材料國際會(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，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，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！

責(zé)任編輯：彭菁