您是否認為在150mm晶圓上製作芯片已經過時了？再想一想呢！當今市場的大趨勢——自動駕駛汽車、電動汽車、5G無線通信、增強現實和虛擬現實（AR/VR）、醫療保健，這些應用都是在150mm晶圓上進行的芯片工藝創新。
據麥姆斯諮詢報道，雖然大眾把注意力都集中於誰家在摩爾定律競爭中處於領先工藝節點位置，但功率器件、光電探測器和波導的重大進步則是基於諸如150mm甚至100mm的碳化硅（SiC）和砷化鎵（GaAs）晶圓上實現的。
光電子驅動砷化鎵（GaAs）晶圓市場增長
GaAs晶圓已經是激光器和LED技術領域幾十年的老朋友了，主要應用有複印機、DVD播放器甚至激光指示器。近年來，LED推動了化合物半導體技術的進一步發展。新的進展來自兩類光電子應用：用於數據網絡的激光光源和波導技術，以及用於先進3D成像的激光二極管和光電探測器技術。
在GaAs襯底上製造的器件常常以多片晶圓批量式進行工藝步驟，這一部分歸因於該類應用特別是LED照明對成本的高度敏感性。許多傳統的工藝步驟如MOCVD機臺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，直到後續製作接觸孔才需要光刻或刻蝕工藝。
如今，儘管大多數情況還是按部就班，但產量、良率和價格等方面的壓力則需要一些特定類型的設備，如垂直腔表面發射激光器（VCSEL）在可能的情況下將使用單片式工藝。這與傳統的一次性批量處理多片晶圓不同，這些三五族（III-V）材料技術最終將通過3D人臉識別等新興應用進入更廣泛的消費市場。
典型VCSEL器件橫截面示意圖，越來越多的這類器件採用單片式工藝
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，開啟了3D人臉識別智能手機時代。在2017年11月之前，GaAs襯底材料還主要用於蜂窩手機的射頻前端（RFFE）和其它射頻放大器。在iPhone X中，150mm的GaAs襯底材料用於RFFE的元器件製造，以及用於3D人臉識別的VCSEL和光電探測器。
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晶圓上製作的。這代表什麼呢？意味著在iPhone X中，超過芯片總數的12%和晶圓總面積的約2%來自150mm晶圓。按芯片數量進行統計，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晶圓上的器件數量和所能支持的應用還是相對較少。然而，如果我們回顧iPhone的BOM，會發現一個有趣的趨勢：自2012年以來，按累積晶圓面積來看，300mm晶圓上製造的器件數量保持相對平坦的增長曲線（節點尺寸的減小與複雜度不斷增加引起的面積增加所抵消），而200mm和150mm晶圓上製造的器件卻分別以9.5%和6%的複合年增長率獲得增長。如此令人印象深刻的增長態勢來自於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，這裡還未統計其他手機制造商對功率器件、其他平臺對光電子應用的需求量。
碳化硅（SiC）應用持續升溫
150mm晶圓的另一突出應用領域是SiC功率MOSFET。如今，SiC功率MOSFET主要用於工業應用中的高功率開關，但將越來越多地應用於電動汽車（EV）。如今開發和生產的SiC MOSFET結構有兩種主要類型：平面式MOSFET和溝槽式MOSFET。
SiC MOSFET器件結構
在1997年，一輛豐田普銳斯大約消耗0.97片150mm晶圓的器件，涉及多種應用，其中最主要的應用則是功率轉換。到2015年，這個數字已經上升到每輛車1.18片150mm晶圓。
半導體器件在豐田普銳斯車型上的使用情況
隨著汽車功率轉換系統的複雜性增加，對功率模塊的使用數量和性能要求也隨之增加。這可是SiC材料的“拿手”技術。與硅基器件相比，SiC功率MOSFET能處理更高的功率並承受更高的熱負載，這對電動汽車來講，可以滿足降低總重量以提高效率的理想特性。業界都對SiC MOSFET的擊穿電壓高且能在高溫下運行頗為認可，基於SiC襯底的IC將是未來電動汽車的關鍵元器件。
然而，電動汽車市場將以什麼速度發展還無法準確預測。需要注意的是，未來十年裡在美國上路的輕型客運車輛中15%都是電動汽車。隨著這個數字的增加和車輛上越來越多的應用需要高壓開關，SiC晶圓製造商如位於美國達勒姆市的科銳（Cree）已經越來越看好150mm晶圓的產品應用前景。其子公司Wolfspeed（位於美國三角研究園）作為SiC功率MOSFET器件製造商，更是“下注”2023年SiC器件的可用市場總額（TAM）將迅速增長到50億美元。
科銳將SiC器件市場做了這樣的劃分：SiC功率MOSFET，市場規模為25億美元；用於光伏市場的SiC功率逆變器，市場規模為23億美元；應用在消費類便攜式充電器中的SiC器件，市場規模為2億美元。更確切地說，SiC器件產業仍處於初級階段，150mm晶圓的增長潛力巨大。
單從晶圓投料來看，科銳預計2023年150mm晶圓的用量將達到200萬片，如果按目前每年4.5萬片的投料量來計算，期間的複合年增長率將達到110%，增長速度令人驚歎！雖然科銳對晶圓投料量和器件TAM前景非常樂觀，但著名市場研究公司Yole則持更保守的觀點。Yole預計2023年150mm SiC晶圓的用量為15萬片，複合年增長率超過50%。
150mm SiC晶圓製造設備有何特殊之處？
那麼，150mm SiC晶圓製造設備有何特殊要求？雖然SiC晶圓製造的“魔法”在於晶錠的生長過程本身，但最終形成SiC晶圓則需要對晶錠進行一些後處理步驟，例如研磨、化學機械研磨（CMP）、SiC外延、注入、檢測、化學氣相沉積（CVD）和物理氣相沉積（PVD）。SiC晶圓因其半透明性質和材料硬度而面臨許多挑戰，這需要對關鍵工藝步驟設備進行重新設計或改裝，包括CMP、SiC外延（>1600°C）、注入（>500°C）和對SiC生長所特有的晶體缺陷進行檢測。
150mm晶圓前景光明
著名半導體設備廠商Applied Materials（應用材料）公司一直致力於150mm晶圓製造設備的研發，也密切關注包括光電子和SiC功率MOSFET等器件對先進材料的需求。雖然對上述器件的200mm晶圓製造設備的研發也在進行中。但很明顯地看到，150mm晶圓技術的未來是光明的。事實上，150mm晶圓製造產業還處於非常活躍的狀態。
延伸閱讀：
《VCSEL技術、產業和市場趨勢》
《功率碳化硅（SiC）材料、器件和應用-2018版》
《超越摩爾應用的晶圓市場-2018版》
《砷化鎵（GaAs）晶圓和外延片市場》
《III-V族氮化物半導體技術領域的專利動態監測》
《汽車功率模塊封裝對比分析-2018版》
《特斯拉Model 3逆變器：意法半導體SiC功率模塊》
《UnitedSiC的1200V碳化硅JFET：UJN1205K》
《GaN Systems氮化鎵HEMT：GS61004B》
《Littelfuse增強模式碳化硅MOSFET：LSIC1MO120E0080》
《硅上氮化鎵（GaN-on-Silicon）晶體管對比分析-2018版》
《英飛凌1200V CoolSiC MOSFET模組：DF11MR12W1M1_B11》
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