本文叙述安森美在碳化矽领域从晶体到系统的全垂直整合供应链，并聚焦到其中的核心功率器件碳化矽功率模组，以及对两个碳化矽关键的供应链基板和磊晶epi进行分析。

根据中国汽车工业协会的数据，2022年1月至11月，新能源汽车产销分别完成625.3万辆和606.7万辆，同比均增长1倍，市场占有率达到25%。由此可见新能源汽车的发展已经进入了快车道。在此，我们注意到，由於里程焦虑和快速充电的要求，800V 电池母线系统获得了不少的OEM或者Tier1的青睐。

谈到800V母线系统，让我们聚焦到其中的核心功率器件碳化矽功率模组，由於碳化矽得天独厚的优势，使得它非常适合用来制造高耐压、高结温、高速的MOSFET，这三高的性质恰好契合了800V母线系统对於核心的功率器件的要求。安森美（onsemi）看好800V母线系统的发展，有一些研究机构，预测截至2026年，SiC在整个功率器件市场的占比将达到12%以上。

安森美在碳化矽的领域涉足甚早，最早从2004年就开始SiC器件的研发。但是从2021年收购了GT Advanced Technologies（GTAT）之後开始在碳化矽领域全方位投入，无论是资金、人力物力以及客户和市场。收购GTAT之後，开始了安森美在碳化矽领域的垂直整合供应链从晶体到系统之路！接下来，将对两个碳化矽的关键的供应链基板和磊晶epi进行分析。

碳化矽全垂直整合的供应链从晶体到系统

供应链从安森美位於新罕布夏州哈德逊的工厂生长单晶SiC粉材料开始。在基板上生长一层很薄的磊晶层，然後经过多个复杂的器件加工步骤生产出晶片，然後将晶片来封装成最终产品。整个制造流程端到端垂直整合，具有全面的可靠性、可追溯性，以及完善的品质测试，以确保产品零缺陷的要求。

全垂直整合的供应链，在目前的供应链体系??具有相当的优势，如产能易於扩展、品质优和成本控制，尤其是目前碳化矽的整个供应链的每一个环节，并非那麽容易可靠的高质量的量产，这个和矽的供应体系下不太一样。在矽的供应链??，矽片（基板）通常会被交给第三方来生产，第三方的品质、成本和良率都做得相当不错。

接下来，我们会对基板和磊晶的生产进行展开，这样大家就会明白为什麽安森美选择在碳化矽领域选择了全垂直整合的供应链模式，这也使得安森美成为了目前全球为数不多具有从基板到模组、到系统能力的公司。

晶体/基板（substrate）

我们的晶片都是在基板的基础上长上一层薄薄的磊晶，然後才拿去制作晶片。那基板又是怎样生产制造出来的呢？在此涉及到两个步骤，首先是将碳化矽粉放到长晶炉??生长成晶体得到碳化矽晶锭，碳化矽晶锭需要打磨抛光，然後送去切割，并经过抛光，如此得到了生产器件需要的晶圆基板，图一是一个长晶炉的示意图和实物照片。

图一 : 长晶炉示意图和实物

在其中涉及两个关键的步骤，晶体生长，晶锭切割和抛光。图二则是从碳化矽粉到基板的生产流程简易图。

图二 : 碳化矽基板生产流程图

目前比较成熟的碳化矽晶体生长方法主要是PVT和CVD两种，它们都属於气象生长（vapor phase growth），而碳化矽型体主要是4H和6H两种。

图三 : 碳化矽晶体生长方式

首先我们来看看晶体的生长都面临哪些挑战：

· 要拥有高品质的籽晶（种子）

· 减少从籽晶到新生长的晶体缺陷的技术

· 晶体生长需要高温（>2000℃）

o 在这些温度和生长时间下，很少有材料保持惰性，很容易发生反应。

· 多态性－多达220种型体，目前可用的主要是用4H和6H

· 不一致的分解（气体：Si,Si2C,SiC），（固态：碳）

· 源头的纯净度缺陷的晶核点

· 与Si相比，晶锭长宽比往往较低

· 整个行业面临的主要挑战是长出更长的无缺陷晶体

· 晶体直径扩大（目前最大是8寸）

o 无裂纹、高结晶品质（晶片边缘附近的晶界、缺陷等）

而GTAT本身从生产制造长晶炉起家，到现在约有20年的碳化矽长晶炉设计制造经验，对於晶体生长的这些挑战，GTAT拥有者丰富的经验，我们有高品质的籽晶，很好的温度的控制等，有很好的缺陷控制技术以及很好的缺陷检测和标识能力。

