您是否認(rèn)為在150mmarget="_blank">晶圓上制作芯片已經(jīng)過時(shí)了？再想一想呢！當(dāng)今市場(chǎng)的大趨勢(shì)——自動(dòng)駕駛汽車、電動(dòng)汽車、5G無線通信、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)和虛擬現(xiàn)實(shí)（AR/VR）、醫(yī)療保健，這些應(yīng)用都是在150mm晶圓上進(jìn)行的芯片工藝創(chuàng)新。
據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，雖然大眾把注意力都集中于誰家在摩爾定律競(jìng)爭中處于領(lǐng)先工藝節(jié)點(diǎn)位置，但功率器件、光電探測(cè)器和波導(dǎo)的重大進(jìn)步則是基于諸如150mm甚至100mm的碳化硅（SiC）和砷化鎵（GaAs）晶圓上實(shí)現(xiàn)的。
光電子驅(qū)動(dòng)砷化鎵（GaAs）晶圓市場(chǎng)增長
GaAs晶圓已經(jīng)是激光器和LED技術(shù)領(lǐng)域幾十年的老朋友了，主要應(yīng)用有復(fù)印機(jī)、DVD播放器甚至激光指示器。近年來，LED推動(dòng)了化合物半導(dǎo)體技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展。新的進(jìn)展來自兩類光電子應(yīng)用：用于數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)的激光光源和波導(dǎo)技術(shù)，以及用于先進(jìn)3D成像的激光二極管和光電探測(cè)器技術(shù)。
在GaAs襯底上制造的器件常常以多片晶圓批量式進(jìn)行工藝步驟，這一部分歸因于該類應(yīng)用特別是LED照明對(duì)成本的高度敏感性。許多傳統(tǒng)的工藝步驟如MOCVD機(jī)臺(tái)生長出不同材料堆疊層，中間過程無需光刻或刻蝕工藝步驟，直到后續(xù)制作接觸孔才需要光刻或刻蝕工藝。
如今，盡管大多數(shù)情況還是按部就班，但產(chǎn)量、良率和價(jià)格等方面的壓力則需要一些特定類型的設(shè)備，如垂直腔表面發(fā)射激光器（VCSEL）在可能的情況下將使用單片式工藝。這與傳統(tǒng)的一次性批量處理多片晶圓不同，這些三五族（III-V）材料技術(shù)最終將通過3D人臉識(shí)別等新興應(yīng)用進(jìn)入更廣泛的消費(fèi)市場(chǎng)。
典型VCSEL器件橫截面示意圖，越來越多的這類器件采用單片式工藝
iPhone給150mm晶圓吃了一顆“定心丸”
蘋果iPhone X是首款具備前置3D攝像頭的智能手機(jī)，開啟了3D人臉識(shí)別智能手機(jī)時(shí)代。在2017年11月之前，GaAs襯底材料還主要用于蜂窩手機(jī)的射頻前端（RFFE）和其它射頻放大器。在iPhone X中，150mm的GaAs襯底材料用于RFFE的元器件制造，以及用于3D人臉識(shí)別的VCSEL和光電探測(cè)器。
如今，在iPhone X的材料清單（BOM）中列出的約121顆器件中，約15顆器件是在150mm晶圓上制作的。這代表什么呢？意味著在iPhone X中，超過芯片總數(shù)的12%和晶圓總面積的約2%來自150mm晶圓。按芯片數(shù)量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，iPhone X中使用到的集成電路（IC），87顆來自200mm晶圓，19顆來自300mm晶圓。相比之下，硅基200mm和300mm晶圓的面積分別約為32%和66%。
與200mm和300mm晶圓相比，150mm晶圓上的器件數(shù)量和所能支持的應(yīng)用還是相對(duì)較少。然而，如果我們回顧iPhone的BOM，會(huì)發(fā)現(xiàn)一個(gè)有趣的趨勢(shì)：自2012年以來，按累積晶圓面積來看，300mm晶圓上制造的器件數(shù)量保持相對(duì)平坦的增長曲線（節(jié)點(diǎn)尺寸的減小與復(fù)雜度不斷增加引起的面積增加所抵消），而200mm和150mm晶圓上制造的器件卻分別以9.5%和6%的復(fù)合年增長率獲得增長。如此令人印象深刻的增長態(tài)勢(shì)來自于200mm和150mm晶圓超越摩爾器件緩慢增長的支撐。iPhone每年超過2億美元的銷量，帶來了每年超過30萬片150mm晶圓的消耗量，這里還未統(tǒng)計(jì)其他手機(jī)制造商對(duì)功率器件、其他平臺(tái)對(duì)光電子應(yīng)用的需求量。
