碳化硅從8英寸到12英寸，還有多少障礙需要克服？

汽車電動化推動了對碳化硅功率集成電路的需求，但同時也給尋找和識別這些芯片中的缺陷帶來了挑戰(zhàn)。對此，技術(shù)分析機構(gòu)semiengieering給出了具體分析。

與此同時，業(yè)界越來越意識到碳化硅技術(shù)是多么不成熟，還有很多工作需要完成，而且需要迅速完成。汽車制造商正大力發(fā)展電動車，并且從400V升級至800V電池系統(tǒng)，加速了電動汽車電源模塊從IGBT到碳化硅器件的轉(zhuǎn)變。結(jié)果將是碳化硅需求呈指數(shù)級增長，而所有這些都需要完美無瑕地運行。

“電動汽車和可再生能源的快速增長正在使功率半導體市場發(fā)生重大變化，”國家儀器公司SET部門副總裁兼技術(shù)負責人Frank Heidemann表示，“這種轉(zhuǎn)變推動了對提高效率的需求，特別是在汽車領域，從而引發(fā)了碳化硅和氮化鎵等寬帶隙技術(shù)的出現(xiàn)。”

與硅基的IGBT器件相比，碳化硅器件具有多種性能優(yōu)勢，使其成為更好的選擇。

“功率密度、更高的電壓和有吸引力的熱性能是使碳化硅功率器件對那些制造非常高效的電機驅(qū)動器、非常密集的電機驅(qū)動器或聚合電路的人具有吸引力的三個因素，”Wolfspeed公司功率IC副總裁高級工程師Jay Cameron表示?！拔覀兛吹皆S多需要大功率但體積更小或更輕的應用。因此，如果你希望擁有使用較少銅材更輕量級的系統(tǒng)，那么使用碳化硅，就可以在保持高功率水平的同時進行電壓和電流之間的權(quán)衡來實現(xiàn)這一目標?！?/p>

基于碳化硅的功率模塊需要更少的集成電路，并且不需要太多冷卻，這減少了所需的熱解決方案的數(shù)量。這些模塊在各個電池系統(tǒng)之間、充電站和電池系統(tǒng)之間，以及電機和電池系統(tǒng)之間執(zhí)行各種基本的電壓轉(zhuǎn)換。

在400V電池系統(tǒng)中，IGBT器件一直是支持這些功能的主要集成電路。為了降低整體功率模塊的成本，工程師們已經(jīng)開始從IGBT轉(zhuǎn)向碳化硅器件，但隨著從400V升級至800V的電池車輛的轉(zhuǎn)變，這種轉(zhuǎn)變正在加速進行。碳化硅可以在高達1200V的電壓下工作。

為了滿足對碳化硅日益增長的需求，行業(yè)需要加快生產(chǎn)速度。這意味著要解決長期以來影響碳化硅生產(chǎn)的制造挑戰(zhàn)。這些挑戰(zhàn)包括高昂的器件成本以及缺陷和可靠性問題。為了解決成本問題，碳化硅基片制造商正在從8英寸轉(zhuǎn)向12英寸晶圓。然而，這種預期的指數(shù)增長給碳化硅器件的篩選帶來了挑戰(zhàn)，這將需要制造商和檢測測試設備供應商進行創(chuàng)新。

NI公司的Heidemann表示：“與傳統(tǒng)的硅器件相比，這些寬帶隙器件在生產(chǎn)線末端（EoL，即晶圓、封裝、模塊和系統(tǒng)制造過程末端進行的測試）測試中面臨著獨特的挑戰(zhàn)，因為它們展示了不同的故障機制和模型?！彼€說：“此外，對它們進行可靠性和高達2000伏或更高的高壓環(huán)境測試，對于以前沒有針對這些要求設計的EoL測試系統(tǒng)來說是一個重大挑戰(zhàn)?！?/p>

碳化硅的制造過程有時會導致影響基本功能和性能特性的缺陷，因此需要通過檢查和電氣測試進行篩選。高電壓和高電流測試需要精心設計的測試系統(tǒng)，既能提供必要的電流和電壓，又能在不可避免的短路發(fā)生時保護設備。

