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晶圆是半导体芯片制造最关键的材料之一，而随着新型材料的发展，以碳化硅SiC为代表的新材料已成为全球企业重点关注的电子材料。全球从事碳化硅晶圆制造的企业并不多，这些企业几乎垄断了整个碳化硅芯片制造的材料市场(图1)，真正能有很好市场效益的企业也就欧美那几家大厂，罗姆、英飞凌和科锐等均在此投入相当大的研发成本和精力。

全球碳化硅晶圆短缺、产能不足已是业界众所周知的窘境。换言之，现今的碳化硅晶圆市场，收购的目标非常少。有鉴于晶圆是碳化硅供应链的关键，全球碳化硅晶圆告急，意法半导体(STMicroelectronics，简称ST)为扩大对碳化硅市场的布局，总裁兼首席执行官Jean-Marc Chery表示：「在全球碳化硅产能受限的大环境下，整体并购Norstel AB将有助于增强ST内部的碳化硅生态系统，提高我们的生产灵活性，使我们能够更好地控制芯片的良率和质量改进，并为我们的碳化硅长远规划和业务发展提供支持。」

图1. 全球主要从事碳化硅晶圆制造的企业

图片来源：Yole Développement[1]

制造碳化硅半导体晶圆最关键的一环就是高性能的碳化硅衬底和磊晶成长技术，据悉Norstel AB在这方面的表现很不错，可开发出独特的碳化硅生长技艺。意法半导体看好的Norstel AB，早在1993年就与ABB Ltd.和瑞典linköping大学合作启动碳化硅项目，历经二十八年的发展已经形成了设计、制造、运营等一体化的技术体系，拥有丰富可量产的经验和优质的性能及稳定性，这也是意法半导体最看重的。在意法半导体完整收购Norstel AB并进行业务整合后，6吋碳化硅裸晶圆和8吋磊晶圆是未来意法半导体的重点研究领域，以应对日益增长的汽车和工业市场。

意法半导体及其旗下Norstel AB在碳化硅晶圆及其磊晶成长技术的专利布局

一些国际电子业巨头都已投入巨资发展碳化硅半导体组件，ST也不例外。在ST及其旗下Norstel AB的碳化硅晶圆及其磊晶成长的专利组合(patent portfolio)[2]中，除ST的少数专利外，其专利申请权人也包含ABB Research Ltd.早期1990年代草创时期申请的专利、Okmetic OYJ授让给Norstel AB的专利、被ST收购的Norstel AB以及被中国三安光电旗下子公司收购的北电新材的专利，其原始专利申请权人占比如图2所示。

图3为ST及其旗下Norstel AB在碳化硅晶圆及其磊晶成长方面的专利申请趋势，系以最早优先权申请年统计其专利组合中INPADOC专利家族数量。最早优先权自1995年起开始有用于透过化学气相沉积在衬底上磊晶生长碳化硅的相关专利申请，分别于2001、2003及2018年有最多相关专利家族申请，其后下降系因部分专利尚未公开所致。在该专利组合中，其INPADOC专利家族中各别专利申请的国别／地区统计如图4所示。

图2. ST及旗下Norstel AB在碳化硅晶圆及其磊晶成长之原始专利申请权人占比圆饼图

图片来源：提摩太绘制

图3. ST及旗下Norstel AB在碳化硅晶圆及其磊晶成长的历年专利申请趋势
(Count by INPADOC family with earliest priority year)

图片来源：提摩太绘制

图4. ST及旗下Norstel AB在碳化硅晶圆及其磊晶成长的专利申请国别

图片来源：提摩太绘制

将ST及旗下Norstel AB之碳化硅晶圆及其磊晶成长专利组合(By INPADOC Family)中涉及较多之国际专利分类号(International Patent Classification，IPC)整理如表1，分别以三阶、四阶和五阶IPC显示其专利的技术分布。

表1. ST及旗下Norstel AB之碳化硅晶圆及其磊晶成长专利组合中所涉及的IPC国际专利分类号

(一) 透过化学气相沉积(CVD)在衬底上制备碳化硅
90年代由ABB Research和Okmetic共同申请涉及一种透过化学气相沉积在衬底上磊晶生长碳化硅、III族氮化物或其合金的方法专利[3]，该方法在其专利申请专利范围(Claims)包括以下步骤：加热基座，从而将衬底和供给到衬底用于生长之气体混合物加热到高于衬底生长所需的温度水平，在该温度水平上生长的材料的升华开始显著增加，以及将具有特定组成之该气体混合物供给到基座中并以一速率确保其成长。另一方面，透过化学气相沉积在配置以基座容置的衬底上磊晶生长碳化硅的方法，包括加热基座并藉此加热衬底和供给至衬底用于生长的气体混合物，并且透过改变该气体混合物中至少一种蚀刻气体的含量来改变该气体混合物对基座和衬底的作用等步骤。

与在常温下进行的化学气相沉积相比，该专利将温度升高到高于衬底生长所需的温度水平(即用于生长晶锭的温度)，使生长的材料的升华开始显著增加，提升生长速率和长晶的质量。由于该专利主张的权利范围广泛，系利用化学气相沉积在衬底上磊晶生长碳化硅的基础专利，后续被许多国际大厂引用，包括Okmetic OYJ、Denso Corporation、Caracal, Inc.、Cree, Inc.、Cape Simulations, Inc.等国际巨头在其衬底上磊晶生长碳化硅技术的基础上延伸再精进。

