随着社会技术变革的持续推进，有类产品在这场变革中扮演着至关重要的角色，这就是用于电能的转换、控制与调节的配件，典型代表包括二极管、整流器、逆变器、转换器、斩波器和晶体管等。自电子器件问世以来，硅一直是主流的半导体材料，至今仍在电力电子器件领域占据主导地位。然而，硅基电力电子技术存在局限性，因此无法支持社会中更广泛的技术变革。

电动汽车 (EV) 的日益普及以及对更长续航里程、更快充电速度的需求，对电力电子器件性能提出了更高要求。可再生能源转型是推动电力电子技术发展的另一项重要趋势，它依赖高效的功率转换和更低的能耗。此外，消费电子和电信领域的进一步发展，需要电力电子技术能够处理更高的功率密度、更快的开关速度，同时提供更优的热管理性能。

硅基电力电子器件能够满足上述部分应用需求，但它们主要适用于家用电器、电动工具和要求较低的数据中心功能等场景。对于这类应用，中低范围的开关频率已足够，且成本往往比性能或外形尺寸更重要。但在中高范围开关频率以上，硅基电力电子器件因硅的固有带隙限制而难以满足需求。因此，需要带隙比硅更宽的半导体材料，它们能提供更高的功率、开关频率、工作温度、开关电压以及更优的效率。

目前，有两种宽带隙材料在电力电子领域证明了自身价值：碳化硅 (SiC) 和氮化镓 (GaN)。SiC 与 GaN 的带隙宽度（单位：电子伏特 (eV)）分别是硅材料的 2 倍和 3 倍以上。

按额定功率和开关频率划分的技术对比

SiC 基电力电子器件特别适用于高功率/高开关频率应用。例如，电动汽车采用 SiC 电力电子技术，可实现更长续航里程、更快充电速度以及更轻量化车身等优势。此外，SiC 技术还有望实现尺寸更小、能效更高的储能系统。尽管 GaN 仅适用于中功率应用，但其工作频率在各类技术中位居榜首。因此，GaN 基电力电子技术为消费电子和电信领域开辟了许多新可能，例如无线充电的普及应用和更快的通信速度。

同样重要的是需认识到，这些技术在中功率/中频段领域存在较大重叠，从而形成了彼此间的“竞争地带”。在这一领域，如果成本是主要考量因素，硅可能是更优选择。但如果需要更高性能、更优效率或更小尺寸的产品，则应考虑 SiC 或 GaN。

SiC 与 GaN 的制造挑战

传统硅基电力电子器件的制造工艺已普及且成熟，但 SiC 和 GaN 基电力电子器件带来了更艰难的全新挑战。

作为原材料，SiC 的成本远高于硅，成品器件的价格约为硅基器件的三倍。SiC 晶圆比硅晶圆更脆、更薄且尺寸更小，因此制造过程中的 SiC 晶圆处理更精细、更复杂且成本更高。

GaN 晶圆比 SiC 晶圆还要脆、薄且尺寸更小，因此 GaN 晶圆的处理工艺比 SiC 晶圆更复杂且成本更高。然而有趣的是，在功率转换规格相当的情况下， GaN 基产品可能比硅基产品更便宜——这得益于 GaN 更高的效率、更低的运行成本和更小的体积。

虽然 SiC 和 GaN 晶圆的许多制造步骤与硅晶圆生产相同，但仍存在一些显著差异。例如， SiC 和 GaN 晶圆锭切片通常采用激光切割而非机械金刚石锯切割，减少材料浪费和废料，提高晶圆良率，同时降低成本。此外，现有的硅晶圆加工产线无法直接用于 SiC 或 GaN 晶圆。原因之一是为硅晶圆开发的处理设备可能不适用于 SiC 或 GaN 晶圆。

