Bevezetés a szilícium-karbidba
A szilícium-karbid (SiC) egy szénből és szilíciumból álló összetett félvezető anyag, amely az egyik ideális anyag a magas hőmérsékletű, nagyfrekvenciás, nagy teljesítményű és nagyfeszültségű eszközök készítéséhez. A hagyományos szilícium anyaghoz (Si) képest a szilícium-karbid sávszélessége háromszorosa a szilíciuménak. A hővezető képesség 4-5-szöröse a szilíciuménak; Az áttörési feszültség 8-10-szerese a szilíciumnak; Az elektronikus telítési drift mértéke 2-3-szorosa a szilíciuménak, ami megfelel a modern ipar nagy teljesítményű, nagyfeszültségű és nagyfrekvenciás igényeinek. Főleg nagy sebességű, nagyfrekvenciás, nagy teljesítményű és fénykibocsátó elektronikai alkatrészek gyártására használják. A későbbi alkalmazási területek közé tartozik az intelligens hálózat, az új energiahordozók, a fotovoltaikus szélenergia, az 5G kommunikáció stb. A szilícium-karbid diódákat és a MOSFET-eket kereskedelmi forgalomban alkalmazták.
Magas hőmérsékleti ellenállás. A szilícium-karbid sávszélessége 2-3-szorosa a szilíciuménak, az elektronok átmenete nem könnyű magas hőmérsékleten, és magasabb üzemi hőmérsékletet is elvisel, a szilícium-karbid hővezető képessége pedig 4-5-szöröse a szilíciuménak, megkönnyítve a készülék hőelvezetését és magasabbra téve a működési határhőmérsékletet. A magas hőmérséklet-ellenállás jelentősen növelheti a teljesítménysűrűséget, miközben csökkenti a hűtőrendszerrel szemben támasztott követelményeket, így könnyebb és kisebb lesz a terminál.
Ellenáll a magas nyomásnak. A szilícium-karbid áttörési elektromos térerőssége 10-szerese a szilíciuménak, amely ellenáll a nagyobb feszültségeknek, és alkalmasabb a nagyfeszültségű eszközökhöz.
Nagyfrekvenciás ellenállás. A szilícium-karbid telített elektronsodródási sebessége kétszerese a szilíciuménak, ami azt eredményezi, hogy a leállítási folyamat során nincs áramkimaradás, ami hatékonyan javíthatja az eszköz kapcsolási frekvenciáját és megvalósíthatja az eszköz miniatürizálását.
Alacsony energiaveszteség. A szilícium anyaggal összehasonlítva a szilícium-karbid nagyon alacsony bekapcsolási ellenállással és alacsony veszteséggel rendelkezik. Ugyanakkor a szilícium-karbid nagy sávszélessége nagymértékben csökkenti a szivárgási áramot és a teljesítményveszteséget. Ezen túlmenően a szilícium-karbid eszköznek nincs áramleállási jelensége a leállítási folyamat során, és a kapcsolási veszteség alacsony.
Szilícium-karbid ipari lánc
Főleg a szubsztrátot, az epitaxiát, az eszköztervezést, a gyártást, a tömítést és így tovább tartalmazza. A szilícium-karbid az anyagtól a félvezető tápegységig egykristálynövekedést, rúdszeletelést, epitaxiális növekedést, ostyatervezést, gyártást, csomagolást és egyéb folyamatokat tapasztal. A szilícium-karbid por szintézise után először a szilícium-karbid tömb készül, majd szeleteléssel, csiszolással és polírozással a szilícium-karbid szubsztrátot, epitaxiális növesztéssel pedig az epitaxiális lapot. Az epitaxiális lapka szilícium-karbidból készül litográfiával, maratással, ionimplantációval, fémpassziválással és egyéb eljárásokkal, az ostyát stancolásra vágják, a készüléket becsomagolják, és az eszközt speciális héjba egyesítik és modullá szerelik össze.
Az ipari lánc előtt 1: szubsztrát – a kristálynövekedés a folyamat fő láncszeme
A szilícium-karbid szubsztrát a szilícium-karbid eszközök költségeinek mintegy 47%-át teszi ki, a legmagasabb gyártástechnikai akadályok, a legnagyobb érték a SiC jövőbeli nagyszabású iparosításának magja.
