【導讀】如果說人類世界當前面臨的最緊迫危機是如何降低二氧化碳排放量，以減緩已經造成的災難性環境破壞以及人口損害，那么，在當前的地球溫室氣體排放中，交通業的“貢獻”最大，傳統上它已被視為重要的污染源。
Christophe Maleville
Soitec 創新部門副總裁
問題 1：相比傳統的碳化硅（SiC）技術，Soitec 的 SmartSiC? 技術還較年輕，您能否介紹一下它目前發展的成熟度？
Christophe Maleville：Soitec 的 SmartSiC? 技術正在步入產業化階段。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實驗室）的先進試驗線進行開發與原型設計，并選擇記錄工具實現大批量生產。目前，我們關注如何降低變異性、缺陷率并提高良率，同時優化測量取樣，以最佳的工藝流程進入大批量生產階段。Soitec 在批量應用 SmartCut? 技術方面已經擁有 30 年的經驗，能夠借此加速 SmartSiC? 工藝的成熟，這是我們的優勢。Soitec已為2023 年的生產做好充足的準備。
問題 2：在降低產品的變異性方面，SmartSiC?可以達到怎樣的水平？
Christophe Maleville：SiC 的前沿開發人員已經完成了大量出色的工作，他們在 SiC 的晶體質量和尺寸方面做出了重大改進。目前，SiC 器件已經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的每片晶圓都是不同的，這給生產帶來了相當大的變數。然而，憑借 SmartCut? 工藝，每個晶圓都可以實現重復利用十次以上，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。通過在晶層轉移之前消除基面位錯（BPD），用于器件生產的每片晶圓都將相同，這將有利于大批量生產，與傳統硅技術之間的差距也將隨之縮小。
問題 3：Soitec 能否獨領變革？
Christophe Maleville：這是一場引領 SiC 器件性能與指標重大進步的革命。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，從技術研發組織、材料和設備供應商，到領先的設備制造商。這為加速基于 SmartSiC? 設備的應用和下一代產品的落地奠定了基礎。我們將于 2023 年開始第一代 SmartSiC? 晶圓的生產。我們的開發周期非常短，從最初的開發工作到批量生產僅用了四年時間，這充分展現了 Soitec 在行業生態系統內緊密合作的高效工作模式。
電動汽車助推電力電子領域的創新
如果說人類世界當前面臨的最緊迫危機是如何降低二氧化碳排放量，以減緩已經造成的災難性環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，交通行業已經揚帆起航，準備迎接百年一遇的重大轉型。交通生態系統的所有利益相關者，包括研究人員、公司、機構和客戶，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鍵創新驅動力。
更低的成本、更長的續航里程和更短的充電時間正在助推電動汽車的應用。傳動系統的優化是推動電動汽車突破當前極限的方向，這也是一項密集且尖端的研發主題。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能源效率的關鍵。
特斯拉在 2018 年就首次展示了碳化硅器件是動力傳動系統和車載充電器中能夠以高性能水平管理功率轉換的最佳選擇。隨著每年汽車銷售數量的不斷增長（見圖 1），電動汽車中 SiC 的滲透率預計也將在未來十年顯著提升，從 30% 躍升至70%。
圖 1：全球 EV 市場趨勢和 SiC 滲透率
根據碳化硅基器件與技術的滲透率預測，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 供應鏈是確保 EV 被市場廣泛應用的關鍵。
電動汽車市場的到來及其超乎尋常的加速發展，為電力電子市場中節能解決方案提供了巨大動力。許多功率器件制造商已經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行戰略收購以鞏固其供應鏈等。
來自客戶的助推壓力，如要求傳動系統中擁有更高效率的逆變器，且能夠通過 800V 快充實現電池快速充電能力，使得 SiC 器件成為人們關注的焦點。
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，盡管成本更高、制造工藝更復雜，但在能量轉換方面優勢顯著。從 25 mm 發展到今天的 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計機遇領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，而汽車和工業市場也正是SiC前進的目標方向。
然而，盡管特斯拉早在 2018 年就首次推出了應用于電動汽車的 SiC MOSFET，但截至目前，SiC 仍然只是一種用于高端工業和其他功率轉換應用的材料，設備制造商提供的產品范圍也相對狹窄。很少有專門為 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。但在標準單晶 SiC 襯底上制造這些器件無法達到必要的良率，而且經濟上也不可行。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高良率的物理障礙。
Soitec 全球領先的 SmartSiC? 解決方案
Soitec 大展拳腳的時機已經來臨。
Soitec 每年在各種產品線（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化襯底的最大供應商。
目前，Soitec 希望在汽車和工業市場繼續保持成功。憑借深耕 SmartCut? 工藝三十年的專業積淀，Soitec 推出了全新的顛覆性優化襯底 SmartSiC?，為晶圓電氣性能、供應鏈生產力以及器件功率密度帶來了全新解決方案。
SmartSiC? 還創造了器件層面與系統層面的顯著價值，助推了智慧移動（eMobility）的落地應用，并推動了充電基礎設施和可再生能源行業的完善。
過去幾年間，Soitec 一直在格勒諾布爾 CEA-Leti 的襯底創新中心深入研究 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利用率，并結合了創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：更環保、更高效、更出色
SmartSiC? 晶圓