(二)碳化硅同质磊晶生长技术
ST申请一种在衬底上同质磊晶生长具不同掺杂水平的碳化硅磊晶层，并在该等碳化硅磊晶层上形成氮钝化碳化硅层(nitrogen-passivated silicon dioxide layer)的半导体器件结构专利[4]。该结构如图5所示，具有在衬底(4)上形成第一磊晶生长的碳化硅缓冲层(5)，在该缓冲层(5)上方形成第二磊晶生长碳化硅层(1)，并在该第二磊晶生长的碳化硅层(1)上形成氮钝化二氧化硅层(2)。其中，该氮钝化二氧化硅层(2)的氮浓度大于第一和第二磊晶生长的碳化硅层的氮掺杂浓度，从而使该第二磊晶生长的碳化硅层(1)和该氮钝化二氧化硅层(2)之间的界面质量提升、具有低陷阱密度(low trap density)，提高了半导体器件的电气性能。该专利之后也被住友电工(Sumitomo Electric Industries)和格罗方德(GlobalFoundries, Inc.)等国际半导体巨头所引用。

(三)控制芯片下弯及厚度
通常硅基碳化硅(SiC on Si)之化合物半导体异质磊晶结构制程是要将碳化硅层磊晶成长在硅晶圆基板上，但晶格不匹配问题易产生翘曲(warping)为制程上的困难之一，例如产生芯片下弯(bow)，且用于功率应用所需的芯片直径愈大，下弯问题愈严重。为减少大直径芯片下弯的问题，ST申请一种用于制造碳化硅功率半导体芯片的方法专利[5]包括：提供单晶硅芯片(102)；在硅芯片(102)上磊晶生长单晶碳化硅层(108)；以及在该单晶碳化硅层(108)上磊晶生长单晶硅层(110)，从而该单晶碳化硅层(108)及该单晶硅层(110)具有小于50μm的下弯。再者，为使其碳化硅芯片厚度能够经受相对高的电压，单晶碳化硅膜(106)系充当用于生长单晶碳化硅层(108)的籽晶，所得单晶碳化硅层(108)的厚度取决于芯片在反应室内暴露于硅前体和碳前体的时间量，从而适用能够经受相对高的电压的厚度，例如该单晶碳化硅层(108)非常适合在功率应用中使用的厚度范围可以从2μm至6μm。此有效控制芯片下弯程度的专利后续也被国际大厂Honeywell International Inc.所引用。

图6. 抑制芯片下弯之异质磊晶结构

图片来源：美国专利US9576793B2

2019年1月意法半导体也与Cree达成2.5亿美元先进6吋Wolfspeed®碳化硅裸晶圆和磊晶晶圆合约[6]，以争夺6吋晶圆的供应量，下个策略目标是将碳化硅从6吋迁移到8吋生产线，以满足应用于电动汽车功率半导体组件市场广大的需求。这当然也是许多厂商开始扩建产能以及往8吋晶圆研发的原因。

掌握碳化硅供应链、取得重要客户青睐，汽车市场保持领先地位

电气化正在推动新能源汽车产品需求强劲成长，碳化硅有助提升车辆性能、延长续航里程、加快车辆充电速度，同时是高于600V高压应用系统的最佳选择　(例如纯电动汽车的驱动马达逆变器)，使得碳化硅在电动汽车市场的应用正在上升。作为第一家为电动车的主逆变器提供碳化硅 MOSFET的公司，ST显示出了要在汽车市场保持领先地位的雄心，目标是在2025年营收过30亿美元。关键在于碳化硅晶圆的供应是否安全无虞，ST透过Norstel AB 100%完整的股权收购举动，就是在向它的汽车客户们展示自己对碳化硅供应链掌控的能力。

赢得重要客户通常是推动特定市场或应用中成功的关键。对ST而言，其在汽车领域的成功取决于特斯拉这个主要客户，帮助ST在碳化硅功率组件市场成为领导者。因为在特斯拉Model 3之逆变器功率模块中，包含了意法半导体制造的碳化硅 MOSFET。ST能够迅速在电动车市场领域站稳脚步，很大程度上要归功于特斯拉，使得其能与雷诺-日产-三菱联盟在车载充电器建立伙伴关系，研发下一代电动汽车快充技术。预测ST掌握碳化硅供应链、取得重要客户青睐，可望于未来一段时间将继续保持特斯拉第一大供货商的地位。

Power SiC 2018: Materials, Devices, and Applications by Yole Développement, https://www.slideshare.net/Yole_Developpement/power-sic-2018-materials-devices-and-applications-2018-report-by-yole-developpement-109363439
截至2021年6月16日止，ROHM集团在碳化硅半导体材料方面的专利组合，经筛选与碳化硅衬底及其磊晶技艺相关的专利共40案(Count by INPADOC family)，合计132件专利。
US6030661A, ABB Research Ltd. & Okmetic Ltd., Device and a method for epitaxially growing objects by CVD, patent issued on 2000 February 29.
US8183573B2, STMicroelectronics, Process for forming an interface between silicon carbide and silicon oxide with low density of states, patent issued on 2012 May 22.
US9576793B2, STMicroelectronics, Semiconductor wafer and method for manufacturing the same, patent issued on 2017 February 21.
Cree and STMicroelectronics Announce Multi-Year Silicon Carbide Wafer Supply Agreement, 2019 January 7, https://www.cree.com/news-events/news/article/cree-and-stmicroelectronics-announce-multi-year-silicon-carbide-wafer-supply-agreement