Smart Cut™ SiC衬底工艺研究

今天这篇，2026年新鲜出炉的文章，来自Soitec公司，主要内容是研究Smart Cut™ SiC衬底工艺，

先介绍背景，

过去数年，电动汽车市场的快速增长给SiC衬底供应链带来了巨大压力，

尽管SiC器件是各类绿色技术的核心部件，但传统SiC衬底制造方法效率较低，生产过程能耗较高，

在器件性能层面，我们希望器件能够承载更大电流，且将开关损耗和导通损耗尽可能降低，以此提升系统效率，

在硬开关导通工况下，体二极管反向恢复电荷引发的功率损耗会大幅降低器件效率，

另，多数应用场景的工作温度高于100℃，传统降低反向恢复电荷的方法往往会导致正向压降升高，致使导通损耗增大。

此外，汽车和工业应用要求器件在严苛工作环境下具备极高可靠性，传统SiC器件存在特定的失效机制，比如双极退化，模块功率循环失效等。

为解决以上问题，Soitec提出基于智能剥离技术（Smart Cut™）的SiC衬底工艺，

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如上，Smart Cut™工艺的大致流程，

简述这个过程：

1）从高质量单晶SiC晶圆（施主晶圆）的碳面进行氢离子注入，在晶圆表面特定深度形成剥离层，注入深度决定了后续剥离层的厚度，

2）将施主晶圆的碳面，与由多晶SiC制成的支撑晶圆键合，支撑晶圆具备极低的电阻率（典型值2mΩ·cm）和优异的机械性能，

3）通过热处理，使单晶SiC晶圆沿剥离层精准分离，将表面那层经过注入的高质量单晶SiC薄层（厚度一般小于1μm）从施主晶圆上剥离，

4）通过高温退化，使单晶SiC剥离层与多晶SiC支撑晶圆之间的键合界面具备优异的导电导热性，

5）对单晶SiC剥离层表面进行抛光，使其达到外延生长要求。

核心思路是——从高质量SiC单晶表面，撕下薄薄的一层，贴到廉价的多晶SiC支撑晶圆之上，

对最终晶圆而言，表面是高质量单晶SiC，基底是低电阻、高机械强度的廉价多晶SiC，

相比传统衬底工艺，整个晶圆都是昂贵的单晶SiC，Smart Cut™工艺可以重复利用高质量施主晶圆，显著提升材料利用率，降低SiC晶锭制造的资本性支出,

另外，基底采用低电阻率的多晶SiC，无需像传统工艺那样进行激光退火，省去该步骤同样可以显著降低工艺成本，

再次，基底多晶SiC电阻率低至2 mΩ·cm，而标准单晶SiC电阻率为20 mΩ·cm，如此低的电阻率可以显著降低衬底电阻，提升器件电流密度。

以及，单晶SiC剥离层表面的氢离子注入，既可提升最终器件的动态性能，也有助于改善器件的力学特性和可靠性。

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如上，意法半导体G2 650V/13mΩ SiC MOSFET器件，基于Smart Cut™工艺衬底和常规单晶SiC衬底的器件电阻对比，

相比常规衬底器件，Smart Cut™工艺衬底器件的Rdon平均降低24%，

这一性能提升幅度，甚至可以与产品的代际提升相媲美。

也用1200V SiC MOSFET器件做了对比，Smart Cut™工艺衬底器件的Rdon降幅15%。

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再看不同温度下的反向恢复电荷大小，如上，绿色三角为Smart Cut™工艺衬底器件，

相比标准衬底器件，Smart Cut™工艺衬底器件的反向恢复电荷大幅降低，

原因是对单晶SiC剥离层表面的氢离子注入会在键合界面附近形成复合中心，这些复合中心可以减小少子寿命，使得器件在高温下的反向恢复电荷减小40%左右。

而反向恢复特性的优化可以降低器件开关损耗，提升系统效率。

更重要的是，Smart Cut™工艺衬底器件在降低反向恢复电荷的同时，不会降低体二极管正向压降，这是传统优化方式不具备的优势。

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双极退化是导致SiC MOSFET器件导通电阻随时间升高的常见失效模式，Smart Cut™工艺的另一优势便是更强的抗双极退化能力，

已有报道显示，氢离子注入可有效减少肖克莱堆垛层错的产生，进而增强衬底的抗双极退化能力，

如上图，基于标准衬底工艺的1200V/10A SiC PIN二极管，在600秒大电流应力（2250 A/cm2）下出现显著的正向压降漂移，

而在相同应力下，Smart Cut™工艺衬底器件的正向压降并未出现明显漂移。

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Smart Cut™工艺也可提升器件的功率循环能力，原因是多晶SiC基底的机械性能更佳，可降低芯片贴装处的应力，

具体而言，相比标准单晶SiC，多晶SiC支撑晶圆的杨氏模量约为前者的93%，因此芯片刚性降低，热胀冷缩过程中施加在封装层上的每循环塑性应变减小，功率循环寿命因之增加。

如上图，相比标准衬底SiC器件，Smart Cut™工艺衬底器件可使器件最高结温提升20K左右，且不影响可靠性。

小结：

1、传统SiC衬底制造方法效率较低，生产过程能耗较高，Soitec提出基于智能剥离技术（Smart Cut™）的SiC衬底工艺，

核心思路是——从高质量SiC单晶表面，撕下薄薄的一层，贴到廉价的多晶SiC支撑晶圆之上，

相比传统衬底工艺，Smart Cut™工艺可以重复利用高质量施主晶圆，显著提升材料利用率，且可提升导通能力、反向恢复特性等器件性能。

2、Smart Cut™工艺的基底多晶SiC电阻率低至2 mΩ·cm，而标准单晶SiC电阻率为20 mΩ·cm，如此低的电阻率可以显著降低衬底电阻，提升器件电流密度，

意法半导体G2 650V/13mΩ SiC MOSFET器件，相比常规衬底器件，Smart Cut™工艺衬底器件的Rdon平均降低24%。

3、相比标准衬底器件，Smart Cut™工艺衬底器件的反向恢复电荷大幅降低，

原因是对单晶SiC剥离层表面的氢离子注入会在键合界面附近形成复合中心，这些复合中心可以减小少子寿命，使得器件在高温下的反向恢复电荷减小40%左右。

另外Smart Cut™工艺衬底器件在降低反向恢复电荷时，不会降低体二极管正向压降。

4、相比标准衬底器件，Smart Cut™工艺衬底器件的抗双极退化能力和功率循环能力亦有所提升。

参考《Polycrystalline-SiC-based engineered Substrate boosts the Performance of SiC Power Devices》

来源：晏小北

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