Soitec的SmartSiC™将成为新的行业标准？

SmartSiC™

过去几年间,Soitec 一直在格勒诺布尔 CEA-Leti 的衬底创新中心深入研究 SmartSiC™ 解决方案。该方案利用了单晶 SiC 衬底的卓越物理特性,通过将其作为供体可提供十倍的重复利用率,并结合了创新性的高导电多晶衬底作为操作晶圆(handle wafer)。

SmartSiC™ 晶圆可提供卓越性能：更环保、更高效、更出色

SmartSiC™ 晶圆

无论是对于 150 mm晶圆还是 200 mm晶圆而言,SmartSiC™ 都是一种更环保、更高效、更出色的技术解决方案,有望成为 SiC 市场的行业标准之一。

SmartSiC™ 将可重复利用十次的优质单晶 SiC 与超高导电性操作晶圆相结合,与传统 SiC 衬底相比,这种即插即用的解决方案可以无缝集成到所有现存的电源生产线中,并表现出明显的商用、环境与制造优势。

简单且节能的制造工艺使 SmartSiC™ 的碳足迹更少,更为环保。与传统 SiC 相比,每片SmartSiC™ 晶圆减少的碳排放量可高达 70%。

Soitec 独特且专利的 SmartCut™ 工艺适用于 SiC 材料

SmartCut™技术是在具有超高导电性的多晶碳化硅操作衬底之上(其 150 mm 和 200 mm 晶圆的总厚度分别为 350 μm和500 μm)，优化设计能够提供最高水准、厚度小于 1 μm的单晶 SiC 层。

供体晶圆减去用于第一个 SmartSiC™ 晶圆的 1 μm 层之后，可重复用于第二个SmartSiC™ 晶圆。以此类推，每个供体晶圆至少可用于十个 SmartSiC™ 晶圆。

与块状 SiC 中使用的物理气相传输 (PVT) 相比，采用多晶碳化硅作为每个 SmartSiC™ 晶圆生产的操作晶圆则是基于更环保、用时更短的化学气相沉积 (CVD) 工艺。Soitec 和合作伙伴共同开发的 PolySiC 具有足够的掺杂来控制衬底的导电性，同时还能保持极具竞争力的成本优势。

PolySiC 主要工艺步骤

经过多年积淀，无论成熟度还是专业储备，Soitec 都具备能力定义并确保晶圆几何构造的完美，而这恰是掌握晶圆键合的关键所在。2021 年 11 月 Soitec 收购NovaSiC，为公司带来超过 25 年的 SiC 晶圆生产经验，是Soitec 在碳化硅战略路线上的又一里程碑。

截至目前，Soitec 的 SmartSiC™ 已在衬底工艺和设计中达到了稳定的高水平。经过密集和大规模的测试与原型设计，Soitec 生产的晶圆为市场、电力设备和电力系统带来的价值和益处显著。采用 SmartSiC™ 生产的 MOSFET 和二极管性能均获得大幅提升，同时拥有了更为长期的可靠性和更强的高温稳健性。目前，多家设备制造商已承诺加大资源投入力度，在其下一代产品的认证中采用SmartSiC™。

目前，Soitec 的 SmartSiC™ 产品系列由 SmartSiC™-Performance 和 SmartSiC™-Advanced 衬底组成。SmartSiC™-Performance 目前处于原型开发阶段,正在与 Soitec 客户进行验证。而 Soitec 的创新团队正在研发 SmartSiC™-Advanced 无 BPD 衬底,该产品目前处于送样阶段。

探秘 SmartSiC™ 的研发

Soitec 最初派遣研发团队深入研究SmartSiC™项目时，目的在于将 SiC 的制造良率提高到全球公认的硅基功率器件标准水平。

SmartCut™ 工艺可以保持来料供体晶圆的晶体质量。如图所示，在供体和 SmartSiC™ 表面的相同位置可以观察到 KOH(氢氧化钾)蚀刻晶体产生的缺陷。

晶体缺陷表征、KOH 蚀刻和光学显微镜观察结果;

单晶 SiC 供体(左)和 SmartSiC™(右)点对点比对

为降低缺陷水平，Soitec 探索并采用了一种新的概念，即在已去除基面位错 (BPD) 的供体上采用 Smart Cut™ 工艺。

利用单晶 SiC 晶圆独特的生长特性，无BPD的供体能够将无BPD 层转移到多晶 SiC 操作晶圆上。这种新型优化衬底称为 SmartSiC™-Advanced。SmartSiC™-Advanced 衬底的 BPD 密度值如图所示。

供体 SmartSiC™-Advanced 衬底中的 BPD 缺陷密度

具备无 BPD顶层的SmartSiC™-Advanced 衬底因此成为漂移外延环节的优质晶种层。

这明显降低了致命缺陷的潜在成核位置密度，同时扩大了外延工艺窗口并简化了外延堆栈，而且无需转换缓冲层。

良率模拟和实验表明，这些改进将引入的外延生长致命缺陷密度降低了 10 倍，并且将大于 20 平方毫米的器件生产良率提高到 20% 以上。

在器件可靠性方面，无基面位错层不仅可以防止位错滑动，还能消除器件中的双极退化。Soitec 的下一代 SmartSiC™-Advanced 衬底消除了 SiC 晶圆中的 BPD，对整个 SiC 行业而言，有望将 SiC 器件制造良率提升至 90%。

