根據(jù)中國(guó)汽車工業(yè)協(xié)會(huì)的數(shù)據(jù)，2022年1月至11月，新能源汽車產(chǎn)銷分別完成625.3萬(wàn)輛和606.7萬(wàn)輛，同比均增長(zhǎng)1倍，市場(chǎng)占有率達(dá)到25%。由此可見(jiàn)新能源汽車的發(fā)展已經(jīng)進(jìn)入了快車道。在此，我們注意到，由於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矽功率模組，由於碳化矽得天獨(dú)厚的優(yōu)勢(shì)，使得它非常適合用來(lái)製造高耐壓、高結(jié)溫、高速的MOSFET，這三高的性質(zhì)恰好契合了800V母線系統(tǒng)對(duì)於核心的功率器件的要求。安森美（onsemi）看好800V母線系統(tǒng)的發(fā)展，有一些研究機(jī)構(gòu)，預(yù)測(cè)截至2026年，SiC在整個(gè)功率器件市場(chǎng)的占比將達(dá)到12%以上。
安森美在碳化矽的領(lǐng)域涉足甚早，最早從2004年就開(kāi)始SiC器件的研發(fā)。但是從2021年收購(gòu)了GT Advanced Technologies（GTAT）之後開(kāi)始在碳化矽領(lǐng)域全方位投入，無(wú)論是資金、人力物力以及客戶和市場(chǎng)。收購(gòu)GTAT之後，開(kāi)始了安森美在碳化矽領(lǐng)域的垂直整合供應(yīng)鏈—從晶體到系統(tǒng)之路！接下來(lái)，將對(duì)兩個(gè)碳化矽的關(guān)鍵的供應(yīng)鏈基板和磊晶epi進(jìn)行分析。
碳化矽全垂直整合的供應(yīng)鏈—從晶體到系統(tǒng)
供應(yīng)鏈從安森美位於新罕布夏州哈德遜的工廠生長(zhǎng)單晶SiC粉材料開(kāi)始。在基板上生長(zhǎng)一層很薄的磊晶層，然後經(jīng)過(guò)多個(gè)複雜的器件加工步驟生產(chǎn)出晶片，然後將晶片來(lái)封裝成最終產(chǎn)品。整個(gè)製造流程端到端垂直整合，具有全面的可靠性、可追溯性，以及完善的品質(zhì)測(cè)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)鏈體系裏具有相當(dāng)?shù)膬?yōu)勢(shì)，如產(chǎn)能易於擴(kuò)展、品質(zhì)優(yōu)和成本控制，尤其是目前碳化矽的整個(gè)供應(yīng)鏈的每一個(gè)環(huán)節(jié)，並非那麼容易可靠的高質(zhì)量的量產(chǎn)，這個(gè)和矽的供應(yīng)體系下不太一樣。在矽的供應(yīng)鏈裏，矽片（基板）通常會(huì)被交給第三方來(lái)生產(chǎn)，第三方的品質(zhì)、成本和良率都做得相當(dāng)不錯(cuò)。
接下來(lái)，我們會(huì)對(duì)基板和磊晶的生產(chǎn)進(jìn)行展開(kāi)，這樣大家就會(huì)明白為什麼安森美選擇在碳化矽領(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)不多具有從基板到模組、到系統(tǒng)能力的公司。
晶體/基板（substrate）
我們的晶片都是在基板的基礎(chǔ)上長(zhǎng)上一層薄薄的磊晶，然後才拿去製作晶片。那基板又是怎樣生產(chǎn)製造出來(lái)的呢？在此涉及到兩個(gè)步驟，首先是將碳化矽粉放到長(zhǎng)晶爐裏生長(zhǎng)成晶體得到碳化矽晶錠，碳化矽晶錠需要打磨拋光，然後送去切割，並經(jīng)過(guò)拋光，如此得到了生產(chǎn)器件需要的晶圓基板，圖一是一個(gè)長(zhǎng)晶爐的示意圖和實(shí)物照片。
| 圖一 : 長(zhǎng)晶爐示意圖和實(shí)物 |
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在其中涉及兩個(gè)關(guān)鍵的步驟，晶體生長(zhǎng)，晶錠切割和拋光。圖二則是從碳化矽粉到基板的生產(chǎn)流程簡(jiǎn)易圖。
目前比較成熟的碳化矽晶體生長(zhǎng)方法主要是PVT和CVD兩種，它們都屬於氣象生長(zhǎng)（vapor phase growth），而碳化矽型體主要是4H和6H兩種。
首先我們來(lái)看看晶體的生長(zhǎng)都面臨哪些挑戰(zhàn)：
? 要擁有高品質(zhì)的籽晶（種子）
? 減少?gòu)淖丫У叫律L(zhǎng)的晶體缺陷的技術(shù)
? 晶體生長(zhǎng)需要高溫（>2000℃）
o 在這些溫度和生長(zhǎng)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）
? 源頭的純淨(jìng)度—缺陷的晶核點(diǎn)
? 與Si相比，晶錠長(zhǎng)寬比往往較低
? 整個(gè)行業(yè)面臨的主要挑戰(zhàn)是長(zhǎng)出更長(zhǎng)的無(wú)缺陷晶體
? 晶體直徑擴(kuò)大（目前最大是8吋）
o 無(wú)裂紋、高結(jié)晶品質(zhì)（晶片邊緣附近的晶界、缺陷等）
而GTAT本身從生產(chǎn)製造長(zhǎng)晶爐起家，到現(xiàn)在約有20年的碳化矽長(zhǎng)晶爐設(shè)計(jì)製造經(jīng)驗(yàn)，對(duì)於晶體生長(zhǎng)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(cè)和標(biāo)識(shí)能力。
