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回顧現今主流碳化矽磊晶設備特點

回顧現今主流碳化矽磊晶設備特點

前言：

　　與矽基半導體主流的矽磊晶設備最大的不同點是，碳化矽磊晶設備(甚至是整個化合物半導體磊晶設備)仍然在沿用五十年前的熱壁式反應腔體為主軸的設計概念，而非矽基半導體磊晶設備主流的，應用材料與先藝科技為代表的，強調精準溫控的冷壁式反應腔體。

　　因此在碳化矽磊晶設備仍然可以看到，歷史長河中，應用材料創業成為半導體製造設備商之前，矽基半導體仍然癡心夢想著積體電路的美麗新世界，卻猶困於堆滿結晶瑕疵的簡單電晶體世界，做著一再困獸猶鬥的無謂努力。

現今主流碳化矽磊晶設備：

  • 以設計簡單，成本低廉著稱的義大利LPE公司(於2022十月三日被先藝科技所併購)之水平單片式碳化矽磊晶設備，同時也是目前中國大陸地區全國產化的碳化矽磊晶設備的主流設計，其腔體如下圖所示：

LPE熱壁式反應腔溫度分佈模擬仿真圖

  • 宣稱是熱壁式改良版的日本Nuflare單片垂直式碳化矽磊晶設備，希望藉其大幅拉高近兩米，總高接近三米的反應腔體，可以改善反應腔頂部的副產品沉積來減少掉落物所引發的結晶瑕疵(有些微改善，但卻需付出重大成本代價)，其腔體如下圖所示(圖中代號120與100(含102與104)為加熱器)：

Nuflare垂直熱壁式反應腔剖面示意圖

  • 對外表明是更加改良的溫壁式德國愛思強(Aixtron)多片水平式G5型號碳化矽磊晶設備，採用底部三組電熱絲加熱，號稱可以改善反應腔內壁的副產品沉積來減少掉落物所引發的結晶瑕疵(有些微改善，但卻同樣需付出重大成本代價)，其腔體如下圖(代號28為加熱器)所示：

愛思強多片溫壁式反應腔剖面示意圖

　　因此，以上三種目前全球前三大主流碳化矽磊晶設備機種，全然奠基於原本在矽基半導體產業歸屬於上個世紀七十年代的骨董級設計理念，引導了目前全世界蜂擁而至的碳化矽磊晶設備後起之秀們的設計思想主流。

　　然而，其溫度分布顯然嚴重違反了表面科學中，關於化學汽相沉積法對於溫度達到反應溫度以晶圓表面為限，其餘反應腔體內應儘可能保持在恆定的，儘可能遠低於反應溫度的理想狀態，與此規範相去甚遠，因此而導致了目前所見，碳化矽功率元件普遍受困於成本居高不下，講究優質高可靠性，使用壽命需長達十年的車規級功率元件之良率一直謙卑到一整個不行的困境。

現今主流矽磊晶設備供應商有否可能進入碳化矽磊晶市場：

　　2023年十11月1日於深圳市政府所舉辦的半導體科技論壇中，美國應用材料副總裁原先生坦承，應用材料尚未就進軍包括碳化矽磊晶在內的化合物半導體磊晶設備市場做好準備。

　　至於先藝科技則是，早於2022年10月3日為進軍中包括碳化矽磊晶在內的化合物半導體磊晶設備市場，一舉斥巨資併購義大利LPE公司所有股權，藉此搶進此一市場，而非挾其久居矽基磊晶設備全球亞軍之實力，加以研究改良搶佔此一高速成長市場。

結論：

　　綜上所述，環顧全球竟無一家公司有十足把握立足碳化矽磊晶市場，以橫掃天下碳化矽磊晶瑕疵為己任，力救全世界碳化矽功率元件廠商於良率低下之陷溺之中。

　　那麼，愛華科技何德何能，竟敢妄想憑一己之力，擔此重任？原因何在？

　　敬請稍安勿躁，且聽愛華科技將來為您專章說分明。感謝您的理解與諒解！

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碳化矽功率元件於電動車逆變器應用之後追求更高電壓與更高功率的技術難題

碳化矽功率元件於電動車逆變器應用之後追求更高電壓與更高功率的技術難題

前言：

　　毫無疑問，碳化矽（一種所謂的第三代寬頻隙半導體）正在發揮其眾所周知的潛力，汽車產業在過去五年中一直是該材料的公開試驗場。基於碳化矽的傳動系統逆變器（將電池側的直流電轉換為馬達側所需的交流電的電源轉換器）比基於矽基 IGBT 的組件更小、更輕且更有效率。

