6英寸碳化硅晶圆市场分析 6英寸碳化硅晶体
集微网消息，汽车电动化推动了对碳化硅功率集成电路的需求，但同时也给寻找和识别这些芯片中的缺陷带来了挑战。对此，技术分析机构semiengieering给出了具体分析。
与此同时，业界越来越意识到碳化硅技术是多么不成熟，还有很多工作需要完成，而且需要迅速完成。汽车制造商正大力发展电动车，并且从400V升级至800V电池系统，加速了电动汽车电源模块从IGBT到碳化硅器件的转变。结果将是碳化硅需求呈指数级增长，而所有这些都需要完美无瑕地运行。
“电动汽车和可再生能源的快速增长正在使功率半导体市场发生重大变化，”国家仪器公司SET部门副总裁兼技术负责人Frank Heidemann表示，“这种转变推动了对提高效率的需求，特别是在汽车领域，从而引发了碳化硅和氮化镓等宽带隙技术的出现。”
与硅基的IGBT器件相比，碳化硅器件具有多种性能优势，使其成为更好的选择。
“功率密度、更高的电压和有吸引力的热性能是使碳化硅功率器件对那些制造非常高效的电机驱动器、非常密集的电机驱动器或聚合电路的人具有吸引力的三个因素，”Wolfspeed公司功率IC副总裁高级工程师Jay Cameron表示。“我们看到许多需要大功率但体积更小或更轻的应用。因此，如果你希望拥有使用较少铜材更轻量级的系统，那么使用碳化硅，就可以在保持高功率水平的同时进行电压和电流之间的权衡来实现这一目标。”
基于碳化硅的功率模块需要更少的集成电路，并且不需要太多冷却，这减少了所需的热解决方案的数量。这些模块在各个电池系统之间、充电站和电池系统之间，以及电机和电池系统之间执行各种基本的电压转换。
在400V电池系统中，IGBT器件一直是支持这些功能的主要集成电路。为了降低整体功率模块的成本，工程师们已经开始从IGBT转向碳化硅器件，但随着从400V升级至800V的电池车辆的转变，这种转变正在加速进行。碳化硅可以在高达1200V的电压下工作。
为了满足对碳化硅日益增长的需求，行业需要加快生产速度。这意味着要解决长期以来影响碳化硅生产的制造挑战。这些挑战包括高昂的器件成本以及缺陷和可靠性问题。为了解决成本问题，碳化硅基片制造商正在从8英寸转向12英寸晶圆。然而，这种预期的指数增长给碳化硅器件的筛选带来了挑战，这将需要制造商和检测测试设备供应商进行创新。
NI公司的Heidemann表示：“与传统的硅器件相比，这些宽带隙器件在生产线末端（EoL，即晶圆、封装、模块和系统制造过程末端进行的测试）测试中面临着独特的挑战，因为它们展示了不同的故障机制和模型。”他还说：“此外，对它们进行可靠性和高达2000伏或更高的高压环境测试，对于以前没有针对这些要求设计的EoL测试系统来说是一个重大挑战。”
碳化硅的制造过程有时会导致影响基本功能和性能特性的缺陷，因此需要通过检查和电气测试进行筛选。高电压和高电流测试需要精心设计的测试系统，既能提供必要的电流和电压，又能在不可避免的短路发生时保护设备。
到目前为止，这种筛选工作一直在低容量下进行。要扩大到更高容量需要创新，才能确保筛选的有效性和成本效益。
检验和计量方法
硅和碳化硅功率IC之间的一个关键区别与衬底的生长方式有关。作为一种均匀的晶体结构，硅几乎没有亚表面缺陷。相比之下，碳化硅是通过化学气相沉积进行生长的，这可能导致各种亚表面缺陷，如堆垛层错和微管缺陷。在随后的外延生长过程中，晶体缺陷会传播。此外，由于碳化硅是一种脆性材料，它更容易出现如划痕和凹陷等表面缺陷，这可能会影响整个晶圆的性能。
此外，碳化硅晶圆在处理过程中容易破裂，切割成片后会产生更多的裂纹，这些裂纹可能会扩展。因此，在整个晶圆和组装过程中进行检查至关重要。
由于其高吞吐量，工程师在碳化硅制造过程中主要依赖于光学检测系统。一些公司提供专门用于碳化硅的光学检测工具，包括审查和分类功能。
计量技术则较为复杂。计量反馈涉及众多参数，工艺工程师需要测量这些参数，包括衬底平整度和厚度、晶格取向、电阻和表面粗糙度等。反过来，这些参数又需要使用各种不同的系统进行测量。
“白光干涉测量仪器被用于衬底制造过程中的质量保证/质量控制，以测量硅、氮化镓和碳化硅晶圆的粗糙度（亚纳米级），”Bruker公司的白光干涉仪产品经理Sandra Bergmann表示，“碳化硅衬底的生产更具挑战性。由于其硬度较高，抛光过程困难。因此，白光干涉测量对于优化/跟踪抛光过程至关重要。”
碳化硅器件可以是平面或沟槽结构技术。白光干涉测量尤其适用于沟槽深度计量。
“在高电压集成电路制程中，对于高深宽比沟槽深度的测量，白光干涉测量仪器可以从2µm的开口测量到40µm的深度，”Bergmann表示。“它是非破坏性的，并且可以在视野范围内同时检测所有的沟槽。我们通常使用5倍物镜和0.5平方毫米的探测区域。我们还能提供整个视野范围内沟槽深度的完整变化。”
晶圆检测需要考虑表面缺陷和亚表面缺陷，其中亚表面缺陷对于碳化硅尤为重要。
Onto Innovation公司的检测产品市场经理Burhan Ali表示：“光学检测技术用于缺陷检测，而X射线和光致发光则用于计量。光学检测的挑战在于它在高吞吐量下能有效地检测到表面缺陷，但当涉及亚表面晶体缺陷时很快就会失去效果。在这些情况下，光致发光技术已被证明可以有效地检测碳化硅衬底和外延层的亚表面晶体缺陷。”
在整个组装过程中都需要进行检测。由于高吞吐量和低设备投资，光学检测是首选的方法。但光学检测只能检测表面缺陷。对于检测中度到高密度的亚表面缺陷，X射线是首选解决方案，因为它可以高速运行2D模式。另外，声学检测可以轻松检测到分层，但需要将零件浸入水中。
Amkor Technology的全球测试服务副总裁George Harris表示：“手动、光学和X射线检测都是非破坏性的方法。基本的X射线检测对于包装完整性的评估非常有用。很多系统性的缺陷模式可以通过X射线轻松识别，因此深受客户欢迎。根据客户的要求，还可以在专门的故障分析实验室进行破坏性的机械横截面和扫描电子显微镜检测。”
检测不仅限于电气问题，还可以用于识别可能影响热管理的缺陷。
Nordson Test