談到碳化矽的缺陷，下列為碳化矽晶體幾種典型的缺陷：
? 晶型不穩(wěn)定性
? 開(kāi)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
這些缺陷都是在基板或者說(shuō)晶錠階段產(chǎn)生的，但是這些缺陷一旦產(chǎn)生了，就沒(méi)法消除，它們會(huì)繼續(xù)衍生到磊晶層，最終會(huì)影響到器件的品質(zhì)。所以不僅需要在基板階段時(shí)標(biāo)識(shí)出來(lái)，在磊晶層也要將它們標(biāo)識(shí)出來(lái)以排除在外，這對(duì)於磊晶層帶來(lái)了挑戰(zhàn)。
高質(zhì)量的晶體是整個(gè)碳化矽供應(yīng)鏈的基石，而GTAT在這些方面積累豐富的生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，它確保了安森美的碳化矽器件是在一個(gè)高質(zhì)量的基板上完成的，同時(shí)我們也可以非?？焖俚臄U(kuò)產(chǎn)。
Epitaxy — EPI磊晶
碳化矽磊晶層是指在碳化矽器件製造工藝中，生長(zhǎng)沉積在晶圓基板上的那一部分。為什麼需要磊晶？在某些情況下，需要碳化矽有非常純的與基板有相同晶體結(jié)構(gòu)表面，還要保持對(duì)雜質(zhì)類型和濃度的控制。這要通過(guò)在碳化矽基板表面澱積一個(gè)磊晶層來(lái)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磊晶層加工完成的，它的品質(zhì)對(duì)於器件來(lái)說(shuō)重要性可見(jiàn)一斑。
不同的器件對(duì)於磊晶的要求不一樣。二極體對(duì)於磊晶的偏差和缺陷要求和MOSFET，對(duì)於它們的要求是兩個(gè)不同層次的需求。MOSFET對(duì)於磊晶品質(zhì)的要求很高。摻雜的偏差會(huì)影響MOSFET的Rdson分佈，有些缺陷會(huì)導(dǎo)致MOSFET輕則漏電流偏大，嚴(yán)重的會(huì)導(dǎo)致MOSFET失效。
目前來(lái)說(shuō)，磊晶比較成熟的加工技術(shù)是CVD，這也導(dǎo)致很多人誤認(rèn)為磊晶比較容易加工。其實(shí)這是一個(gè)誤解，磊晶並不是簡(jiǎn)單的把CVD的爐子買回來(lái)，就可以把它們做好，當(dāng)然相對(duì)晶體基板來(lái)說(shuō)，它要相對(duì)簡(jiǎn)單一些，但是並不代表它很容易做好，磊晶和晶體基板面臨的挑戰(zhàn)是不一樣的。也有很多人說(shuō)現(xiàn)在市場(chǎng)上很多公司都有能力加工二極體的磊晶，他們只要稍微升級(jí)一下設(shè)備就可以很好的生長(zhǎng)MOSFET的磊晶了，這個(gè)說(shuō)法有待商榷。
因?yàn)榫拖袂拔拿枋鯩OSFET和二極體對(duì)於磊晶的要求不一樣，他們對(duì)於一致性和翹曲度等要求也不是一個(gè)數(shù)量級(jí)的。在磊晶這一個(gè)環(huán)節(jié)，安森美早在併購(gòu)GTAT之前，在碳化矽的磊晶和晶圓生產(chǎn)研發(fā)方面已經(jīng)擁有超過(guò)10年的經(jīng)驗(yàn)。因此將繼續(xù)保持這一優(yōu)勢(shì)，在擴(kuò)大基板生產(chǎn)的同時(shí)也擴(kuò)大磊晶的生產(chǎn)。
相對(duì)晶錠基板不同的是，磊晶的挑戰(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(cè)和標(biāo)識(shí)追蹤能力
? 底部缺陷快速檢測(cè)和標(biāo)識(shí)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(cè)到的缺陷進(jìn)行分類。
圖六是一個(gè)完整的MOSFET active cell，包含基板的缺陷，然後衍生到磊晶的缺陷。
| 圖六 : 碳化矽MOSFET缺陷剖面圖—基板磊晶缺陷 |
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總結(jié)一下，由於基板的缺陷不能在磊晶層去把它消除，所以我們會(huì)採(cǎi)取一定的策略，讓致命缺陷惡化，然後把它們篩選出來(lái)，如此在磊晶這一個(gè)流程中就要求基板的缺陷具有可追溯性，所以對(duì)於基板和磊晶都自行生產(chǎn)的公司就具有天然的優(yōu)勢(shì)，可以比較好的控制缺陷率。
由於基板和磊晶和晶片的技術(shù)發(fā)展相關(guān)性不大，所以單獨(dú)把這兩個(gè)流程拿出來(lái)和大家分享，接下來(lái)的晶片技術(shù)發(fā)展，比如MOSFET的平面結(jié)構(gòu)或者溝槽結(jié)構(gòu)，都是直接在磊晶層裏加工，後面的技術(shù)發(fā)展將再分別討論。安森美在基板和磊晶的供應(yīng)鏈上垂直整合自己的內(nèi)部資源，對(duì)於客戶來(lái)說(shuō)，供給可以預(yù)測(cè)，此一供應(yīng)模式為積極簽署長(zhǎng)期供應(yīng)協(xié)議的全球性客戶給予長(zhǎng)期保障。
（本文作者陸濤為安森美中國(guó)區(qū)車規(guī)功率模組產(chǎn)品線經(jīng)理）
