【導(dǎo)讀】如果說(shuō)人類(lèi)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。

問(wèn)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(guó)微電子研究實(shí)驗(yàn)室法國(guó)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(kāi)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(wèn)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(kāi)發(fā)人員已經(jīng)完成了大量出色的工作，他們?cè)赟iC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(chē)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(lái)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。過(guò)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(guò)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(wèn)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(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(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(chē)助推電力電子領(lǐng)域的創(chuàng)新

如果說(shuō)人類(lèi)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(lái)，而電動(dòng)汽車(chē)將是有助于減少機(jī)動(dòng)車(chē)碳排放的關(guān)鍵創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)力。

更低的成本、更長(zhǎng)的續(xù)航里程和更短的充電時(shí)間正在助推電動(dòng)汽車(chē)的應(yīng)用。傳動(dòng)系統(tǒng)的優(yōu)化是推動(dòng)電動(dòng)汽車(chē)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(chē)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(chē)銷(xiāo)售數(shù)量的不斷增長(zhǎng)，電動(dòng)汽車(chē)中SiC的滲透率預(yù)計(jì)也將在未來(lái)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(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(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(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(gòu)以鞏固其供應(yīng)鏈等。

來(lái)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(guò)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(zhǎng)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(jiàn)，而汽車(chē)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(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(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(zhuān)門(mén)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(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(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(wú)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(lái)臨。

Soitec每年在各種產(chǎn)品線（主要面向智能手機(jī)）中銷(xiāo)售的SmartCut?晶圓超過(guò)200萬(wàn)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(chē)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(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(yīng)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(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(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(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(wú)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(wú)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(guò)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(zhǎng)。SmartSiC?的優(yōu)化設(shè)計(jì)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(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(kāi)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(wú)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(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(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(dǎo)電性，同時(shí)還能保持極具競(jìng)爭(zhēng)力的成本優(yōu)勢(shì)。

經(jīng)過(guò)多年積淀，無(wú)論成熟度還是專(zhuān)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(gòu)NovaSiC，為公司帶來(lái)超過(guò)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(guò)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(lái)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(zhǎng)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(lái)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(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(zhǎng)特性，無(wú)BPD的供體能夠?qū)o(wú)BPD層轉(zhuǎn)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。

具備無(wú)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(wú)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(zhǎng)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(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(wú)需退火的歐姆接觸工藝可在SmartSiC?襯底上輕松執(zhí)行，且長(zhǎng)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(kāi)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(guó)際會(huì)議（2022年碳化硅及相關(guān)材料國(guó)際會(huì)議）上進(jìn)行公布。

SmartSiC?晶圓廠的啟動(dòng)與擴(kuò)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(dòng)工，開(kāi)工日期定為2023年年中。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(wàn)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)：

經(jīng)過(guò)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(zhǎng)，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(chē)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，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(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(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(lèi)用了15年時(shí)間從馬車(chē)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(chē)時(shí)代進(jìn)入電動(dòng)車(chē)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(kāi)創(chuàng)電動(dòng)汽車(chē)市場(chǎng)以來(lái)，這項(xiàng)技術(shù)已被大多數(shù)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(dú)占鰲頭。

Soitec成功預(yù)見(jiàn)了上述挑戰(zhàn)以及電動(dòng)汽車(chē)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(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(shè)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>

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(lái)！

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