环球资讯：碳化硅的晶圆成本难题和未来发展方向

碳化硅（SiC）已经到来，这是一件大事。在 2023 年 APEC 展会上到处都是，并附有一根绳子：SiC 器件的成本明显高于硅器件。关于SiC的几次研讨会和主题演讲提供了有关成本问题以及行业正在采取哪些措施来解决这些问题的第一手细节。

Power America执行董事兼首席技术官Victor Veliadis在2023年APEC大会上发表了题为“碳化硅大规模商业化和未来趋势”的主题演讲，概述了晶圆成本、缺陷、器件领域的可扩展性、可靠性和耐用性问题，这些都是下一代电力电子中SiC的主要障碍。Power America 是一个由行业、大学和国家实验室组成的成员驱动联盟。

(资料图片)

“商用硅制造工艺是精简和高产量的，”Veliadis说。“在SiC中，您需要特定于SiC的工艺，因为它是一种非常坚硬的材料。这使得SiC晶圆（目前从150毫米到200毫米）非常复杂。“更多的复杂性不可避免地导致更高的成本，”他补充说。

在强调需要新的晶圆厂模式和充满活力的SiC制造基础设施的同时，他建议使用旧设备制造硅器件，并辅以SiC专用工具。“通过添加SiC专用工具，在使用30年历史的设备的同时，在硅晶圆厂中处理SiC，并探索硅的规模经济。”

Victor Veliadis在2023年APEC的主题演讲中强调了SiC对新晶圆厂模式和制造基础设施的需求

缩小到最关键的问题 - 成本 - Veliadis声称40%至60%的SiC器件成本与基板有关。“晶圆衬底的复杂性是高于硅器件成本的关键因素，”他补充说。这就解释了为什么意法半导体（ST）和安森美半导体（onsemi）等几家主要的碳化硅企业都在积极加强碳化硅晶圆供应。

垂直整合又回来了

意法半导体（ST）在这方面非常突出，首先收购了瑞典SiC晶圆供应商Norstel，然后深化了与法国材料供应商Soitec在SiC衬底技术方面的合作。Soitec 是最早提供 200 mm SiC 晶圆的供应商之一。

此外，为了提高SiC器件的产量，意法半导体正在意大利卡塔尼亚建造一座专门生产SiC器件的新晶圆厂。除了位于意大利卡塔尼亚和新加坡宏茂桥的前端晶圆厂外，意法半导体还在中国深圳和摩洛哥布斯库拉设有组装和测试后端设施。接下来，意法半导体在瑞典诺尔雪平开始小批量生产150毫米的基板。在这里，它还在试验200毫米原型，以提高晶圆质量和产量。

在APEC会议上，意法半导体汽车功率晶体管美洲市场经理Gianluca Aureliano在谈到意法半导体对SiC晶圆管理的关注时，承认了制造SiC晶圆和相关缺陷问题的复杂性。“用于SiC制造的专用机器可能会导致额外的成本，”他说。“这是一种新材料，所以材料成本是一个重要因素。

图2垂直整合正在SiC技术领域卷土重来

在从仙童半导体继承SiC业务并将SiC转变为汽车和工业市场的战略赌注五年后，安森美收购了新罕布什尔州的SiC材料供应商GT Advanced Technologies（GTAT）。值得一提的是，仙童在2016年被安森美收购之前，曾收购瑞典初创公司TranSiC进入SiC市场。

此外，安森美和英飞凌还与GTAT签订了碳化硅晶圆供应协议，之后安森美以4.15亿美元的现金交易收购了GTAT，以加强其有竞争力的碳化硅晶圆供应。现在，安森美计划将GTAT的SiC晶体生长技术扩展到150毫米和200毫米晶圆领域。

外延层成本

英飞凌科技集团宽带隙高级总监Peter Friedrichs承认，晶圆是SiC器件的主要成本点。然而，与Veliadis的观点产生共鸣，他指出，前端SiC制造与硅基IGBT没有太大区别。“这为将硅晶圆厂与专门的SiC工具一起使用打开了大门。

弗里德里希还指出，外延过程主要构成成本。SiC外延片是通过在单晶SiC衬底表面沉积和生长外延SiC层而生产的。

“Epi需要要求苛刻的工具，而且价格昂贵，”他补充说。英飞凌对SiC基板采用了多源方法，以降低晶圆成本。值得注意的是，像Resonac这样的晶圆供应商现在提供的工具可以防止SiC衬底中存在的位错缺陷扩展到外延SiC层中。

英飞凌与Resonac（前身为昭和电工）签署了一项为期多年的SiC晶圆供应协议

Friedrichs和Veliadis同意另一个关键前提：高SiC器件成本可以通过降低系统级的总体成本来补偿。“通过减少更高频率下的磁性元件量和简化的热管理，可以实现更低的系统成本，”Veliadis在他的主题演讲中说。

除了成本，晶圆缺陷是SiC器件制造中令人头疼的一大问题。“缺陷的存在限制了设备区域的可扩展性，”Veliadis说。“为了最大限度地减少缺陷，工程师必须控制阈值稳定性。因此，工程师可以通过减少缺陷来制造更大面积的器件。

SiC器件的耐用性是另一个关键问题，与高雪崩耐受性有关。“SiC电路的耐用性是通过具有保护功能的快速栅极驱动器实现的，”Veliadis说。这指明了前进的道路，挑战将随着时间的推移而克服。

随着对SiC晶体生长、外延层和稳健晶圆供应的更多关注，SiC的组件成本预计将随着时间的推移而下降。尽管挑战是真实的，但风险太大，现状无法长期将SiC进展作为押注对象。