【導讀】如果說(shuō)人類(lèi)世界當前面臨的最緊迫危機是如何降低二氧化碳排放量，以減緩已經(jīng)造成的災難性環(huán)境破壞以及人口損害，那么，在當前的地球溫室氣體排放中，交通業(yè)的“貢獻”最大，傳統上它已被視為重要的污染源。
Christophe Maleville
Soitec 創(chuàng )新部門(mén)副總裁
問(wèn)題 1：相比傳統的碳化硅（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)驗室法國原子能委員會(huì )電子與信息技術(shù)實(shí)驗室）的先進(jìn)試驗線(xiàn)進(jìn)行開(kāi)發(fā)與原型設計，并選擇記錄工具實(shí)現大批量生產(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 在批量應用 SmartCut? 技術(shù)方面已經(jīng)擁有 30 年的經(jīng)驗，能夠借此加速 SmartSiC? 工藝的成熟，這是我們的優(yōu)勢。Soitec已為2023 年的生產(chǎn)做好充足的準備。
問(wèn)題 2：在降低產(chǎn)品的變異性方面，SmartSiC?可以達到怎樣的水平？
Christophe Maleville：SiC 的前沿開(kāi)發(fā)人員已經(jīng)完成了大量出色的工作，他們在 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)能夠為道路上日常行駛的電動(dòng)汽車(chē)提供動(dòng)力。但每個(gè) SiC 晶錠以及每個(gè)晶錠內的每片晶圓都是不同的，這給生產(chǎn)帶來(lái)了相當大的變數。然而，憑借 SmartCut? 工藝，每個(gè)晶圓都可以實(shí)現重復利用十次以上，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)在晶層轉移之前消除基面位錯（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)，與傳統硅技術(shù)之間的差距也將隨之縮小。
問(wèn)題 3：Soitec 能否獨領(lǐng)變革？
Christophe Maleville：這是一場(chǎng)引領(lǐng) SiC 器件性能與指標重大進(jìn)步的革命。但我們并不是獨自前行。我們與戰略伙伴的合作涵蓋了方方面面，從技術(shù)研發(fā)組織、材料和設備供應商，到領(lǐng)先的設備制造商。這為加速基于 SmartSiC? 設備的應用和下一代產(chǎn)品的落地奠定了基礎。我們將于 2023 年開(kāi)始第一代 SmartSiC? 晶圓的生產(chǎn)。我們的開(kāi)發(fā)周期非常短，從最初的開(kāi)發(fā)工作到批量生產(chǎn)僅用了四年時(shí)間，這充分展現了 Soitec 在行業(yè)生態(tài)系統內緊密合作的高效工作模式。
電動(dòng)汽車(chē)助推電力電子領(lǐng)域的創(chuàng )新
如果說(shuō)人類(lèi)世界當前面臨的最緊迫危機是如何降低二氧化碳排放量，以減緩已經(jīng)造成的災難性環(huán)境破壞以及人口損害，那么，在當前的地球溫室氣體排放中，交通業(yè)的“貢獻”最大，傳統上它已被視為重要的污染源。但現在，交通行業(yè)已經(jīng)揚帆起航，準備迎接百年一遇的重大轉型。交通生態(tài)系統的所有利益相關(guān)者，包括研究人員、公司、機構和客戶(hù)，都在努力塑造更綠色的未來(lái)，而電動(dòng)汽車(chē)將是有助于減少機動(dòng)車(chē)碳排放的關(guān)鍵創(chuàng )新驅動(dòng)力。
更低的成本、更長(cháng)的續航里程和更短的充電時(shí)間正在助推電動(dòng)汽車(chē)的應用。傳動(dòng)系統的優(yōu)化是推動(dòng)電動(dòng)汽車(chē)突破當前極限的方向，這也是一項密集且尖端的研發(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)系統和車(chē)載充電器中能夠以高性能水平管理功率轉換的最佳選擇。隨著(zhù)每年汽車(chē)銷(xiāo)售數量的不斷增長(cháng)（見(jiàn)圖 1），電動(dòng)汽車(chē)中 SiC 的滲透率預計也將在未來(lái)十年顯著(zhù)提升，從 30% 躍升至70%。
圖 1：全球 EV 市場(chǎng)趨勢和 SiC 滲透率
根據碳化硅基器件與技術(shù)的滲透率預測，以及全球幾大主要的市場(chǎng)對 EV 需求的激增，很顯然，健全有效的 SiC 供應鏈是確保 EV 被市場(chǎng)廣泛應用的關(guān)鍵。
電動(dòng)汽車(chē)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)制定了相應的戰略舉措，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)行戰略收購以鞏固其供應鏈等。
來(lái)自客戶(hù)的助推壓力，如要求傳動(dòng)系統中擁有更高效率的逆變器，且能夠通過(guò) 800V 快充實(shí)現電池快速充電能力，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，盡管成本更高、制造工藝更復雜，但在能量轉換方面優(yōu)勢顯著(zhù)。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(cháng)與提供設計機遇領(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(chē)和工業(yè)市場(chǎng)也正是SiC前進(jìn)的目標方向。