与此同时，MKS 在硅晶圆前后道工艺领域拥有数十年经验，能够与您共同开发构建最适合您的 SiC 或 GaN 需求的解决方案。

SiC 与 GaN 电力电子制造与传统硅 (Si) 基技术对比

MKS 在 SiC 与 GaN 制造领域的优势

数十年来，MKS 一直是硅晶圆加工前道与后道工艺的技术领导者，深刻理解电力电子器件设计与制造所面临的挑战。我们将这些专业知识转化为独特的产品特性，为 SiC 和 GaN 电力电子器件制造提供显著优势。下面将介绍其中的一些特性。

1、高精度激光器

在晶锭切割、划线、开槽、划片和打标等应用中，激光技术优于传统的机械方法（如刀片和钻头）。例如，使用机械金刚石锯切割 SiC 晶锭的工艺非常耗时，材料损耗率可能高达 75%。此外，由于 SiC 的硬度显著高于硅，刀片磨损速度会加快，从而增加更换成本与设备停机时间。相比之下，激光晶锭切割技术用于 SiC 和 GaN 时材料损耗极低，且不存在工具磨损问题。通过采用合适的激光器及切割方法，激光晶锭切割速度可大幅超越机械切割。

MKS 激光器属于超高精度设备，能轻松重复实现微米级的精准切割与钻孔，这是机械工具难以企及的。 SiC 和 GaN 晶圆本就比硅更脆，需要更精细的操作；随着 SiC 和 GaN 器件日趋复杂，单纯依靠机械加工方式将面临更大挑战。除了高精度优势，激光技术在切割和钻孔方面还能提供更灵活的图形处理能力，这为制造设计更复杂、性能更高的器件创造了条件。

MKS 对 GaN 晶圆进行激光划片

相较于传统工艺，激光技术的另一重要优势在于其加工质量。在切片、划片、开槽和切割过程中，相较于机械切割，激光加工产生的毛刺更少，对周边区域的损伤也更小，从而提升良率并减少材料浪费。此外，与机械加工相比，激光加工产生的潜在缺陷和裂纹更少，从而有助于提升产品在实际应用中的质量和可靠性，因为并非所有此类问题都能在产品出厂前被发现。

与激光晶锭切割类似，激光划片、开槽、切割和标记均属于非接触式加工，因此不存在工具磨损问题，且相较于机械方法，更换停机时间极少。

总体而言，采用激光技术加工 SiC 和 GaN 材料，将推动相关器件实现规模化生产，从而足以与硅基电子器件形成互补和竞争。

2、纳米级晶圆位移台

在光刻、检测和切割等工艺中，晶圆定位性能面临严峻挑战，通常需要达到亚微米甚至纳米级的精度和重复精度。此外，这种高精度操作必须快速完成，速度最高可达 1 m/s，以实现最大产量。 

为满足半导体制造业对晶圆定位的需求，MKS 开发了 Newport® DynamYX 系列位移台，这是一款基于气浮轴承和直线电机技术的高产量、高精度解决方案。DynamYX 拥有超过 20 年的现场验证成功经验，全球安装量超过 1,000 套系统，可提供商用市场最高水平的定位性能。此外，MKS 还推出了 Newport HybrYX 系列位移台，这是一种采用直线电机的气浮与机械轴承混合系统，同样具备高产量和高精度。

所有 DynamYX 和 HybrYX 系统均为定制设计，因此为硅基工艺开发的技术与解决方案可适配并应用于 SiC 和 GaN 加工。

3、光束分析

尽管激光相较传统工具具备诸多优势，激光系统仍会随时间推移出现性能衰减。导致性能下降的原因包括：激光系统内部组件受热效应影响、振动或冲击，以及加工区域附近的碎屑。这些问题可能从多个方面影响激光性能。首先，输出功率可能降低，导致激光效率下降。可能出现的另一个问题是光束焦点或其他参数发生变化，这可能导致切割或钻孔偏离目标、过深、质量不佳，甚至损坏材料的其他部分。

Ophir BeamGage 光束分析软件显示与分析光束分布

因此，为确保最高品质的 SiC 和 GaN 晶圆制造，并最大限度降低生产停机风险，必须使用合适的仪器（如 Ophir® 功率传感器、功率计和光束分析仪）时常监测激光光束。这些仪器可在处理激光最大输出功率时对其进行表征。