無論是對于 150 mm晶圓還是 200 mm晶圓而言，SmartSiC? 都是一種更環保、更高效、更出色的技術解決方案，有望成為 SiC 市場的行業標準之一。
SmartSiC? 將可重復利用十次的優質單晶 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縫集成到所有現存的電源生產線中，并表現出明顯的商用、環境與制造優勢。
簡單且節能的制造工藝使 SmartSiC? 的碳足跡更少，更為環保。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，賦能市場的增長。SmartSiC? 的優化設計所帶來的卓越生產良率、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? 產品系列由 SmartSiC?-Performance 和 SmartSiC?-Advanced 襯底組成。SmartSiC?-Performance 目前處于原型開發階段，正在與 Soitec 客戶進行驗證。而 Soitec 的創新團隊正在研發 SmartSiC?-Advanced 無 BPD 襯底，該產品目前處于送樣階段。
圖 2： Soitec 獨特且專利的 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 SmartSiC? 晶圓的 1 μm 層之后，可重復用于第二個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? 晶圓生產的操作晶圓則是基于更環保、用時更短的化學氣相沉積 (CVD) 工藝。Soitec 和合作伙伴共同開發的 PolySiC 具有足夠的摻雜來控制襯底的導電性，同時還能保持極具競爭力的成本優勢（見圖 3）。
圖 3：PolySiC 主要工藝步驟
經過多年積淀，無論成熟度還是專業儲備，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 晶圓生產經驗，是Soitec 在碳化硅戰略路線上的又一里程碑。
截至目前，Soitec 的 SmartSiC? 已在襯底工藝和設計中達到了穩定的高水平。經過密集和大規模的測試與原型設計，Soitec 生產的晶圓為市場、電力設備和電力系統帶來的價值和益處顯著。采用 SmartSiC? 生產的 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，在其下一代產品的認證中采用 SmartSiC?。
探秘 SmartSiC? 的研發
Soitec 最初派遣研發團隊深入研究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準水平。
SmartCut? 工藝可以保持來料供體晶圓的晶體質量。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）蝕刻晶體產生的缺陷。
圖 4：晶體缺陷表征、KOH 蝕刻和光學顯微鏡觀察結果；單晶 SiC 供體（左）和 SmartSiC?（右）點對點比對
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 晶圓獨特的生長特性，無BPD的供體能夠將無BPD 層轉移到多晶 SiC 操作晶圓上。這種新型優化襯底稱為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 BPD頂層的SmartSiC?-Advanced 襯底因此成為漂移外延環節的優質晶種層。
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 產品已經開始送樣。其原型襯底正接受主要客戶的檢驗，并可根據需求向其他客戶彈性交付。更多數據已于 ICSCRM 2022 國際會議（2022 年碳化硅及相關材料國際會議）上進行公布。
SmartSiC? 晶圓廠的啟動與擴產
圖 6：位于法國的新工廠貝寧 4 廠
大批量生產是 Soitec 的下一步目標舉措。Soitec 用于 SmartSiC? 大規模生產的新工廠 Bernin 4 已于 2022 年 3 月破土動工，開工日期定為 2023 年年中（如圖 6 所示）。憑借最先進的設備設施，Soitec 將在 2024 年實現 SmartSiC? 的產能提升；到 2030 年，SmartSiC? 晶圓總產能（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 的兩項關鍵技術：
圖7： 150 mm 和 200 mm 規格的 SmartSiC 晶圓
經過數十年的發展，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，而200 mm規格的晶圓變得愈發重要。
200 mm SmartSiC? 晶圓所具備的10倍重復利用率，將成倍優化資源利用率，緩解供應鏈壓力，并加速汽車和工業市場中高質量晶圓的高效生產與應用。
隨著多個合作伙伴對 SmartSiC?-Performance 產品原型的認可（如圖 7所示），2022 年的產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標準
電動汽車正在經歷百年一遇的變革，市場上的創新成果不斷涌現。上一次交通業變革發生在二十世紀 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變應該會更快。
自 2018 年特斯拉引入 SiC 并開創電動汽車市場以來，這項技術已被大多數汽車制造商采納。然而，SiC 還需要克服在電氣性能、產能、成本和良率方面的眾多障礙，才能在電動汽車領域獨占鰲頭。
Soitec 成功預見了上述挑戰以及電動汽車行業蓬勃發展的勢頭。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? 已能夠實現大批量生產，并有望成為行業新標準。
Soitec 汽車與工業部門副總裁 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，賦能電動汽車的發展。”
圖 8：SmartSiC? 產業化藍圖
Soitec 的創新將助力提升資源利用及能效，助推經濟發展和賦能商業成功。我們的創新成果正在推動眾多行業和生態系統的發展，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 的創新土壤孕育著美好未來！
注：Soitec 的四篇科學出版物已于 ICSCRM 2022 上正式發布。
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