谈到碳化矽的缺陷，下列为碳化矽晶体几种典型的缺陷：

· 晶型不稳定性

· 开核位错（微管）

· 闭合核螺钉位错

· 低角度晶界

· 常规位错

· 基底平面位错（BPD）基底平面边缘位错或部分BPD

· 螺纹边缘错位（TED）

· 叠加故障/转换

这些缺陷都是在基板或者说晶锭阶段产生的，但是这些缺陷一旦产生了，就没法消除，它们会继续衍生到磊晶层，最终会影响到器件的品质。所以不仅需要在基板阶段时标识出来，在磊晶层也要将它们标识出来以排除在外，这对於磊晶层带来了挑战。

图四 : 碳化矽基板缺陷

高质量的晶体是整个碳化矽供应链的基石，而GTAT在这些方面积累丰富的生产经验，它确保了安森美的碳化矽器件是在一个高质量的基板上完成的，同时我们也可以非常快速的扩产。

Epitaxy  EPI磊晶

碳化矽磊晶层是指在碳化矽器件制造工艺中，生长沉积在晶圆基板上的那一部分。为什麽需要磊晶？在某些情况下，需要碳化矽有非常纯的与基板有相同晶体结构表面，还要保持对杂质类型和浓度的控制。这要通过在碳化矽基板表面淀积一个磊晶层来达到。在功率器件中，我们器件的每个单元等基本上都是在磊晶层加工完成的，它的品质对於器件来说重要性可见一斑。

不同的器件对於磊晶的要求不一样。二极体对於磊晶的偏差和缺陷要求和MOSFET，对於它们的要求是两个不同层次的需求。MOSFET对於磊晶品质的要求很高。掺杂的偏差会影响MOSFET的Rdson分布，有些缺陷会导致MOSFET轻则漏电流偏大，严重的会导致MOSFET失效。

目前来说，磊晶比较成熟的加工技术是CVD，这也导致很多人误认为磊晶比较容易加工。其实这是一个误解，磊晶并不是简单的把CVD的炉子买回来，就可以把它们做好，当然相对晶体基板来说，它要相对简单一些，但是并不代表它很容易做好，磊晶和晶体基板面临的挑战是不一样的。也有很多人说现在市场上很多公司都有能力加工二极体的磊晶，他们只要稍微升级一下设备就可以很好的生长MOSFET的磊晶了，这个说法有待商榷。

因为就像前文描述MOSFET和二极体对於磊晶的要求不一样，他们对於一致性和翘曲度等要求也不是一个数量级的。在磊晶这一个环节，安森美早在并购GTAT之前，在碳化矽的磊晶和晶圆生产研发方面已经拥有超过10年的经验。因此将继续保持这一优势，在扩大基板生产的同时也扩大磊晶的生产。

相对晶锭基板不同的是，磊晶的挑战主要集中在下面的几个指标上：

· 厚度以及一致性

· 掺杂和一致性

· 表面缺陷快速检测和标识追踪能力

· 底部缺陷快速检测和标识追踪能力

· 控制扩展缺陷

· 清洗

· 大尺寸的晶圆翘曲度的控制

我们把检测到的缺陷进行分类。

图五 : 磊晶缺陷

图六是一个完整的MOSFET active cell，包含基板的缺陷，然後衍生到磊晶的缺陷。

图六 : 碳化矽MOSFET缺陷剖面图基板磊晶缺陷

总结一下，由於基板的缺陷不能在磊晶层去把它消除，所以我们会采取一定的策略，让致命缺陷恶化，然後把它们筛选出来，如此在磊晶这一个流程中就要求基板的缺陷具有可追溯性，所以对於基板和磊晶都自行生产的公司就具有天然的优势，可以比较好的控制缺陷率。

由於基板和磊晶和晶片的技术发展相关性不大，所以单独把这两个流程拿出来和大家分享，接下来的晶片技术发展，比如MOSFET的平面结构或者沟槽结构，都是直接在磊晶层??加工，後面的技术发展将再分别讨论。安森美在基板和磊晶的供应链上垂直整合自己的内部资源，对於客户来说，供给可以预测，此一供应模式为积极签署长期供应协议的全球性客户给予长期保障。

（本文作者陆涛为安森美中国区车规功率模组产品线经理）