到目前為止，這種篩選工作一直在低容量下進行。要擴大到更高容量需要創(chuàng)新，才能確保篩選的有效性和成本效益。

檢驗和計量方法

硅和碳化硅功率IC之間的一個關(guān)鍵區(qū)別與襯底的生長方式有關(guān)。作為一種均勻的晶體結(jié)構(gòu)，硅幾乎沒有亞表面缺陷。相比之下，碳化硅是通過化學氣相沉積進行生長的，這可能導致各種亞表面缺陷，如堆垛層錯和微管缺陷。在隨后的外延生長過程中，晶體缺陷會傳播。此外，由于碳化硅是一種脆性材料，它更容易出現(xiàn)如劃痕和凹陷等表面缺陷，這可能會影響整個晶圓的性能。

此外，碳化硅晶圓在處理過程中容易破裂，切割成片后會產(chǎn)生更多的裂紋，這些裂紋可能會擴展。因此，在整個晶圓和組裝過程中進行檢查至關(guān)重要。

由于其高吞吐量，工程師在碳化硅制造過程中主要依賴于光學檢測系統(tǒng)。一些公司提供專門用于碳化硅的光學檢測工具，包括審查和分類功能。

計量技術(shù)則較為復雜。計量反饋涉及眾多參數(shù)，工藝工程師需要測量這些參數(shù)，包括襯底平整度和厚度、晶格取向、電阻和表面粗糙度等。反過來，這些參數(shù)又需要使用各種不同的系統(tǒng)進行測量。

“白光干涉測量儀器被用于襯底制造過程中的質(zhì)量保證/質(zhì)量控制，以測量硅、氮化鎵和碳化硅晶圓的粗糙度（亞納米級），”Bruker公司的白光干涉儀產(chǎn)品經(jīng)理Sandra Bergmann表示，“碳化硅襯底的生產(chǎn)更具挑戰(zhàn)性。由于其硬度較高，拋光過程困難。因此，白光干涉測量對于優(yōu)化/跟蹤拋光過程至關(guān)重要?！?/p>

碳化硅器件可以是平面或溝槽結(jié)構(gòu)技術(shù)。白光干涉測量尤其適用于溝槽深度計量。

“在高電壓集成電路制程中，對于高深寬比溝槽深度的測量，白光干涉測量儀器可以從2μm的開口測量到40μm的深度，”Bergmann表示。“它是非破壞性的，并且可以在視野范圍內(nèi)同時檢測所有的溝槽。我們通常使用5倍物鏡和0.5平方毫米的探測區(qū)域。我們還能提供整個視野范圍內(nèi)溝槽深度的完整變化?！?/p>

晶圓檢測需要考慮表面缺陷和亞表面缺陷，其中亞表面缺陷對于碳化硅尤為重要。

Onto Innovation公司的檢測產(chǎn)品市場經(jīng)理Burhan Ali表示：“光學檢測技術(shù)用于缺陷檢測，而X射線和光致發(fā)光則用于計量。光學檢測的挑戰(zhàn)在于它在高吞吐量下能有效地檢測到表面缺陷，但當涉及亞表面晶體缺陷時很快就會失去效果。在這些情況下，光致發(fā)光技術(shù)已被證明可以有效地檢測碳化硅襯底和外延層的亞表面晶體缺陷?！?/p>

在整個組裝過程中都需要進行檢測。由于高吞吐量和低設備投資，光學檢測是首選的方法。但光學檢測只能檢測表面缺陷。對于檢測中度到高密度的亞表面缺陷，X射線是首選解決方案，因為它可以高速運行2D模式。另外，聲學檢測可以輕松檢測到分層，但需要將零件浸入水中。

Amkor Technology的全球測試服務副總裁George Harris表示：“手動、光學和X射線檢測都是非破壞性的方法?；镜腦射線檢測對于包裝完整性的評估非常有用。很多系統(tǒng)性的缺陷模式可以通過X射線輕松識別，因此深受客戶歡迎。根據(jù)客戶的要求，還可以在專門的故障分析實驗室進行破壞性的機械橫截面和掃描電子顯微鏡檢測?！?/p>

