SmartSiC-Spezialsubstrate für Elektrofahrzeuge (EV) und industrielle Anwendungen

Die SmartSiC-Substrate von Soitec tragen dazu bei, die Leistung der Leistungselektronik zu verbessern und die Energieeffizienz von Elektrofahrzeugen zu steigern. Zudem ermöglichen sie eine höhere Empfindlichkeit und kleinere Pixelgrößen bei Hochfrequenz- und Leistungs-ICs für Smartphones.

Soitec hatte sich bisher hinsichtlich der Spezifikationen seiner SmartSiC-Wafer relativ bedeckt gehalten und bei einer ICSCRM-Präsentation im Jahr 2022 lediglich die maximalen Werte für den spezifischen Widerstand der Rückseitenkontakte bekannt gegeben. Vor kurzem veröffentlichte das Unternehmen jedoch Daten zur Oberflächenqualität und -rauheit (SFQR), die einen Fertigungsschritt im Back-End-Bereich vollständig überflüssig machen könnten.

Die SmartCut-Technologie von Soitec

Die SmartCut-Technologie von Soitec ermöglicht die zehnfache Wiederverwendung hochwertiger Mono-SiC-Substrate. Dies führt zu einer Verringerung der CO₂-Emissionen bei der Waferproduktion – ein wesentlicher Vorteil für den E-Mobilitätsmarkt.

Soitec nutzt sein patentiertes Verfahren zur Herstellung von speziell entwickelten Substraten, die in der Leistungselektronik für Elektrofahrzeuge, in der Solar- und Windenergieerzeugung sowie in Komponenten für Industrieanlagen zum Einsatz kommen. Das Werk in Bernin, Frankreich, ist ausschließlich auf die Produktion von SmartSiC-Wafern ausgerichtet.

Das von Soitec entwickelte SmartCut-Verfahren kombiniert zwei Schlüsseltechniken – Ionenimplantation und Wafer-Bonding – zur Herstellung der UNIBOND-SOI-Wafer. Ausgehend von zwei Bulk-Siliziumwafern, die mittels eines Klebstoffs miteinander verbunden wurden, um eine Oxidschicht zu bilden, werden anschließend Wasserstoffionen durch diese Schicht hindurch in das Silizium implantiert, um die SOI-Struktur zu bilden.

Die Gründer von Soitec machten sich daran, die SOI-Technologie, die damals für spezielle Anwendungen in kleinen Stückzahlen genutzt wurde, industriell zu erschließen. Um dieses Ziel zu erreichen, entwickelten sie „Smart Cut“: ein energiesparendes Verfahren zum Verbinden von Wafern, das heute als Industriestandard für die SOI-Fertigung gilt und bald auch bei der Herstellung von SiQ-Wafern zum Einsatz kommen wird – dies senkt den Gesamtenergieverbrauch bei der Waferfertigung erheblich und reduziert die damit verbundenen Energiekosten deutlich.

SmartSiCTM-Spezialsubstrate

SmartSiCTM-Spezialsubstrate ermöglichen leistungsstärkere und effizientere Leistungsbauelemente für Elektrofahrzeuge (EV) und industrielle Anwendungen, da sie eine höhere Bauelementleistung, bessere Energieeffizienz, geringere Systemkosten, leichtere Konstruktionen und kompakte Strukturen bieten. Das speziell entwickelte Substrat kombiniert eine Deckschicht aus einkristallinem SiC, die mit einem Wafer aus polykristallinem SiC als “Träger” verbunden ist, um die Ausbeute bei der Bauelementherstellung und die Fertigungsausbeute zu verbessern.

Die SmartCut-Technologie von Soitec ermöglicht dieses Ergebnis. Durch die Nutzung der oxidierten Oberfläche eines anfänglichen SiC-Einkristall-Donor-Wafers, um diesen in einer geeigneten Tiefe zu spalten und eine dünne Schicht auf einen PolySiC-Handle-Wafer mit niedrigerem spezifischen Widerstand zu bonden, entsteht ein hochgradig epitaxie-taugliches, leistungsstarkes SiC-Substrat. Darüber hinaus führt die Wiederverwendung zu einer erheblichen Senkung der Energiekosten.

Im Vergleich zu Standard-Siliziumkarbid (SiC)-Wafern mit herkömmlichen Nickelsilizidschichten bieten pSiC-Substrate eine um das Zehnfache verbesserte Rückseitenkontaktwiderstand sowie eine um mehr als das Doppelte verbesserte Oberflächenebenheit nach der Methode der kleinsten Quadrate. Darüber hinaus können diese grobkörnigen Wafer in verschiedenen Wafer-Level-Prozessen eingesetzt werden, wobei ihr geringer spezifischer Widerstand zu einer überragenden Bauelementleistung beiträgt.

SmartSiCTM-Wafer

Siliziumkarbid (SiC) ist ein innovativer Verbindungshalbleiter, der gegenüber herkömmlicher Leistungselektronik auf Siliziumbasis erhebliche Vorteile bietet. SiC bietet gegenüber Silizium mehrere deutliche Vorteile hinsichtlich Leistungsdichte, Verringerung der Bauteilgröße und des Gewichts, niedrigerer Herstellungskosten sowie einer Verbesserung der Energieeffizienz – Eigenschaften, die es zu einer Schlüsseltechnologie für Antriebssysteme von Elektrofahrzeugen machen, die herausragende Leistung bei minimalen Auswirkungen auf die Umwelt bieten.

