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中國汽車工業(yè)協(xié)會最新數(shù)據(jù)顯示，2022年1月至11月，新能源汽車產(chǎn)銷分別完成625.3萬輛和606.7萬輛，同比均增長1倍，市場占有率達(dá)到25%。由此可見新能源汽車的發(fā)展已經(jīng)進(jìn)入了快車道。在這里我們注意到，由于里程焦慮和快速充電的要求，800V 電池母線系統(tǒng)獲得了不少的OEM或者Tier1的青睞。談到800V母線系統(tǒng)，讓我們聚焦到其中的核心功率器件碳化硅功率模塊，由于碳化硅得天獨(dú)厚的優(yōu)勢，使得它非常適合用來制造高耐壓、高結(jié)溫、高速的MOSFET，這三高恰好契合了800V母線系統(tǒng)對于核心的功率器件的要求。安森美(onsemi)非常看好800V母線系統(tǒng)的發(fā)展，有一些研究機(jī)構(gòu)，預(yù)測截至到2026年，SiC在整個(gè)功率器件市場的占比將達(dá)到12%以上。
安森美在碳化硅的領(lǐng)域涉足甚早，最早從2004年就開始SiC器件的研發(fā)。但是安森美是從2021年收購了GT Advanced Technologies (GTAT)之后開始全方位在碳化硅領(lǐng)域的投入，無論是資金，人力物力以及客戶和市場。收購了GTAT之后，開始了安森美在碳化硅領(lǐng)域的垂直整合供應(yīng)鏈——從晶體到系統(tǒng)之路！接下來我們將對兩個(gè)碳化硅的關(guān)鍵的供應(yīng)鏈襯底和外延epi進(jìn)行分析和介紹，這樣大家會對于安森美在碳化硅的布局和領(lǐng)先優(yōu)勢會有進(jìn)一步的了解。
安森美碳化硅全垂直整合的供應(yīng)鏈——從晶體到系統(tǒng)
供應(yīng)鏈從我們位于新罕布什爾州哈德遜的工廠生長單晶SiC粉材料開始。在襯底上生長一層很薄的外延層，然后經(jīng)過多個(gè)復(fù)雜的器件加工步驟生產(chǎn)出芯片，然后將芯片來封裝成最終產(chǎn)品。整個(gè)制造流程端到端垂直整合，具有全面的可靠性、可追溯性以及完善的質(zhì)量測試，以確保產(chǎn)品零缺陷的要求。
全垂直整合的供應(yīng)鏈，在目前的供應(yīng)鏈體系里具有相當(dāng)?shù)膬?yōu)勢，如產(chǎn)能易于擴(kuò)展、品質(zhì)優(yōu)和成本控制，尤其是目前碳化硅的整個(gè)供應(yīng)鏈的每一個(gè)環(huán)節(jié)都不是那么容易可靠的高質(zhì)量的量產(chǎn)，這個(gè)和硅的供應(yīng)體系下是不太一樣的。在硅的供應(yīng)鏈里，硅片（襯底）通常會被交給第三方來生產(chǎn)，第三方的質(zhì)量、成本和良率都做的相當(dāng)不錯(cuò)。接下來我們會對襯底和外延的生產(chǎn)進(jìn)行展開，這樣大家就會明白為什么安森美選擇在碳化硅領(lǐng)域選擇了全垂直整合的供應(yīng)鏈模式。這也使得安森美成為了目前全球?yàn)閿?shù)不多具有從襯底到模塊、到系統(tǒng)能力的公司。
晶體/襯底（substrate）
