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意法半导体发起SiC攻势,挑战英飞凌

收购Norstel,扩充卡塔尼亚工厂生产线,改造新加坡工厂,一系列动作皆是为了SiC

ST Microelectronics(意法半导体)正在进行功率半导体攻势。目前,在功率半导体市场,意法半导体虽位居英飞凌之后,但它希望通过公开发布旗下的下一代功率半导体——SiC的信息,来捕获来自电动汽车的需求,争夺榜首。

2019年3月底,ST首次向媒体公开展示其位于意大利西西里岛的卡塔尼亚工厂。这座工厂是碳化硅开发和制造的所在地。

图1揭示了功率半导体工厂的内部

ST于2019年3月底向媒体透露的一家功率半导体工厂。它位于意大利卡塔尼亚(西西里岛东部),占地面积21.8万平方米。左上角照片是该公司正在专注开发的150毫米SiC晶圆

ST表示它是车规级SiC器件市场中的佼佼者。随着SiC器件市场规模在2019年扩大到2亿美元,较之前一年翻了一番;并且超过20家汽车制造商采用它的SiC产品。在巨大市场规模以及客户基础下,它的SiC产品拥有很大的增长潜力。

ST在工厂开放日讲述了技术发展的路线图以及SiC晶圆的货源锁定途径。平面型与沟槽型

路线图方面,ST表示,它将开发出比当前第二代平面型具有更低导通电阻的、更精细的第三代SiC半导体器件,并在2022年至2023年推出(图3)。其中车规级耐压1200 V的SiC半导体器件可降低40%的导通电阻。

图2沟槽型和GaN的发展

(a)ST的SiC功率半导体的产品路线图。平面型SiC半导体持续小型化,应用层面已经从工业设备扩展到汽车和智能手机。与第二代相比,第三代平面型将导通电阻降低了40%。面积可以减少到1/4。与此同时,ST也在开发沟槽类型。(b)为客户提供各种形式。(c)GaN功率半导体也在开发中。

沟槽型也在开发中。ST尚未确定是否将沟槽型导入市场。这是因为第三代平面型可以满足大多数汽车层级的应用。而且沟槽型不容易实现。但是另一方面,沟槽型通常更容易实现密度的增加和导通电阻的降低。因此ST决定一边监控市场需求,一边准备沟槽型的导入。收购Norstel

全球SiC晶圆供货都存在短缺的情况,于是2019年1月,ST与美国Cree公司达成协议,前者向后者采购了相当于2.5亿美元的150毫米(6英寸)晶圆。

很快,同年2月,ST宣布收购瑞典晶圆制造商Norstel的多数股权。既便如此,它仍表示会继续从Cree采购SiC晶圆,目的是为给包括汽车工业在内的客户提供更稳定的SiC器件。

Norstel正在开发一种可提高SiC晶圆质量且降低成本的制造技术。它具有高速晶体生长技术和高品质的硅锭技术。SiC晶圆正是由硅锭加工而成。

在其晶体生长技术中,它采用了HTCVD(High Temperature Chemical Vapor Deposition,高温化学气相沉积)的方法,与现有方法相比可以将晶体生长速率提高一个数量级。

ST收购Norstel股权,一方面是扩大SiC的货源,另一方面也是看中了它的新技术。虽然它认为新技术在批量生产水平上还是不成熟的,但它的目标是在几年内能够用于实际生产中。如果投入实际使用,很有可能在保持低晶体缺陷的同时降低成本。

将Norstel纳入麾下后,ST将可以生产晶圆以及器件。通过垂直整合的SiC器件的批量生产链,它将可以优先采购SiC晶圆,并且具备非常明显的成本优势。

扩充生产线

考虑到功率半导体需求的增加,ST刚刚在卡塔尼亚工厂的主线“M5”旁边增加了“M9”(图1)。M9将主要批量生产BCD(双极,CMOS,DMOS)器件。

关于SiC器件,卡塔尼亚工厂的晶圆直径将从150 mm扩展到200 mm。此外,ST还将在其2018年从美光科技公司收购来的新加坡工厂大规模生产200mm晶圆。过去这家工厂是用来批量生产NOR闪存,因此ST为生产200 mm功率半导体而重新改造了设备。

图3卡塔尼亚工厂批量生产150毫米/ 200毫米晶圆,并通过AI进行质量判断。

该图显示了ST卡塔尼亚工厂的功率半导体生产步骤。“VIPower”是一种将功率晶体管和控制电路集成在一个封装中的产品。照片显示了工厂内部:首先它会进行曝光、蚀刻和扩散。在后面的电特性检查中,它根据制造装置的传感器信号和晶圆的外观,对晶圆级的每个芯片执行探测以确定质量。

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