Christophe Maleville
Soitec 創(chuàng)新部門副總裁
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。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(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(見圖 1),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%。
圖 1：全球 EV 市場趨勢和 SiC 滲透率
根據(jù)碳化硅基器件與技術(shù)的滲透率預(yù)測,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
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(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。
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(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(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。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?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)
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 月破土動工，開工日期定為 2023 年年中(如圖 6 所示)。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)：
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(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(jì) 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。”
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。
關(guān)于Soitec
法國 Soitec 半導(dǎo)體公司是設(shè)計和生產(chǎn)創(chuàng)新性半導(dǎo)體材料的全球領(lǐng)先企業(yè)，以其獨特的技術(shù)和半導(dǎo)體領(lǐng)域的專長服務(wù)于電子市場。Soitec 在全球擁有超過 3,500 項專利，在不斷創(chuàng)新的基礎(chǔ)上滿足客戶對高性能、低能耗以及低成本的需求。Soitec 在歐洲、美國和亞洲設(shè)有制造工廠、研發(fā)中心和辦事處。Soitec 全力致力于可持續(xù)發(fā)展，于 2021 年將可持續(xù)發(fā)展納入企業(yè)宗旨：“我們提供科技創(chuàng)新的土壤，賦能電子設(shè)備的智能和節(jié)能，締造可持續(xù)的美好生活。”
Soitec, SmartSiC™ 和 Smart Cut™ 是 Soitec 的注冊商標(biāo)。
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