我們的芯片都是在襯底的基礎(chǔ)上長上一層薄薄的外延，然后才拿去制作芯片。那襯底又是怎樣生產(chǎn)制造出來的呢？這里涉及到兩個(gè)步驟，首先是將碳化硅粉放到長晶爐里生長成晶體得到碳化硅晶錠，碳化硅晶錠需要打磨拋光，然后送去切割，并經(jīng)過拋光這樣得到了我們生產(chǎn)器件需要的晶圓襯底。圖一是一個(gè)長晶爐的示意圖和實(shí)物照片。
圖一長晶爐示意圖和實(shí)物
這里面涉及到了兩個(gè)關(guān)鍵的步驟，晶體生長，晶錠切割和拋光。圖二則是我們從碳化硅粉到襯底的生產(chǎn)流程簡圖
圖二 碳化硅襯底生產(chǎn)流程圖
目前比較成熟的碳化硅晶體生長方法主要是PVT和CVD兩種，它們都屬于氣象生長（vapor phase growth），而碳化硅型體主要是4H和6H兩種。
圖三碳化硅晶體生長方式
首先我們來看看晶體的生長都面臨哪些挑戰(zhàn)
- 要擁有高品質(zhì)的籽晶（種子）
- 減少從籽晶到新生長的晶體缺陷的技術(shù)
- 晶體生長需要高溫（>2000C）
在這些溫度和生長時(shí)間下，很少有材料保持惰性，很容易發(fā)生反應(yīng)。 - 多態(tài)性–多達(dá)220種型體，目前可用的主要是用4H和6H
- 不一致的分解（氣體: Si, Si2C, SiC），（固態(tài)：碳）
- 源頭的純凈度 – 缺陷的晶核點(diǎn)
- 與Si相比，晶錠長寬比往往較低
- 整個(gè)行業(yè)面臨的主要挑戰(zhàn)是長出更長的無缺陷晶體
- 晶體直徑擴(kuò)大（目前最大是8“）
無裂紋、高結(jié)晶質(zhì)量（晶片邊緣附近的晶界、缺陷等）
而GTAT本身是從生產(chǎn)制造長晶爐起家的，到現(xiàn)在差不多有20年左右的碳化硅長晶爐的設(shè)計(jì)制造經(jīng)驗(yàn)，對于晶體生長的這些挑戰(zhàn)，GTAT擁有者豐富的經(jīng)驗(yàn)，我們有高品質(zhì)的籽晶，很好的溫度的控制等，有很好的缺陷控制技術(shù)以及很好的缺陷檢測和標(biāo)識能力。
談到碳化硅的缺陷，下面是碳化硅晶體的幾種典型的缺陷
- 晶型不穩(wěn)定性
- 開核位錯(cuò)（微管）
- 閉合核螺釘位錯(cuò)
- 低角度晶界
- 常規(guī)位錯(cuò)
- 基底平面位錯(cuò)（BPD）-基底平面邊緣位錯(cuò)或部分BPD
- 螺紋邊緣錯(cuò)位（TED）
- 疊加故障/轉(zhuǎn)換
這些缺陷都是在襯底或者說晶錠階段產(chǎn)生的，但是這些缺陷一旦產(chǎn)生了，就沒法消除，它們會繼續(xù)衍生到外延層，最終會影響到器件的質(zhì)量。所以我們不僅需要在襯底階段就要標(biāo)識出來，在外延層也要把他們標(biāo)識出來以排除在外。這個(gè)對外延層帶來了挑戰(zhàn)。
圖四碳化硅襯底缺陷
高質(zhì)量的晶體是整個(gè)碳化硅供應(yīng)鏈的基石，而GTAT在這些方面積累了相當(dāng)豐富的生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，它確保了安森美的碳化硅器件是在一個(gè)高質(zhì)量的襯底上完成的。同時(shí)我們也可以非常快速的擴(kuò)產(chǎn)，而這也是安森美富有競爭力的一個(gè)方面。
Epitaxy – EPI外延