然而，盡管特斯拉早在 2018 年就首次推出了應用于電動(dòng)汽車(chē)的 SiC MOSFET，但截至目前，SiC 仍然只是一種用于高端工業(yè)和其他功率轉換應用的材料，設備制造商提供的產(chǎn)品范圍也相對狹窄。很少有專(zhuān)門(mén)為 EV 應用設計的器件，而其制造良率也仍然受到現有標準 SiC 晶圓缺陷率的影響。
電動(dòng)汽車(chē)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 200A。為了達到這一電氣性能水平，SiC MOSFET 單一表面面積需要至少達到 40mm2。但在標準單晶 SiC 襯底上制造這些器件無(wú)法達到必要的良率，而且經(jīng)濟上也不可行。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)機已經(jīng)來(lái)臨。
Soitec 每年在各種產(chǎn)品線(xiàn)（主要面向智能手機）中銷(xiāo)售的 SmartCut? 晶圓超過(guò) 200 萬(wàn)片，是射頻和手機市場(chǎng)中優(yōu)化襯底的最大供應商。
目前，Soitec 希望在汽車(chē)和工業(yè)市場(chǎng)繼續保持成功。憑借深耕 SmartCut? 工藝三十年的專(zhuān)業(yè)積淀，Soitec 推出了全新的顛覆性?xún)?yōu)化襯底 SmartSiC?，為晶圓電氣性能、供應鏈生產(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層面的顯著(zhù)價(jià)值，助推了智慧移動(dòng)（eMobility）的落地應用，并推動(dòng)了充電基礎設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利用率，并結合了創(chuàng )新性的高導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)標準之一。
SmartSiC? 將可重復利用十次的優(yōu)質(zhì)單晶 SiC 與超高導電性操作晶圓相結合，與傳統 SiC 襯底相比，這種即插即用的解決方案可以無(wú)縫集成到所有現存的電源生產(chǎn)線(xiàn)中，并表現出明顯的商用、環(huán)境與制造優(yōu)勢。
簡(jiǎn)單且節能的制造工藝使 SmartSiC? 的碳足跡更少，更為環(huán)保。與傳統 SiC 相比，每片SmartSiC? 晶圓減少的碳排放量可高達 70%。
通過(guò)重復利用稀缺的 200mm 單晶供體，Soitec 能夠助力這些大尺寸襯底的快速落地應用，賦能市場(chǎng)的增長(cháng)。SmartSiC? 的優(yōu)化設計所帶來(lái)的卓越生產(chǎn)良率、更高的效率和功率密度，為電力電子設備提供了更好的解決方案。相比塊狀 SiC，SmartSiC? 具有更高的導電性，可為功率器件（例如 MOSFET 或二極管）每平方毫米提供多達 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(kāi)發(fā)階段，正在與 Soitec 客戶(hù)進(jìn)行驗證。而 Soitec 的創(chuàng )新團隊正在研發(fā) SmartSiC?-Advanced 無(wú) BPD 襯底，該產(chǎn)品目前處于送樣階段。
圖 2： Soitec 獨特且專(zhuān)利的 SmartCut? 工藝同樣適用于 SiC 材料
在具有超高導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)化設計能夠提供最高水準、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，可重復用于第二個(gè)SmartSiC? 晶圓。以此類(lèi)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(kāi)發(fā)的 PolySiC 具有足夠的摻雜來(lái)控制襯底的導電性，同時(shí)還能保持極具競爭力的成本優(yōu)勢（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(zhuān)業(yè)儲備，Soitec 都具備能力定義并確保晶圓幾何構造的完美，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(lái)超過(guò) 25 年的 SiC 晶圓生產(chǎn)經(jīng)驗，是Soitec 在碳化硅戰略路線(xiàn)上的又一里程碑。
截至目前，Soitec 的 SmartSiC? 已在襯底工藝和設計中達到了穩定的高水平。經(jīng)過(guò)密集和大規模的測試與原型設計，Soitec 生產(chǎn)的晶圓為市場(chǎng)、電力設備和電力系統帶來(lái)的價(jià)值和益處顯著(zhù)。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(cháng)期的可靠性和更強的高溫穩健性。目前，多家設備制造商已承諾加大資源投入力度，在其下一代產(chǎn)品的認證中采用 SmartSiC?。
探秘 SmartSiC? 的研發(fā)
Soitec 最初派遣研發(fā)團隊深入研究SmartSiC?項目時(shí)，目的在于將 SiC 的制造良率提高到全球公認的硅基功率器件標準水平。
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(guān)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(guān)察結果；單晶 SiC 供體（左）和 SmartSiC?（右）點(diǎn)對點(diǎn)比對