Az elektrokémiai tulajdonságok különbségei szempontjából a szilícium-karbid hordozóanyagok vezetőképes szubsztrátumokra (ellenállási tartomány 15-30 mΩ·cm) és félig szigetelt hordozókra (105Ω·cm-nél nagyobb ellenállás) oszthatók. Ezt a kétféle hordozót különálló eszközök, például tápegységek és rádiófrekvenciás eszközök gyártására használják epitaxiális növekedés után. Közülük a félig szigetelt szilícium-karbid szubsztrátot főként gallium-nitrid RF eszközök, fotoelektromos eszközök és így tovább gyártásához használják. Félszigetelt SIC szubsztrátra gan epitaxiális réteg növesztésével készül a sic epitaxiális lemez, amely tovább preparálható HEMT gan izo-nitrid RF eszközökké. A vezetőképes szilícium-karbid szubsztrátumot főként erőgépek gyártásában használják. A hagyományos szilícium-karbid gyártási folyamattól eltérően a szilícium-karbid tápegység nem készíthető közvetlenül a szilícium-karbid hordozóra, a szilícium-karbid epitaxiális réteget a vezetőképes hordozón kell növeszteni, hogy megkapjuk a szilícium-karbid epitaxiális lapot, és az epitaxiális réteget Schottky-diódára, MOSFET-re, IGBT-re és más tápegységekre gyártják.
A szilícium-karbid port nagy tisztaságú szénporból és nagy tisztaságú szilíciumporból szintetizálták, és különböző méretű szilícium-karbid tuskót termesztettek speciális hőmérsékleti mezőben, majd több feldolgozási eljárással szilícium-karbid szubsztrátot állítottak elő. Az alapfolyamat a következőket tartalmazza:
Nyersanyag szintézis: A nagy tisztaságú szilíciumpor + toner a képlet szerint összekeverve, és a reakciót a reakciókamrában, magas hőmérsékleten, 2000 ° C felett hajtják végre, hogy szintetizálják a szilícium-karbid részecskéket meghatározott kristálytípussal és szemcsékkel. méret. Ezután a zúzás, szűrés, tisztítás és egyéb folyamatok révén megfelel a nagy tisztaságú szilícium-karbid por nyersanyagok követelményeinek.
A kristálynövekedés a szilícium-karbid hordozó gyártás fő folyamata, amely meghatározza a szilícium-karbid hordozó elektromos tulajdonságait. Jelenleg a kristálynövekedés fő módszerei a fizikai gőzátvitel (PVT), a magas hőmérsékletű kémiai gőzleválasztás (HT-CVD) és a folyadékfázisú epitaxia (LPE). Közülük a PVT módszer jelenleg a SiC szubsztrát kereskedelmi termesztésének főáramú módszere, a legmagasabb műszaki érettséggel és a legszélesebb körben alkalmazott módszerrel a mérnöki területen.
A SiC szubsztrátum előkészítése nehézkes, ami magas árához vezet
A hőmérséklet terepi szabályozása nehéz: a szilícium-kristály rúd növekedéséhez csak 1500 ℃ szükséges, míg a SiC kristály rudat magas, 2000 ℃ feletti hőmérsékleten kell termeszteni, és több mint 250 SiC izomer van, de a fő 4H-SiC egykristály szerkezet a teljesítményeszközök gyártása, ha nem is precíz vezérlést kap, más kristályszerkezeteket kap. Ezenkívül a tégelyben lévő hőmérsékleti gradiens meghatározza a SiC szublimációs transzfer sebességét és a gázatomok elrendezését és növekedési módját a kristály határfelületén, ami befolyásolja a kristálynövekedés sebességét és a kristály minőségét, ezért szükséges egy szisztematikus hőmérsékleti mező kialakítása. vezérlési technológia. A Si anyagokhoz képest a SiC termelésben a különbség a magas hőmérsékletű folyamatokban is jelentkezik, mint például a magas hőmérsékletű ionimplantáció, a magas hőmérsékletű oxidáció, a magas hőmérsékletű aktiválás és a kemény maszkos eljárás, amelyet ezek a magas hőmérsékletű eljárások igényelnek.
Lassú kristálynövekedés: a Si-kristály rúd növekedési sebessége elérheti a 30-150 mm/h-t, és az 1-3 m-es szilíciumkristály rúd gyártása csak körülbelül 1 napot vesz igénybe; Példaként SiC kristályrúd PVT-módszerrel, a növekedési sebesség körülbelül 0,2-0,4 mm/h, 7 nap alatt nő 3-6 cm-nél, a növekedési sebesség kevesebb, mint a szilícium anyag 1%-a, a termelési kapacitás rendkívül magas korlátozott.
Magas termékparaméterek és alacsony hozam: a SiC szubsztrát alapvető paraméterei közé tartozik a mikrotubulussűrűség, a diszlokációs sűrűség, az ellenállás, a vetemedés, a felületi érdesség stb. Komplex rendszertervezés az atomok zárt, magas hőmérsékletű kamrában történő elrendezése és a kristálynövekedés befejezése, a paraméterindexek vezérlése közben.