　　然而，電氣化進程不會以汽車開始，也不會結束於汽車應用。更廣泛的運輸應用可望很快就會出現，包括卡車和公共汽車、海運和航運、火車的進一步電氣化，甚至飛機。在供應方面，併網太陽能係統以及透過高壓直流（HVDC）線路進行的能源傳輸對於低碳能源的生產和分配也至關重要。

　　這些應用的一個共同主題是更高系統電壓以及更高電壓功率元件的潛在作用。在電動車中，從 400 V 轉變為 800 V 的好處主要是充電速率可能更快。在太陽能逆變器中，從 1,000V 系統持續轉變為 1,500V 系統，減少了光伏組串、逆變器、電纜和直流接線盒的數量，所有這些都提高了效率並節省了成本。在標稱電壓為數百伏特的千兆瓦高壓直流輸電裝置中，較高的單一設備額定值可減少多級堆疊中所需的設備數量，從而減少維護和整體系統尺寸。

　　碳化矽功率元件有潛力成為這些領域的關鍵推動者。然而，如今，市面上可用的碳化矽功率元件的應用範圍仍舊極其狹窄，從 650 V 到 1,200 V，只有少量 1,700 V 元件可用，而 3,300 V 在技術上看起來完全可以實現，然而，目前只有 GeneSiC提供元件提供此等電壓水平的碳化矽功率元件。

目前的矽和碳化矽功率元件格局，以及對碳化矽未來潛在市場的預測

成本觀點：

　　從技術上來說，SiC MOSFET 技術的工業化量產幾乎沒有什麼可阻止的。3.3 kV 碳化矽功率元件在學術文獻中已經相當成熟，1並且製造高達約 10 kV 的優質碳化矽磊晶層所需的技術已經存在。

　　然而，正如使用PGC Consultancy 的 SiC 晶片成本模型所建構的模擬那樣，碳化矽功率元件晶片的生產成本在較高電壓的運用環境下會發生變化。首先，所需的電壓越高，支援它的漂移區(drift region)必須越寬(意即所需的碳化矽磊晶厚度需要越厚)，因此磊晶的成本自然就越高。其影響如下圖所示，其中可以看出，對於 60 µm、6.5 kV 的碳化矽功率元件而言，磊晶的成本將會超過碳化矽晶圓，成為最大的製造成本。

SiC MOSFET 擴展到 15 kV 時的預期成本。（不包括分選/鑑定後晶片良率。Epi 良率以 100-A 晶片和 0.2 缺陷/cm 2為模型。）

　　雖然類似愛思強(Aixtron)的G5這類型的多晶圓碳化矽磊晶設備的運用，可能會較傳統的單晶圓碳化矽磊晶設備降低碳化矽磊晶成本，但如前所述，由於必須增厚的漂移區以增加電阻所引起的碳化矽磊晶成本問題，則是無可避免的。

　　電壓等級的每一個提升都需要一個比之前等級更厚且摻雜含量更低的漂移區。當電壓加倍時，電阻將增加約 5.5 倍。2為了抵消這個問題，並保持給定的電流/電阻額定值（上圖中的 100A 晶片），必須按比例增加晶片尺寸。然而，擴大晶片尺寸會對產量產生複合影響，進而影響整體成本，因為每個晶圓生產的晶片數量較少，並且由於晶片尺寸增大所導致的磊晶缺陷，所從而必然抵消的良率比例，因而使最終的良率損失所帶來的額外成本要高出許多，縱使業界經過不斷的努力，最終可以保持較低的缺陷密度（例如上圖中為 0.2 個缺陷/cm 2），依然難以避免此厄運。

　　這些影響的結果如上圖所示，體現在較高工作電壓之下，不斷上升的磊晶良率損失所帶來的巨幅額外成本，因而導致瘋狂飆升的晶片成本（15 kV 時，晶片成本達到 650 V 晶片的 75 倍）。

　　若單純從技術來看，碳化矽金屬氧化物半導體廠效電晶體看起來是可高達 6.5 kV、甚至可能高達 10 kV ，都是技術上的可行方案，但與這些碳化矽功率元件相關的驚人成本，則可能會阻礙更高電壓的碳化矽功率元件的商品化實現。

 

碳化矽功率元件應用於電動車逆變器的良率所影響的成本問題：

　　碳化矽（SiC）磊晶層的質量，即磊晶層的均勻性與擴展缺陷的密度，對於高功率 4H-SiC 溝槽金屬氧化物半導體場效電晶體 (Trench-MOSFET) 元件至關重要。特別是，碳化矽功率元件的良率，因大晶片面積的必要需求，而受到擴展缺陷對於良率的嚴重影響。傳統上，功率元件必須被良好設計，以儘可能效減少磊晶層之擴展缺陷密度對於良率的影響。 溝槽式僅屬氧化物半導體廠效電晶體(Trench-MOSFET) 等類型的功率元件設計是功率元件產業的一個廣泛解決的方式。