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 (BPD) 的供體上采用 Smart Cut? 工藝。
利用單晶 SiC 晶圓獨特的生長(cháng)特性，無(wú)BPD的供體能夠將無(wú)BPD 層轉移到多晶 SiC 操作晶圓上。這種新型優(yōu)化襯底稱(chēng)為SmartSiC?-Advanced。SmartSiC?-Advanced 襯底的 BPD 密度值如圖 5 所示。
襯底 | 標準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)擴大了外延工藝窗口并簡(jiǎn)化了外延堆棧，而且無(wú)需轉換緩沖層。
良率模擬和實(shí)驗表明，這些改進(jìn)將引入的外延生長(cháng)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)基面位錯層不僅可以防止位錯滑動(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? 襯底上輕松執行，且長(cháng)遠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(kāi)始送樣。其原型襯底正接受主要客戶(hù)的檢驗，并可根據需求向其他客戶(hù)彈性交付。更多數據已于 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(chǎng)的啟動(dòng)與擴產(chǎn)
圖 6：位于法國的新工廠(chǎng)貝寧 4 廠(chǎng)
大批量生產(chǎn)是 Soitec 的下一步目標舉措。Soitec 用于 SmartSiC? 大規模生產(chǎn)的新工廠(chǎng) Bernin 4 已于 2022 年 3 月破土動(dòng)工，開(kāi)工日期定為 2023 年年中（如圖 6 所示）。憑借最先進(jìn)的設備設施，Soitec 將在 2024 年實(shí)現 SmartSiC? 的產(chǎn)能提升；到 2030 年，SmartSiC? 晶圓總產(chǎn)能（包括 150mm 和 200mm）將達到 100 萬(wàn)片/年。其中大部分為 200mm 晶圓，這得益于 Soitec 的兩項關(guān)鍵技術(shù)：
圖7： 150 mm 和 200 mm 規格的 SmartSiC 晶圓
經(jīng)過(guò)數十年的發(fā)展，晶圓的尺寸面積不斷擴大，SmartCut? 工藝的效益規模也呈現出指數級增長(cháng)，而200 mm規格的晶圓變得愈發(fā)重要。
200 mm SmartSiC? 晶圓所具備的10倍重復利用率，將成倍優(yōu)化資源利用率，緩解供應鏈壓力，并加速汽車(chē)和工業(yè)市場(chǎng)中高質(zhì)量晶圓的高效生產(chǎn)與應用。
隨著(zhù)多個(gè)合作伙伴對 SmartSiC?-Performance 產(chǎn)品原型的認可（如圖 7所示），2022 年的產(chǎn)品認證正處于緊鑼密鼓地擴大范圍并加速推進(jìn)中。
SmartSiC? 晶圓正成為新的行業(yè)標準
電動(dòng)汽車(chē)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。上一次交通業(yè)變革發(fā)生在二十世紀 90 年代左右，人類(lèi)用了 15 年時(shí)間從馬車(chē)交通時(shí)代轉進(jìn)入機械交通時(shí)代；而鑒于 CO2 減排和減緩全球變暖的迫切需要，從汽油車(chē)時(shí)代進(jìn)入電動(dòng)車(chē)時(shí)代的轉變應該會(huì )更快。
自 2018 年特斯拉引入 SiC 并開(kāi)創(chuàng )電動(dòng)汽車(chē)市場(chǎng)以來(lái)，這項技術(shù)已被大多數汽車(chē)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(chē)領(lǐng)域獨占鰲頭。
Soitec 成功預見(jiàn)了上述挑戰以及電動(dòng)汽車(chē)行業(yè)蓬勃發(fā)展的勢頭。我們推出的 SmartSiC? 是具有更高附加值的單晶 SiC 襯底替代品，能夠為更高效率的電源提供更環(huán)保、更高效、更出色的解決方案。
由于單晶 SiC 供體晶圓可重復使用 10 次，并且低 RDSON 功率器件的電導率提高了 10 倍，SmartSiC? 已能夠實(shí)現大批量生產(chǎn)，并有望成為行業(yè)新標準。
Soitec 汽車(chē)與工業(yè)部門(mén)副總裁 Emmanuel Sabonnadiere 表示：“我們的 SmartSiC? 襯底將成為加速電動(dòng)汽車(chē)變革的關(guān)鍵，可幫助電力電子設備的能效與性能提升至新高度，賦能電動(dòng)汽車(chē)的發(fā)展?！?/p>
圖 8：SmartSiC? 產(chǎn)業(yè)化藍圖
Soitec 的創(chuàng )新將助力提升資源利用及能效，助推經(jīng)濟發(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)系統的發(fā)展，而半導體及其基礎襯底的戰略地位正是他們所一致認可的。
Soitec 的創(chuàng )新土壤孕育著(zhù)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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