檢測不僅限于電氣問題，還可以用于識別可能影響熱管理的缺陷。

Nordson Test & Inspection的產(chǎn)品線總監(jiān)Brad Perkins表示：“在封裝領域，大多數(shù)電氣缺陷與導線交叉/接觸成型工藝并導致短路有關(guān)。還需要考慮熱保護的需求，這就是為什么工程師要檢查芯片連接，因為它是熱管理的一部分。如果存在過大的空隙、總空隙百分比過高或分層足夠大，將會在芯片中產(chǎn)生熱點，從而導致過早故障。由于許多功率器件用于高可靠性應用（汽車、火車、風力發(fā)電等），故障成本可能非常高，因此對可能導致早期故障的缺陷進行檢查對制造商來說非常劃算。”

測試方法

碳化硅的大規(guī)模生產(chǎn)相對較新，它在汽車應用中的使用也是如此。因此，業(yè)界正在制定嚴格的測試流程以確保質(zhì)量和可靠性。測試在多個溫度、電壓和頻率下進行。這是至關(guān)重要的，因為缺陷在較低頻率和電壓下可能表現(xiàn)出良好，但在較高頻率和/或電壓下可能顯現(xiàn)出來。

由于其模擬特性，功率集成電路需要進行功能和性能測試。對于功率集成電路，測試被分為靜態(tài)測試和動態(tài)測試，即直流測試和交流測試。靜態(tài)測試在室溫下進行，而動態(tài)測試在高溫下進行。

Advantest Italy的總經(jīng)理Fabio Marino表示：“靜態(tài)測試不再是一個挑戰(zhàn)，因為被測器件（DUT）在穩(wěn)定狀態(tài)下進行測試。這意味著低功率。即使它是超高電壓，也將是低電流，如果它是超高電流，也將是低電壓。工程界真正面臨的挑戰(zhàn)是動態(tài)測試。動態(tài)測試的功率極高，因為它測試了DUT從開啟到關(guān)閉狀態(tài)的轉(zhuǎn)換，以及相反的過程，這意味著非常高的電流和電壓。雖然過渡過程只占用極短的時間，但它在極高的功率下進行?！?/p>

對于寬帶隙器件中觀察到的柵閾值漂移引起的可靠性問題也推動了嚴格的測試。

NI公司的Heidemann表示：“在測試、鑒定和EoL方面，我們需要進行更全面的測試，深入研究設備特性。例如，對于寬帶隙器件來說，柵極漂移是一種特有的現(xiàn)象，在不同的市場參與者之間存在顯著的差異。有些器件在汽車使用壽命內(nèi)會出現(xiàn)明顯的漂移，而其他器件則表現(xiàn)出較小的漂移?！八€指出：“有趣的是，即使是同一供應商的不同器件，行為也可能不同。因此，需要進行更全面的測試，包括EoL和資格認證，相比硅材料更具挑戰(zhàn)性。”

目前，晶圓測試設備無法進行動態(tài)測試，因為晶圓吸盤具有很高的雜散電感。工程師們只在晶圓分類時使用靜態(tài)測試。即使如此，由于施加了高電壓，仍存在火花放電的風險，可能損壞良品設備。

“由于這是一項物理上的挑戰(zhàn)，多年來一直以相同的方式解決，即通過管理氣隙，當然還有管理氣體，”Teradyne的功率分立產(chǎn)品經(jīng)理Tom Tran表示，“隨著電壓開始攀升至400V甚至更高，通常我們會看到一種轉(zhuǎn)變，不再僅僅使用物理間距，而是通過向連接晶圓的壓力室添加壓縮干燥空氣（CDA）。”