Az anyag nagy keménységgel, nagy törékenységgel, hosszú vágási idővel és nagy kopással rendelkezik: 9,25-ös SiC Mohs-keménysége a gyémánt után a második, ami jelentősen megnöveli a vágás, csiszolás és polírozás nehézségét, és körülbelül 120 órát vesz igénybe. vágjunk 35-40 darabot egy 3 cm vastag tuskóból. Ezenkívül a SiC nagy ridegsége miatt az ostyafeldolgozási kopás nagyobb lesz, és a kimeneti arány csak körülbelül 60%.
Fejlesztési trend: Méret növekedés + árcsökkenés
A globális SiC piac 6 hüvelykes térfogatú gyártósora érlelődik, és vezető vállalatok léptek be a 8 hüvelykes piacra. A hazai fejlesztési projektek főként 6 hüvelykesek. Jelenleg, bár a legtöbb hazai vállalat még mindig 4 hüvelykes gyártósorokon alapul, de az iparág fokozatosan 6 hüvelykesre bővül, a 6 hüvelykes támogató berendezések technológiájának lejáratával a hazai SiC szubsztrát technológia is fokozatosan javítja a gazdaságot. A nagy méretű gyártósorok léptéke tükröződik, és a jelenlegi hazai 6 hüvelykes tömeggyártási időkülönbség 7 évre szűkült. A nagyobb ostyaméret növelheti az egyes chipek számát, javíthatja a kihozatali arányt és csökkentheti a peremforgácsok arányát, valamint a kutatás-fejlesztés költsége és a hozamveszteség körülbelül 7%-on maradhat, ezáltal javul az ostya hasznosítás.
Az eszközök tervezésében még mindig sok nehézség adódik
A SiC dióda kereskedelmi forgalomba hozatala fokozatosan javul, jelenleg számos hazai gyártó tervezett SiC SBD termékeket, a közép- és nagyfeszültségű SiC SBD termékek jó stabilitásúak, a járműben az OBC, a SiC SBD+SI IGBT használata a stabilitás elérése érdekében áramsűrűség. Jelenleg Kínában nincsenek akadályok a SiC SBD termékek szabadalmaztatásában, és kicsi a különbség a külföldi országokhoz képest.
A SiC MOS még mindig sok nehézséggel küzd, még mindig szakadék tátong a SiC MOS és a tengerentúli gyártók között, és a megfelelő gyártási platform még fejlesztés alatt áll. Jelenleg az ST, az Infineon, a Rohm és más 600-1700 V-os SiC MOS-ok tömeggyártást értek el, és számos gyártóiparral aláírták és szállították, míg a jelenlegi hazai SiC MOS-tervezés lényegében elkészült, számos dizájngyártó dolgozik fab-ekkel az ostya áramlási szakasza, és a későbbi ügyfél-ellenőrzés még kell egy kis idő, így még sok idő van a nagyszabású kereskedelmi forgalomba hozatalig.
Jelenleg a sík szerkezet a fő választás, és az árok típusát a jövőben széles körben használják a nagynyomású területen. Síkszerkezetű SiC MOS gyártók sok, a sík szerkezet nem könnyű helyi áttörési problémákat előidézni a horonnyal összehasonlítva, ami befolyásolja a munka stabilitását, a piacon az 1200 V alatti feszültség széles körű alkalmazási értékkel rendelkezik, és a sík szerkezete viszonylag egyszerű a gyártás végén, hogy megfeleljen a gyárthatóság és a költségszabályozás két szempontjának. A hornyos eszköz előnye a rendkívül alacsony parazita induktivitás, a gyors kapcsolási sebesség, az alacsony veszteség és a viszonylag nagy teljesítmény.
2--SiC ostya hírek
A szilícium-karbid piaci termelés és értékesítés növekedése, figyeljen a kereslet és a kínálat közötti strukturális egyensúlyhiányra
A nagyfrekvenciás és nagyteljesítményű teljesítményelektronika iránti piaci kereslet rohamos növekedésével a szilícium alapú félvezető eszközök fizikai határának szűk keresztmetszete fokozatosan előtérbe került, és fokozatosan a szilícium-karbid (SiC) által képviselt harmadik generációs félvezető anyagok is. iparosodni. Az anyagteljesítmény szempontjából a szilícium-karbid sávszélessége 3-szor nagyobb, mint a szilícium anyagé, 10-szerese a kritikus áttörési elektromos térerősségnek, 3-szor a hővezető képességük, így a szilícium-karbid teljesítményeszközök alkalmasak nagyfrekvenciás, nagy nyomású, magas hőmérsékletű és egyéb alkalmazások segítik a teljesítményelektronikai rendszerek hatékonyságának és teljesítménysűrűségének javítását.
