助推電動汽車發(fā)展的新動力:Soitec的SmartSiC?

【導(dǎo)讀】如果說人類世界當(dāng)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(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”最大，傳統(tǒng)上它已被視為重要的污染源。

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（法國微電子研究實驗室法國原子能委員會電子與信息技術(shù)實驗室）的先進試驗線進行開發(fā)與原型設(shè)計，并選擇記錄工具實現(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，同時優(yōu)化測量取樣，以最佳的工藝流程進入大批量生產(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，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(zhǔn)備。

問題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。目前，SiC器件已經(jīng)能夠為道路上日常行駛的電動汽車提供動力。但每個SiC晶錠以及每個晶錠內(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，每個晶圓都可以實現(xiàn)重復(fù)利用十次以上，從而降低了變異性。過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。通過在晶層轉(zhuǎn)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(tǒng)硅技術(shù)之間的差距也將隨之縮小。

問題3：Soitec能否獨領(lǐng)變革？

Christophe Maleville：這是一場引領(lǐng)SiC器件性能與指標(biāo)重大進步的革命。但我們并不是獨自前行。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”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、機構(gòu)和客戶，都在努力塑造更綠色的未來，而電動汽車將是有助于減少機動車碳排放的關(guān)鍵創(chuàng)新驅(qū)動力。

更低的成本、更長的續(xù)航里程和更短的充電時間正在助推電動汽車的應(yīng)用。傳動系統(tǒng)的優(yōu)化是推動電動汽車突破當(dāng)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力傳動系統(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力傳動系統(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，電動汽車中SiC的滲透率預(yù)計也將在未來十年顯著提升，從30%躍升至70%。

根據(jù)碳化硅基器件與技術(shù)的滲透率預(yù)測，以及全球幾大主要的市場對EV需求的激增，很顯然，健全有效的SiC供應(yīng)鏈?zhǔn)谴_保EV被市場廣泛應(yīng)用的關(guān)鍵。

電動汽車市場的到來及其超乎尋常的加速發(fā)展，為電力電子市場中節(jié)能解決方案提供了巨大動力。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，如要求傳動系統(tǒng)中擁有更高效率的逆變器，且能夠通過800V快充實現(xiàn)電池快速充電能力，使得SiC器件成為人們關(guān)注的焦點。

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，SiC已成為在促進增長與提供設(shè)計機遇領(lǐng)域最具活力的市場之一。

EV市場中的SiC成本效益比顯而易見，而汽車和工業(yè)市場也正是SiC前進的目標(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)品范圍也相對狹窄。很少有專門為EV應(yīng)用設(shè)計的器件，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(biāo)準(zhǔn)單晶SiC襯底上制造這些器件無法達到必要的良率，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大展拳腳的時機已經(jīng)來臨。

Soitec每年在各種產(chǎn)品線（主要面向智能手機）中銷售的SmartCut?晶圓超過200萬片，是射頻和手機市場中優(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)層面的顯著價值，助推了智慧移動（eMobility）的落地應(yīng)用，并推動了充電基礎(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。

簡單且節(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，賦能市場的增長。SmartSiC?的優(yōu)化設(shè)計所帶來的卓越生產(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客戶進行驗證。而Soitec的創(chuàng)新團隊正在研發(fā)SmartSiC?-Advanced無BPD襯底，該產(chǎn)品目前處于送樣階段。

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SmartSiC?晶圓的1 μm層之后，可重復(fù)用于第二個SmartSiC?晶圓。以此類推，每個供體晶圓至少可用于十個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SmartSiC?晶圓生產(chǎn)的操作晶圓則是基于更環(huán)保、用時更短的化學(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，同時還能保持極具競爭力的成本優(yōu)勢。

經(jīng)過多年積淀，無論成熟度還是專業(yè)儲備，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，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)計中達到了穩(wěn)定的高水平。經(jīng)過密集和大規(guī)模的測試與原型設(shè)計，Soitec生產(chǎn)的晶圓為市場、電力設(shè)備和電力系統(tǒng)帶來的價值和益處顯著。采用SmartSiC?生產(chǎn)的MOSFET和二極管性能均獲得大幅提升，同時擁有了更為長期的可靠性和更強的高溫穩(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，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(biāo)準(zhǔn)水平。

SmartCut?工藝可以保持來料供體晶圓的晶體質(zhì)量。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。

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。

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，同時擴大了外延工藝窗口并簡化了外延堆棧，而且無需轉(zhuǎn)換緩沖層。

良率模擬和實驗表明，這些改進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，無基面位錯層不僅可以防止位錯滑動，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，且長遠芯片組裝的可靠性不會因此受到影響。

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，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國際會議（2022年碳化硅及相關(guān)材料國際會議）上進行公布。

SmartSiC?晶圓廠的啟動與擴產(chǎn)

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月破土動工，開工日期定為2023年年中。憑借最先進的設(shè)備設(shè)施，Soitec將在2024年實現(xiàn)SmartSiC?的產(chǎn)能提升；到2030年，SmartSiC?晶圓總產(chǎn)能（包括150mm和200mm）將達到100萬片/年。其中大部分為200mm晶圓，這得益于Soitec的兩項關(guān)鍵技術(shù)：

經(jīng)過數(shù)十年的發(fā)展，晶圓的尺寸面積不斷擴大，SmartCut? 工藝的效益規(guī)模也呈現(xiàn)出指數(shù)級增長，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)市場中高質(zhì)量晶圓的高效生產(chǎn)與應(yīng)用。

隨著多個合作伙伴對SmartSiC?-Performance產(chǎn)品原型的認可，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中。

SmartSiC?晶圓正成為新的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)

電動汽車正在經(jīng)歷百年一遇的變革，市場上的創(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90年代左右，人類用了15年時間從馬車交通時代轉(zhuǎn)進入機械交通時代；而鑒于CO2減排和減緩全球變暖的迫切需要，從汽油車時代進入電動車時代的轉(zhuǎn)變應(yīng)該會更快。

自2018年特斯拉引入SiC并開創(chuàng)電動汽車市場以來，這項技術(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，才能在電動汽車領(lǐng)域獨占鰲頭。

Soitec成功預(yù)見了上述挑戰(zhàn)以及電動汽車行業(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(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，賦能電動汽車的發(fā)展。”

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可的。

Soitec的創(chuàng)新土壤孕育著美好未來！

注：Soitec的四篇科學(xué)出版物已于ICSCRM 2022上正式發(fā)布。

審核編輯：湯梓紅