當前晶圓測試的局限性促使了裸片測試的發(fā)展。

Advantest的Marino表示：“功率模塊是我們可以進行靜態(tài)和動態(tài)測試的最堅固的封裝部件?！彼f：“但缺點是這些封裝包含多個開關(guān)，即6到48個。如果其中一個開關(guān)損壞，整個封裝就作廢了，這是非常昂貴的。這就是為什么客戶轉(zhuǎn)向?qū)σr底進行中間測試，例如在最終組裝之前。這樣成本會稍微降低，但仍然有6到48個器件。突破性的創(chuàng)新是對裸片進行測試。這樣可以篩選出每個開關(guān)（靜態(tài)和動態(tài)測試）。通過只組裝好的裸片，客戶就可以在組裝成本方面獲益。”

測試插入點涵蓋晶圓、芯片、封裝和功率模塊。來源：Advantest

裸片測試存在一個風險，即如果一個失效的裸片承載了高電流，可能會損壞探針卡和/或自動測試設備（ATE）。但工程師們已經(jīng)找到了解決這個問題的方法。

“在轉(zhuǎn)向裸片測試時，CREA（現(xiàn)在是Advantest的一部分）專門開發(fā)了一項具有專利技術(shù)——探針卡接口（PCI）”，Marino說道。“這是一種硬件和軟件算法，可以檢測異常的電流消耗。用于測試裸片的探針卡每個裸片擁有3000根探針，因為每根探針只能驅(qū)動1安培電流。在測試儀器和探針卡之間是PCI，一個硬件盒子。PCI監(jiān)測探針卡中每根探針或者探針組的電流流動情況。如果出現(xiàn)異常的電流分布或者電流消耗（由于零件故障引起），PCI會立即切斷電源。零件會出現(xiàn)故障，但卡盤、探針卡和測試儀器都得到了保護?！?/p>

具有和不具有探針卡接口系統(tǒng)的測試系統(tǒng)之間的比較。來源：Advantest

一旦裸片被組裝到封裝中，測試可以篩選出與封裝相關(guān)的缺陷以及在動態(tài)測試中出現(xiàn)的缺陷。

Teradyne的Tran表示：“除了局部放電測試外，一般通過從晶圓到封裝級別的行為變化來測試與封裝相關(guān)的缺陷機制。雖然局部放電更側(cè)重于封裝和材料方面，但電氣測試可以揭示封裝過程中的物理故障，例如由于引線鍵合損壞連續(xù)出現(xiàn)錯誤，或分割過程的損壞。篩選還可以在從晶圓分類到最終封裝測試的均值漂移和分布檢查中進行?！?/p>

可靠性相關(guān)的缺陷檢測非常重要，現(xiàn)有的標準指導著零件資格認證和生產(chǎn)制造的測試。

NI的Heidemann表示：“我們在生產(chǎn)線終端和資格認證方面采用了各種測試方法。就資格認證而言，像JEDEC和ECPE的AQG324等行業(yè)標準專門為碳化硅定義了動態(tài)測試場景，以適應引入具有不同故障模型的新材料。因此，資格認證需要進行大量的動態(tài)測試，包括動態(tài)H3TRB、DGS和DRB等，這些測試與IGB相比相對較新。同樣，在終端環(huán)境中，會觀察到各種各樣的動態(tài)測試場景，因客戶而異。然而，可以說終端線測試廣泛涉及在高溫和高電壓環(huán)境下進行的動態(tài)測試。其目標是確保這些器件在整個生產(chǎn)系列中經(jīng)過動態(tài)測試，防止出現(xiàn)故障效應?！?/p>

未來發(fā)展

為了滿足對碳化硅器件的需求，晶圓廠正從8英寸轉(zhuǎn)向12英寸晶圓。為了支持產(chǎn)能增加的行業(yè)測試和檢驗流程，專家們列舉了一些可以提供幫助的創(chuàng)新技術(shù)。這些創(chuàng)新技術(shù)包括對測試系統(tǒng)進行改進，利用分析方法更好地理解在檢測過程中觀察到的缺陷的電學影響。

測試系統(tǒng)的創(chuàng)新可以使篩選能力在制造流程中提前，并增加吞吐量。其中一項創(chuàng)新技術(shù)是使用晶圓卡盤，在晶圓上進行動態(tài)測試。這需要將晶圓卡盤的雜散電感從600微亨降低到100納亨以下。