　　因此，n 型磊晶層生長在大約 1,000 個６吋商用4H碳化矽晶圓上，這些碳化矽晶圓使用了兩個具有最低微管密度的碳化矽晶圓供應商。在磊晶之前，碳化矽晶圓接受化學濕式清洗。接著，對這些碳化矽晶圓以表徵顯微鏡缺陷檢測儀器以及紫外光致發光技術，對晶圓進行了表面缺陷的檢測。隨後，這些晶圓被用於生產超過五十萬個4H-SiC 溝槽金屬氧化物半導體場效電晶體功率元件。所有功率元件均已在晶圓上進行了測試其完整電性性能。

　　在下圖中，碳化矽功率元件須具備擴展缺陷方屬於本次評估的範圍，因此雖然德國博世公司揭露該公司之某類產品之良率如下圖所示約22%，亦可推估去年某大第三代半導體市場情報集團所言，2023年全頂尖二大碳化矽功率元件大廠的車規碳化矽功率元件平均良率約在11~12%之間，極可能是毫無牴觸的。

對於每個考慮的關鍵缺陷類別，TrenchMOSFET 晶圓級上不同初始電氣元件故障的常態化比率(normalized ratio)。僅（電氣良好/不良）設備具有缺陷被考慮

　　上圖中即便排除了非屬於擴展缺陷類別的碳化矽車規功率元件之不良比率，以世界知名大廠德國博世公司而言，該公司的良率也不過22%，相較於台晶電最先進的邏輯芯片製程，無須一年，往往就可以提升其良率到達驚人的九成以上，碳化矽車規功率元件的全球良率成績真的是驚人的低。

　　上圖中屬於堆疊層錯內含3C結晶結構碳化矽(stacking faults with 3c-SiC inclusion)的缺陷原因所導致的良率最低，堪稱頭號良率殺手；微粒子汙染相關(particle related)的缺陷原因所導致的良率次低，堪稱二級良率殺手；含碳原子(團)與微管瑕疵(micro-pipes defects)等瑕疵則是第三號殺手。更多的碳化矽車規功率元件之良率殺手排名則詳如下圖所示。

由超過五十萬個溝渠式金屬氧化物場效電晶體Trench-MOSFET功率元件中以良率損害率排名的重要缺陷之分析

結論：

　　上述這些良率殺手對於電動車逆變器應用的碳化矽功率元件的市場開拓至關重要，而在開拓更高電壓，更高功率的高價值的碳化矽功率元件市場方面，如何有效解決這些良率殺手，尤其是打蛇抓七吋，對於與磊晶階段的微粒子與空間中反應的化學沉積物相關的磊晶缺陷，屬於前兩大良率殺手，有沒有有效遏制，實為當前業界必須戮力以赴的重責大任。

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電動車逆變器應用SIC功率元件的主要良率問題

電動車逆變器應用SiC功率元件的主要良率問題

前言：

　　晶體管作為數位電子產品的建構模組間歇性地存在。半導體電晶體的發明取代了用於電氣開關的真空管，使人類在技術上取得了一些最終的飛躍。

 

　　電子領域最常見的電晶體類型是 MOSFET 電晶體或金屬氧化物半導體場效電晶體。這些電晶體利用半導體材料的特殊性質，讓小電流訊號控制有時大得多的電流訊號的切換。一種 MOSFET，用作電力電子電路中的開關，經過專門優化，可以承受高電壓並以最小的能量損失傳遞負載電流。

　　新型化合物半導體材料碳化矽 (SiC) 在製造這些功率開關 MOSFET 方面比矽具有多種優勢，且難度極高。 SiC 具有 10 倍的擊穿電場強度和 3 倍的帶隙，並可實現裝置構造所需的各種 p 型和 n 型控制。 SiC 的導熱係數是矽的 3 倍，這表示冷卻能力是矽的 3 倍。

半導體材料比較（碳化矽、矽、氮化鎵）

　　因此，以碳化矽建構的 MOSFET 比單獨的矽有了顯著的進步。 SiC MOSFET 具有更高的擊穿電壓、更好的冷卻和耐溫能力，因此物理尺寸可以做得更小。 IGBT（絕緣柵雙極電晶體）主要用於 600V 以上的開關電壓，但碳化矽材料使 MOSFET 可用於 1700V 和更高的電流。 SiC MOSFET 的開關損耗也比 IGBT 低得多，並且可以在更高的頻率下工作。