碳化硅外延層是指在碳化硅器件制造工藝中，生長沉積在晶圓襯底上的那一部分。我們?yōu)槭裁葱枰庋?？在某些情況下，需要碳化硅有非常純的與襯底有相同晶體結(jié)構(gòu)表面，還要保持對雜質(zhì)類型和濃度的控制。這要通過在碳化硅襯底表面淀積一個(gè)外延層來達(dá)到。在功率器件中我們器件的每個(gè)單元等基本上都是在外延層加工完成的，它的質(zhì)量對于器件來說重要性可見一斑。不同的器件對于外延的要求是不一樣的。二極管對于外延的偏差和缺陷要求和MOSFET對它們的要求是兩個(gè)不同層次的需求。MOSFET對于外延質(zhì)量的要求很高。摻雜的偏差會影響MOSFET的Rdson的分布。有些缺陷會導(dǎo)致MOSFET輕則漏電流偏大，嚴(yán)重的會導(dǎo)致MOSFET失效。
外延目前來說比較成熟的加工技術(shù)是CVD，這也導(dǎo)致很多人誤認(rèn)為外延是比較容易加工的。其實(shí)這個(gè)是一個(gè)誤解，外延并不是簡單的把CVD的爐子買回來，就可以把它們做好，當(dāng)然相對晶體襯底來說，它要相對簡單一些但是并不代表它很容易做好，外延和晶體襯底面臨的挑戰(zhàn)是不一樣的。也有很多人說現(xiàn)在市場上很多公司都有能力加工二極管的外延，他們只要稍微升級一下設(shè)備就可以很好的生長MOSFET的外延了，這個(gè)說法有待商榷。因?yàn)榫拖裎恼律厦嬲f的MOSFET和二極管對于外延的要求是不一樣的，他們對于一致性和翹曲度等要求也不是一個(gè)數(shù)量級的。在外延這一個(gè)環(huán)節(jié)，安森美同樣擁有豐富的經(jīng)驗(yàn)，早在并購GTAT之前，安森美在碳化硅的外延和晶圓生產(chǎn)研發(fā)方面已經(jīng)擁有超過10年的經(jīng)驗(yàn)。因此我們會把這一優(yōu)勢繼續(xù)保持，在擴(kuò)大襯底生產(chǎn)的同時(shí)也擴(kuò)大外延的生產(chǎn)。
相對晶錠襯底不同的是，外延的挑戰(zhàn)主要集中在下面的幾個(gè)指標(biāo)上：
- 厚度以及一致性
- 摻雜和一致性
- 表面缺陷快速檢測和標(biāo)識追蹤能力
- 底部缺陷快速檢測和標(biāo)識追蹤能力
- 控制擴(kuò)展缺陷
- 清洗
- 大尺寸的晶圓翹曲度的控制
我們把檢測到的缺陷做一下分類。
圖五 外延缺陷
下圖是一個(gè)完整的MOSFET active cell，這里就包含了襯底的缺陷，然后衍生到外延的缺陷。
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圖六 碳化硅MOSFET缺陷剖面圖 - 襯底外延缺陷
總結(jié)一下，由于襯底的缺陷不能在外延層去把它消除，所以我們會采取一定的策略，讓致命缺陷惡化，然后把它們篩選出來，這樣的話在外延這一個(gè)流程中就要求襯底的缺陷具有可追溯性，所以對于襯底和外延都自己生產(chǎn)的公司就具有天然的優(yōu)勢?？梢员容^好的控制缺陷率。
由于襯底和外延和芯片的技術(shù)發(fā)展相關(guān)性不是特別大，所以我單獨(dú)把這兩個(gè)流程拿出來和大家分享，接下來的芯片技術(shù)發(fā)展比如MOSFET的平面結(jié)構(gòu)或者溝槽結(jié)構(gòu)都是直接在外延層里加工。因此后面的技術(shù)發(fā)展我們可以再分別拿出來討論。安森美在襯底和外延的供應(yīng)鏈上垂直整合了自己內(nèi)部的資源，因此對于客戶來說，他們的供給是可以預(yù)測的，這也是很多全球性的客戶積極的和安森美簽署了長期供應(yīng)協(xié)議，因?yàn)槲覀兊倪@一供應(yīng)模式給予了他們長期保障。