而且，SmartSiC™ 中采用的多晶 SiC 操作衬底具有高掺杂水平，这使 SiC 功率器件(二极管或MOSFET)背面的欧姆接触层更易制成。

Soitec 的最新研究证明，无需退火的欧姆接触工艺可在SmartSiC™ 衬底上轻松执行，且长远芯片组装的可靠性不会因此受到影响。

Soitec 150 mm 的 SmartSiC™-Advanced 产品已经开始送样。其原型衬底正接受主要客户的检验，并可根据需求向其他客户弹性交付。更多数据已于 ICSCRM 2022 国际会议(2022 年碳化硅及相关材料国际会议)上进行公布。

Soitec 创新部门副总裁Christophe Maleville先生对SmartSiC™技术也非常有信心，在采访中他这样回答道：

问题 1：相比传统的碳化硅(SiC)技术，Soitec 的 SmartSiC™ 技术还较年轻，您能否介绍一下它目前发展的成熟度?

Soitec 的 SmartSiC™ 技术正在步入产业化阶段。

我们利用在 CEA-Leti (法国微电子研究实验室法国原子能委员会电子与信息技术实验室)的先进试验线进行开发与原型设计，并选择记录工具实现大批量生产。

目前，我们关注如何降低变异性、缺陷率并提高良率，同时优化测量取样，以最佳的工艺流程进入大批量生产阶段。

Soitec 在批量应用 SmartCut™ 技术方面已经拥有 30 年的经验，能够借此加速 SmartSiC™ 工艺的成熟，这是我们的优势。Soitec已为 2023 年的生产做好充足的准备。

问题 2：在降低产品的变异性方面，SmartSiC™ 可以达到怎样的水平?

目前，SiC 器件已经能够为道路上日常行驶的电动汽车提供动力。但每个 SiC 晶锭以及每个晶锭内的每片晶圆都是不同的，这给生产带来了相当大的变数。

然而，凭借 SmartCut™ 工艺，每个晶圆都可以实现重复利用十次以上，从而降低了变异性。通过使用外延层作为供体，我坚信我们的下一代SiC 晶圆——SmartSiC™ 晶圆，将完全消除源于晶体的变异性。

通过在晶层转移之前消除基面位错(BPD)，用于器件生产的每片晶圆都将相同，这将有利于大批量生产，与传统硅技术之间的差距也将随之缩小。

问题 3：Soitec 能否独领变革?

这是一场引领 SiC 器件性能与指标重大进步的革命。但我们并不是独自前行。我们与战略伙伴的合作涵盖了方方面面，从技术研发组织、材料和设备供应商，到领先的设备制造商。

这为加速基于 SmartSiC™ 设备的应用和下一代产品的落地奠定了基础。我们将于 2023 年开始第一代 SmartSiC™ 晶圆的生产。我们的开发周期非常短，从最初的开发工作到批量生产仅用了四年时间，这充分展现了 Soitec 在行业生态系统内紧密合作的高效工作模式。

SmartSiC™ 晶圆厂的启动与扩产

位于法国的新工厂贝宁 4 厂

大批量生产是 Soitec 的下一步目标举措。Soitec 用于 SmartSiC™ 大规模生产的新工厂 Bernin 4 已于 2022 年 3 月破土动工，开工日期定为 2023 年年中(如图 6 所示)。

凭借最先进的设备设施，Soitec 将在 2024 年实现 SmartSiC™ 的产能提升;到 2030 年，SmartSiC™ 晶圆总产能(包括 150mm 和 200mm)将达到 100 万片/年。其中大部分为 200mm 晶圆，这得益于 Soitec 的两项关键技术：

150 mm 和 200 mm 规格的 SmartSiC 晶圆

经过数十年的发展，晶圆的尺寸面积不断扩大，SmartCut™ 工艺的效益规模也呈现出指数级增长，而200 mm规格的晶圆变得愈发重要。200 mm SmartSiC™ 晶圆所具备的10倍重复利用率，将成倍优化资源利用率，缓解供应链压力，并加速汽车和工业市场中高质量晶圆的高效生产与应用。

SmartSiC™ 晶圆有望成为新的行业标准

电动汽车正在经历百年一遇的变革，市场上的创新成果不断涌现。

自 2018 年特斯拉引入 SiC 并开创电动汽车市场以来，这项技术已被大多数汽车制造商采纳。然而，SiC 还需要克服在电气性能、产能、成本和良率方面的众多障碍，才能在电动汽车领域独占鳌头。

Soitec 成功预见了上述挑战以及电动汽车行业蓬勃发展的势头。我们推出的 SmartSiC™ 是具有更高附加值的单晶 SiC 衬底替代品，能够为更高效率的电源提供更环保、更高效、更出色的解决方案。

由于单晶 SiC 供体晶圆可重复使用 10 次，并且低 RDSON 功率器件的电导率提高了 10 倍，SmartSiC™ 已能够实现大批量生产，并有望成为行业新标准。

Soitec 汽车与工业部门副总裁 Emmanuel Sabonnadiere 表示：“我们的 SmartSiC™ 衬底将成为加速电动汽车变革的关键，可帮助电力电子设备的能效与性能提升至新高度，赋能电动汽车的发展。”

SmartSiC™ 产业化蓝图

Soitec 的创新将助力提升资源利用及能效，助推经济发展和赋能商业成功。我们的创新成果正在推动众多行业和生态系统的发展，而半导体及其基础衬底的战略地位正是他们所一致认可的。

文章来源：极客网