　　由於這些和其他優點，SiC MOSFET 越來越多地用於工業設備的電源和高效能電源調節器的逆變器/轉換器。

電動車逆變器應用SiC功率元件的5大良率問題（重點在於可靠性）如下：

  • 材料缺陷：碳化矽功率元件受微管、閉芯螺位錯、基面位錯、小角度晶界等材料缺陷的影響，會限制裝置的良率和可靠性

　　現代碳化矽晶圓和磊晶層中的缺陷也已被證明可以降低擊穿電壓場，導致更高的漏電流，並降低碳化矽功率元件的導通狀態電性性能。這些缺陷包括微管、位錯、晶界和外延缺陷。對經歷導通狀態退化的 PN 二極體的光學觀察表明，移動和傳播晶體堆疊層錯同時形成。這些斷層成核於晶界並滲透到裝置的整個主動區域，從而於碳化矽功率元件於長時間操作之後的明顯性能降低。

同一晶片上兩個相鄰二極體 (a) 頂部和 (b) 底部退化過程中不同時間間隔的發光影像

　　這些位錯傳播的發生率於實驗中被發現，其隨著電流密度的增加而增加。更高的工作溫度和更厚的外延厚度也會導致位錯這類結晶缺陷的發生率更高。

  • 晶圓級缺陷：晶圓級缺陷，包括生長坑和胡蘿蔔缺陷，可能會為碳化矽功率元件帶來不利條件，影響其可靠性和良率

在碳化矽晶錠和晶圓中觀察到的主要擴展缺陷

　　半導體中的缺陷還可分為：點缺陷(point defects)和擴展缺陷(extended defects)。 點缺陷集中在一個晶格位置，僅涉及幾個最近的緊鄰原子，並且不至於擴展到任何的空間維度。 反觀擴展缺陷，例如晶界、位錯和/或堆疊層錯在所有維度上擴展。

　　大多數碳化矽功率元件的製造方式使得它們的電活性區域完全位於碳化矽晶體晶圓(或稱襯底)上所生長的磊晶(或稱外延)層內。 這些碳化矽功率元件的電氣特性很大程度上取決於磊晶品質和半導體表面的光滑度。 在碳化矽外延層中，常見的缺陷有很多種類，其中明顯影響碳化矽功率元件電性性能的，主要有螺紋螺位錯（TSD）、螺紋刃口位錯 (TED)、基底位錯 (BPD)、小生長坑、三角形夾雜物、胡蘿蔔和彗尾缺陷。

  • 高溫性能：碳化矽功率元件預計將比傳統矽基元件在更高的溫度下運作。 確保 碳化矽功率元件在高溫下的可靠性和良率是一個關鍵問題

　　儘管技術發展迅速，但仍存在一些限制碳化矽功率元件發展的可靠性能問題。最重要的問題之一涉及晶體缺陷的存在，會因為碳化矽功率元件於工作狀態下，因受熱機械應力而傳播(擴展)這些缺陷，可以達到碳化矽功率元件之電性活性區域並毀壞它，因此這些缺陷也被稱為碳化矽功率元件的「致命缺陷」。需要實施適當的可靠性測試來預先篩選，以篩檢並淘汰掉可靠性有疑慮的的碳化矽功率元件。

  • 介電性能和可靠性：碳化矽功率元件面臨與介電性能和可靠性相關的挑戰，包括載子隧道進入電介質和晶體缺陷形成的問題，這些問題可能會影響裝置的長期可靠性

　　良好的閘極氧化物可以承受高達 10 MV/cm 的電壓。 然而，在製造過程中，一定將不可避免地產生結晶缺陷，從而降低了隨時間劣化的電介質擊穿（TDDB）壽命品質。 尤其是在高電場的使用條件下，陽極這一區塊會發生電洞注入的問題，於是產生逐漸降解氧化物的電子陷阱。

結論：

　　上述這些問題對於電動車逆變器應用的碳化矽功率元件的開發和製造至關重要，因為它們直接影響這些碳化矽功率元件在嚴苛的汽車環境中，所要求的可靠性和品質。

　　而上述諸項因素的分類，顯然都與碳化矽晶圓與或碳化矽磊晶品質息息相關！而從最終影響碳化矽功率元件運用於車規穩定性，可靠性與壽命之高壓大電流高頻高壓大電流高頻的碳化矽功率元件之良率，則首推碳化矽磊晶品質。

　　這也是為何？愛華科技創業之初，首先在茲在茲就是先由碳化矽磊晶設備著手，先從專精於精準加熱，復由表面科學中有關於化學氣相沉積反應腔的理想狀態，一步一腳印，步步踏實趨近，從而有望再現五十餘年前，應用材料將此概念奉獻給矽晶圓磊晶設備大幅以六個數量級(百萬分之一)，巨幅改善結晶瑕疵密度；愛華科技站在巨擘的肩膀上，改良習知技術運用於碳化矽乃至化合物半導體的磊晶新領域，自然是極有把握在化合物半導體磊晶領域，創建出造福人類社會的偉大企業！