目前，封裝測試僅支持單點測試。測試單元使用一個大型處理器，在多個測試儀之間移動零部件，每個測試儀以特定的溫度運行動態(tài)或靜態(tài)測試。轉(zhuǎn)向多點測試可以降低總體成本。然而，同時進行高能量測試面臨巨大的工程挑戰(zhàn)。這需要ATE設計的創(chuàng)新。

一個意想不到的差距是處理器的可用性，特別是對于裸片。

“最大的挑戰(zhàn)來自處理器方面。市場上缺乏足夠的處理器供應商或處理器設備，”Marino表示，“處理器公司宣布一年以上的交付時間，而我們的交付時間只有四個月。因此，市場窗口面臨風險。這就是為什么我們要求探針測試設備供應商進入市場。探針設備公司擁有與我們相同的核心業(yè)務——半導體。但自動化設備公司需要支持多種行業(yè)，從手表裝配到半導體?！?/p>

以一致的方式連接來自各個制造步驟的數(shù)據(jù)還可以優(yōu)化制造過程，并了解缺陷的影響。

“針對完整測試列表的特定部分進行測試，數(shù)據(jù)完整性非常重要，”Amkor的Harris表示，“最近一直在推動將收集到的數(shù)據(jù)遷移到企業(yè)內(nèi)部云平臺，在那里數(shù)據(jù)分析算法可以不斷測試工作流程、測試設備以及封裝和制造相關(guān)的系統(tǒng)性故障機制。工廠自動化可以實現(xiàn)閉環(huán)控制，并提高產(chǎn)量。光學和電子技術(shù)都用于單元級可追溯性。”

這種數(shù)據(jù)連接將使碳化硅制造能夠加速產(chǎn)量學習并降低總體測試成本。

“總的來說，化合物半導體技術(shù)，無論是碳化硅、氮化鎵、砷化鎵、磷化銦，還是其他，都是幾年前的芯片技術(shù)。要實現(xiàn)低成本、無缺陷8英寸襯底可能需要多年的努力和投資。在可預見的未來，襯底和外延片的質(zhì)量仍將是關(guān)注的問題，”PDF Solutions的產(chǎn)品管理總監(jiān)Steve Zamek表示，“發(fā)現(xiàn)和識別襯底缺陷只是第一步。接下來是將所有數(shù)據(jù)類型（缺陷檢查和審查、在線計量和電測試數(shù)據(jù)）匯集到一個平臺上。這是一個不小的問題，因為這些數(shù)據(jù)是在地理分散的工廠和設備中獲取的。但一旦完成，制造商就能夠構(gòu)建預測性分析模型，以最大限度地提高效率。那些能夠盡早實現(xiàn)這一目標的企業(yè)將獲得好處。”

其他人也認為實現(xiàn)可追溯性并非易事。在功率集成電路中，沒有電子標識，所以追溯性是組裝和測試過程中的一個挑戰(zhàn)。

“在具有設備標識的后端器件中，可以進行追蹤，”DR Yield的首席執(zhí)行官Dieter Rathei指出，“但在從晶圓分離后，很多設備就失去了設備級別的可追溯性。然后你會看到設備在批次中混在一起的情況。除非你知道哪個晶圓被放入了哪個批次，否則無法在晶圓和封裝之間進行數(shù)據(jù)相關(guān)性分析?！?/p>

結(jié)論

電動汽車生產(chǎn)的預期增長對負責碳化硅集成電路生產(chǎn)的工程團隊帶來了挑戰(zhàn)。市場需求推動著從8英寸晶圓生產(chǎn)轉(zhuǎn)向12英寸晶圓生產(chǎn)，也給當前的檢查和測試流程造成壓力。許多人指出，碳化硅技術(shù)的成熟度與三十年前的硅技術(shù)相當。隨著技術(shù)的成熟以滿足需求，工程團隊將需要通過改進的測試系統(tǒng)以及減少測試和檢查流程的吞吐量時間來解決缺陷問題。