Soitec hat auf diese starke Marktnachfrage mit polykristallinen SiC-Substraten (polySiC) reagiert, die mithilfe seiner SmartCut-Technologie hergestellt werden. Dieses firmeneigene Verfahren nutzt die Implantation leichter Ionen und das Wafer-Bonding, um Einkristallschichten zwischen Substraten zu übertragen, wodurch aus jeder Charge von polySiC-Handler-Wafern zehnmal mehr monokristallines SiC hergestellt werden kann.

Deutschland, als weltweit führender Hersteller von Elektrofahrzeugen, benötigt hochwertige Poly-SiC-Wafer. Um diesem Bedarf gerecht zu werden, hat Soitec gemeinsam mit Tokai Carbon 150-mm- und 200-mm-Poly-SiC-Substrate entwickelt, die den Soitec-Spezifikationen für SmartSiCTM-Wafer entsprechen; diese Partnerschaft soll den Produktionsausbau beschleunigen und gleichzeitig eine kritische Masse an hochwertigen, kosteneffizienten Substraten für weltweite Elektrofahrzeuganwendungen schaffen.

SmartSiCTM-Substrate

Soitec hat eine innovative Technologie für Verbindungshalbleiter namens „SmartSiC“ entwickelt, bei der mithilfe des revolutionären „SmartCut“-Verfahrens dünne Schichten von hochwertigen SiC-Donorwafern abgetrennt und auf polykristalline Trägerwafer mit niedrigem spezifischen Widerstand aufgebracht werden. Dies ermöglicht die mehrfache Wiederverwendung der Donorwafer bei geringeren Kosten und führt zu erheblichen Einsparungen bei den Kosten und den CO₂-Emissionen. Mit dieser Technologie hergestellte Substrate verbessern die Geräteleistung, die Ausbeute und die Fertigungserträge und ermöglichen zudem eine mehrfache Wiederverwendung, wodurch Kosten und damit verbundene Emissionen erheblich gesenkt werden.

Der SmartSiC-Prozess von Soitec kombiniert die Implantation leichter Ionen mit dem Wafer-Bonding, um eine dünne Einkristallschicht zu definieren und von einem Substrat auf ein anderes zu übertragen, ohne neue Defekte zu erzeugen oder bestehende Defekte zu vergrößern. Man kann sich das wie ein atomares Skalpell vorstellen!

Soitec hat SmartSiC erfolgreich auf einem 150-mm-Spezialsubstrat demonstriert, das von ST (Euronext Paris) für Leistungsbauelemente zugelassen ist. SmartSiC bietet das Potenzial, Engpässe in den SiC-Lieferketten zu beseitigen und gleichzeitig zehnmal mehr hochwertige, speziell entwickelte Substrate pro Mono-SiC-Wafer herzustellen; dies eröffnet neue Wege für eine breitere Einführung von Siliziumkarbid mit großer Bandlücke in Anwendungen wie E-Mobilität, Industrie und Smart-Grid-Anwendungen. Darüber hinaus könnte diese Technologie Kristallzüchtungsöfen ersetzen und so die Investitions- und Betriebskosten um das bis zu Zehnfache senken.

SmartSiCTM-Verfahren

Leistungsbauelemente aus Siliziumkarbid (SiC) haben sich schnell zur bevorzugten Lösung in der Leistungselektronik von Elektrofahrzeugen (EV) und anderen Anwendungen entwickelt, da sie einen höheren Wirkungsgrad bei der Energieumwandlung, eine Verringerung von Größe, Gewicht und Kosten der Bauteile sowie geringere Gesamtsystemkosten bieten.

Soitec arbeitet intensiv daran, die steigende Nachfrage nach SiC zu decken, indem das Unternehmen mithilfe seiner „Smart Cut“-Technologie speziell entwickelte Substrate herstellt. Das „SmartSiC“-Verfahren kombiniert eine extrem dünne Bauelementschicht aus einem einkristallinen Donor-Wafer mit polykristallinen Trägerwafern; dabei werden die Substrate mit deutlich geringerem Energieaufwand hergestellt als bei herkömmlichen Wafer-Herstellungsverfahren.

SmartSiC ist eine Eigenentwicklung von CEA Leti, bei der Forscher ein neuartiges Verfahren zur Schichtübertragung entwickelt haben. Smart Cut, das mittlerweile zum Standard in der Mikroelektronikindustrie geworden ist, ermöglicht eine Dickenkontrolle auf atomarer Ebene für minimalen Energieverbrauch und maximale Leistung – ein enormer Fortschritt für Leistungshalbleiter, bei denen Energieeinsparungen besonders wichtig sind. Darüber hinaus senkt der Einsatz von SmartSiC die Emissionen von Siliziumpartikeln während der Fertigung erheblich und trägt so dazu bei, die Umweltbelastung über den gesamten Lebenszyklus von Leistungselektronikkomponenten weiter zu verringern.