Substrats d'ingénierie SmartSiC pour les véhicules électriques et les applications industrielles

Les substrats SmartSiC de Soitec contribuent à améliorer les performances de l’électronique de puissance et à accroître le rendement énergétique des véhicules électriques, tout en permettant aux circuits intégrés de radiofréquence et de puissance destinés aux smartphones d’offrir une sensibilité accrue et une taille de pixel réduite.

Soitec s'était montré relativement discret quant aux spécifications de ses plaquettes SmartSiC jusqu'à présent ; l'entreprise n'avait communiqué que les valeurs maximales de résistivité des contacts sur la face arrière lors d'une présentation à l'ICSCRM en 2022. Récemment, cependant, elle a publié des données concernant la qualité de finition et la rugosité de surface (SFQR), qui pourraient permettre de supprimer purement et simplement une étape de fabrication en aval.

La technologie SmartCut de Soitec

La technologie SmartCut de Soitec permet de réutiliser jusqu’à dix fois des substrats en SiC monocristallin de haute qualité. Cela se traduit par une réduction des émissions de CO₂ lors de la production de plaquettes, un avantage essentiel pour le marché de la mobilité électrique.

Soitec utilise son procédé breveté pour fabriquer des substrats techniques destinés à l'électronique de puissance pour les véhicules électriques, la production d'énergie solaire et éolienne, ainsi que les composants d'équipements industriels. Son site de Bernin, en France, est entièrement dédié à la production de plaquettes SmartSiC.

Le procédé SmartCut, exclusif à Soitec, combine deux techniques clés – l’implantation ionique et le collage de plaquettes – pour produire ses plaquettes SOI UNIBOND. À partir de deux plaquettes de silicium massif collées entre elles à l’aide d’un adhésif pour former une couche d’oxyde, des ions hydrogène sont ensuite implantés à travers cette couche dans le silicium afin de former la structure SOI.

Les fondateurs de Soitec se sont lancés dans un projet visant à industrialiser la technologie SOI, alors utilisée pour des applications spécifiques à faible volume. Pour atteindre cet objectif, ils ont mis au point le « Smart Cut » : une technique d'assemblage de plaquettes économe en énergie, désormais considérée comme la norme industrielle pour la fabrication de SOI et qui sera bientôt utilisée pour la fabrication de plaquettes SiQ. Cette technique réduit considérablement la consommation énergétique globale lors de la fabrication des plaquettes et diminue de manière significative les coûts énergétiques associés à ce processus.

Substrats techniques SmartSiCTM

Les substrats techniques SmartSiCTM permettent de développer des dispositifs de puissance plus performants et plus efficaces pour les véhicules électriques (VE) et les applications industrielles, grâce à des performances accrues, un meilleur rendement énergétique, des coûts système réduits, des conceptions plus légères et des structures compactes. Ce substrat technique associe une couche supérieure en SiC monocristallin liée à une plaquette “ de support ” en SiC polycristallin, ce qui permet d’améliorer les rendements des dispositifs et de la fabrication.

C'est la technologie SmartCut de Soitec qui permet d'obtenir ce résultat. En tirant parti de la surface oxydée d'une plaquette donneuse initiale de SiC monocristallin pour la fendre à une profondeur appropriée et y lier une fine couche à une plaquette de support en polySiC à faible résistivité, on obtient un substrat en SiC hautement prêt pour l'épitaxie et offrant des performances élevées. De plus, sa réutilisation permet de réduire considérablement les coûts énergétiques.

Par rapport aux plaquettes standard en carbure de silicium (SiC) utilisant des couches conventionnelles de siliciure de nickel, les substrats pSiC offrent une amélioration décuplée de la résistance de contact au verso, ainsi qu'une planéité de la surface améliorée de plus de deux fois selon la méthode des moindres carrés. De plus, leur plaquette brute peut être utilisée dans divers procédés au niveau de la plaquette, sa faible résistivité contribuant à des performances supérieures des dispositifs.

Plaquettes SmartSiCTM

Le carbure de silicium (SiC) est un semi-conducteur composé innovant qui présente des avantages significatifs par rapport à l'électronique de puissance au silicium traditionnelle. Le SiC présente plusieurs avantages distincts par rapport au silicium en termes de densité de puissance, de réduction de la taille et du poids des composants, de coûts de fabrication réduits ainsi que d’amélioration du rendement énergétique – des qualités qui en font une technologie clé pour les systèmes d’alimentation des véhicules électriques, offrant des performances exceptionnelles tout en ayant un impact minimal sur l’environnement.