碳化硅（SiC）應(yīng)用持續(xù)升溫
150mm晶圓的另一突出應(yīng)用領(lǐng)域是SiC功率MOSFET。如今，SiC功率MOSFET主要用于工業(yè)應(yīng)用中的高功率開關(guān)，但將越來越多地應(yīng)用于電動(dòng)汽車（EV）。如今開發(fā)和生產(chǎn)的SiC MOSFET結(jié)構(gòu)有兩種主要類型：平面式MOSFET和溝槽式MOSFET。
SiC MOSFET器件結(jié)構(gòu)
在1997年，一輛豐田普銳斯大約消耗0.97片150mm晶圓的器件，涉及多種應(yīng)用，其中最主要的應(yīng)用則是功率轉(zhuǎn)換。到2015年，這個(gè)數(shù)字已經(jīng)上升到每輛車1.18片150mm晶圓。
半導(dǎo)體器件在豐田普銳斯車型上的使用情況
隨著汽車功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的復(fù)雜性增加，對(duì)功率模塊的使用數(shù)量和性能要求也隨之增加。這可是SiC材料的“拿手”技術(shù)。與硅基器件相比，SiC功率MOSFET能處理更高的功率并承受更高的熱負(fù)載，這對(duì)電動(dòng)汽車來講，可以滿足降低總重量以提高效率的理想特性。業(yè)界都對(duì)SiC MOSFET的擊穿電壓高且能在高溫下運(yùn)行頗為認(rèn)可，基于SiC襯底的IC將是未來電動(dòng)汽車的關(guān)鍵元器件。
然而，電動(dòng)汽車市場(chǎng)將以什么速度發(fā)展還無法準(zhǔn)確預(yù)測(cè)。需要注意的是，未來十年里在美國上路的輕型客運(yùn)車輛中15%都是電動(dòng)汽車。隨著這個(gè)數(shù)字的增加和車輛上越來越多的應(yīng)用需要高壓開關(guān)，SiC晶圓制造商如位于美國達(dá)勒姆市的科銳（Cree）已經(jīng)越來越看好150mm晶圓的產(chǎn)品應(yīng)用前景。其子公司W(wǎng)olfspeed（位于美國三角研究園）作為SiC功率MOSFET器件制造商，更是“下注”2023年SiC器件的可用市場(chǎng)總額（TAM）將迅速增長到50億美元。
科銳將SiC器件市場(chǎng)做了這樣的劃分：SiC功率MOSFET，市場(chǎng)規(guī)模為25億美元；用于光伏市場(chǎng)的SiC功率逆變器，市場(chǎng)規(guī)模為23億美元；應(yīng)用在消費(fèi)類便攜式充電器中的SiC器件，市場(chǎng)規(guī)模為2億美元。更確切地說，SiC器件產(chǎn)業(yè)仍處于初級(jí)階段，150mm晶圓的增長潛力巨大。
單從晶圓投料來看，科銳預(yù)計(jì)2023年150mm晶圓的用量將達(dá)到200萬片，如果按目前每年4.5萬片的投料量來計(jì)算，期間的復(fù)合年增長率將達(dá)到110%，增長速度令人驚嘆！雖然科銳對(duì)晶圓投料量和器件TAM前景非常樂觀，但著名市場(chǎng)研究公司Yole則持更保守的觀點(diǎn)。Yole預(yù)計(jì)2023年150mm SiC晶圓的用量為15萬片，復(fù)合年增長率超過50%。
150mm SiC晶圓制造設(shè)備有何特殊之處？
那么，150mm SiC晶圓制造設(shè)備有何特殊要求？雖然SiC晶圓制造的“魔法”在于晶錠的生長過程本身，但最終形成SiC晶圓則需要對(duì)晶錠進(jìn)行一些后處理步驟，例如研磨、化學(xué)機(jī)械研磨（CMP）、SiC外延、注入、檢測(cè)、化學(xué)氣相沉積（CVD）和物理氣相沉積（PVD）。SiC晶圓因其半透明性質(zhì)和材料硬度而面臨許多挑戰(zhàn)，這需要對(duì)關(guān)鍵工藝步驟設(shè)備進(jìn)行重新設(shè)計(jì)或改裝，包括CMP、SiC外延（>1600°C）、注入（>500°C）和對(duì)SiC生長所特有的晶體缺陷進(jìn)行檢測(cè)。
150mm晶圓前景光明
著名半導(dǎo)體設(shè)備廠商Applied Materials（應(yīng)用材料）公司一直致力于150mm晶圓制造設(shè)備的研發(fā)，也密切關(guān)注包括光電子和SiC功率MOSFET等器件對(duì)先進(jìn)材料的需求。雖然對(duì)上述器件的200mm晶圓制造設(shè)備的研發(fā)也在進(jìn)行中。但很明顯地看到，150mm晶圓技術(shù)的未來是光明的。事實(shí)上，150mm晶圓制造產(chǎn)業(yè)還處于非常活躍的狀態(tài)。