Soitec a répondu à cette forte demande du marché en proposant des substrats en SiC polycristallin (polySiC) fabriqués à l'aide de sa technologie SmartCut. Ce procédé exclusif repose sur l’implantation d’ions légers et le collage de plaquettes pour transférer des couches monocristallines d’un substrat à l’autre, ce qui permet de produire 10 fois plus de SiC monocristallin à partir de chaque lot de plaquettes de polySiC.

L'Allemagne, leader mondial de la production de véhicules électriques, a besoin de plaquettes de polySiC de haute qualité. Pour répondre à ce besoin, Soitec s'est associé à Tokai Carbon afin de développer des substrats en poly-SiC de 150 mm et 200 mm conformes aux spécifications de Soitec pour les plaquettes SmartSiCTM ; ce partenariat devrait accélérer la montée en puissance de la production tout en créant une masse critique de substrats de haute qualité et rentables destinés aux applications mondiales dans le domaine des véhicules électriques.

Substrats SmartSiCTM

Soitec a mis au point une technologie innovante de semi-conducteurs composés, baptisée SmartSiC, qui utilise son procédé révolutionnaire SmartCut pour séparer de fines couches de plaquettes donneuses de SiC de haute qualité et les lier à des plaquettes de support polycristallines à faible résistivité. Cette technique permet de réutiliser plusieurs fois les plaquettes donneuses à moindre coût, ce qui se traduit par des économies significatives en termes de coûts et d’émissions de CO₂. Les substrats techniques fabriqués à l’aide de cette technologie améliorent les performances des dispositifs, les rendements de production ainsi que les taux de rendement, tout en permettant de multiples réutilisations, ce qui réduit considérablement les coûts et les émissions associées.

Le procédé SmartSiC de Soitec associe l'implantation d'ions légers et le collage de plaquettes, afin de définir et de transférer une fine couche monocristalline d'un substrat à un autre sans créer de nouveaux défauts ni aggraver ceux qui existent déjà. On peut le comparer à un scalpel atomique !

Soitec a mené à bien une démonstration de la technologie SmartSiC sur un substrat d’ingénierie de 150 mm homologué pour les dispositifs de puissance par ST (Euronext Paris). La technologie SmartSiC offre la possibilité de débloquer les chaînes d’approvisionnement en SiC actuellement saturées, tout en permettant de produire 10 fois plus de substrats d’ingénierie de haute qualité par plaquette de SiC monocristallin ; elle ouvre ainsi de nouvelles perspectives pour une adoption plus large du carbure de silicium à large bande interdite dans des domaines tels que la mobilité électrique, l’industrie et les réseaux électriques intelligents. De plus, cette technologie pourrait remplacer les fours de croissance cristalline, ce qui permettrait de réduire les coûts d’investissement (capex) et d’exploitation (opex) jusqu’à 10 fois.

Procédé SmartSiCTM

Les dispositifs de puissance en carbure de silicium (SiC) se sont rapidement imposés comme la solution de référence dans l'électronique de puissance des véhicules électriques (VE) et dans d'autres applications, offrant un meilleur rendement de conversion de puissance, une réduction de la taille, du poids et du coût des composants, ainsi qu'une baisse des coûts globaux du système.

Soitec met tout en œuvre pour répondre à la demande croissante en SiC, en développant des substrats techniques basés sur sa technologie Smart Cut. Le procédé SmartSiC associe une couche de dispositif extrêmement fine, issue d'une plaquette donneuse monocristalline, à des plaquettes de support polycristallines ; la fabrication de ces substrats nécessite ainsi nettement moins d'énergie que les procédés traditionnels de fabrication de plaquettes.

SmartSiC est une invention originale du CEA Leti, où les chercheurs ont mis au point une méthode innovante de transfert de couches. Devenu une norme dans l’industrie microélectronique, le procédé Smart Cut permet de contrôler l’épaisseur au niveau atomique, pour une consommation d’énergie minimale et des performances maximales – une avancée considérable pour les semi-conducteurs de puissance, où les économies d’énergie sont particulièrement importantes. De plus, l’utilisation de SmartSiC réduit considérablement les émissions de particules de silicium pendant la fabrication, ce qui permet de diminuer encore davantage l’impact environnemental tout au long du cycle de vie des composants électroniques de puissance.