Jelenleg a SiC diódák és a SiC MOSFET-ek fokozatosan kikerültek a piacra, és vannak kiforrottabb termékek is, amelyek között egyes területeken a szilícium alapú diódák helyett széles körben alkalmazzák a SiC diódákat, mivel nem rendelkeznek fordított visszanyerési töltés előnyével; A SiC MOSFET-et fokozatosan használják az autóiparban, az energiatárolásban, a töltésben, a fotovoltaikus és más területeken is; Az autóipari alkalmazások területén a modularizáció tendenciája egyre hangsúlyosabbá válik, a szilícium-karbamid kiváló teljesítményéhez fejlett csomagolási eljárásokra kell támaszkodni, hogy elérjék a műszakilag viszonylag kiforrott héjtömítést mint fősodort, a jövőt vagy a műanyag tömítések fejlesztését. , testreszabott fejlesztési jellemzői jobban megfelelnek a SiC moduloknak.
A szilícium-karbid árcsökkenési sebessége vagy minden képzeletet felülmúl
A szilícium-karbid eszközök alkalmazását elsősorban a magas költség korlátozza, a SiC MOSFET ára azonos szint alatt 4-szer magasabb, mint a Si alapú IGBT-é, ennek oka, hogy a szilícium-karbid folyamata összetett, amelyben a Az egykristályos és epitaxiális nem csak a környezetre káros, hanem a növekedési sebesség is lassú, és az egykristályos feldolgozásnak az aljzatba kell mennie a vágási és polírozási folyamaton. Saját anyagjellemzői és kiforratlan feldolgozási technológiája alapján a hazai szubsztrátum hozama kevesebb, mint 50%, és különböző tényezők magas szubsztrátum- és epitaxiális árakhoz vezetnek.
A szilícium-karbid eszközök és a szilícium alapú eszközök költségösszetétele azonban homlokegyenest ellentétes, az elülső csatorna hordozó és epitaxiális költségei a teljes eszköz 47%-át, illetve 23%-át teszik ki, összesen mintegy 70%-ot, az eszköz tervezése, gyártása és a hátsó csatorna tömítőelemei mindössze 30%-ot tesznek ki, a szilícium alapú eszközök előállítási költsége főként a hátsó csatorna ostyagyártására koncentrálódik, körülbelül 50%, a szubsztrátum költsége mindössze 7%-át teszi ki. A jelenség a szilícium-karbid ipari lánc fejjel lefelé értékének jelensége azt jelenti, hogy az upstream szubsztrát epitaxia gyártóinak alapvető joga van a felszólaláshoz, ami a kulcsa a hazai és külföldi vállalkozások elrendezésének.
A piac dinamikus nézőpontjából a szilícium-karbid költségének csökkentése a szilícium-karbid hosszú kristály- és szeletelési folyamatának javítása mellett az ostya méretének bővítése, ami egyben a félvezetők fejlesztésének érett útja is a múltban, A Wolfspeed adatai azt mutatják, hogy a szilícium-karbid szubsztrát 6 hüvelykről 8 hüvelykre növekszik, a minősített chipek gyártása 80-90%-kal nőhet, és javítható. a hozam. 50%-kal csökkentheti a kombinált egységköltséget.
2023 a "8 hüvelykes SiC első év" néven ismert, ebben az évben a hazai és külföldi szilícium-karbid gyártók felgyorsítják a 8 hüvelykes szilícium-karbid elrendezését, mint például a Wolfspeed őrült 14,55 milliárd dolláros befektetése a szilícium-karbid gyártás bővítésére, melynek fontos része egy 8 hüvelykes SiC szubsztrát gyártó üzem építése, A jövőbeni ellátás biztosítása érdekében 200 mm-es SiC csupasz fémet számos vállalatnak; A hazai Tianyue Advanced és a Tianke Heda szintén hosszú távú megállapodást írt alá az Infineonnal, hogy a jövőben 8 hüvelykes szilícium-karbid szubsztrátumokat szállítanak.
Ettől az évtől kezdődően a szilícium-karbid 6 hüvelykről 8 hüvelykre fog felgyorsulni, a Wolfspeed arra számít, hogy 2024-re a 8 hüvelykes hordozó egységnyi chipköltsége a 2022-es 6 hüvelykes hordozó egységnyi chip-költségéhez képest több mint 60%-kal csökken. , a költségek csökkenése pedig tovább nyitja az alkalmazások piacát – mutatott rá a Ji Bond Consulting kutatási adatai. A 8 hüvelykes termékek jelenlegi piaci részesedése kevesebb, mint 2%, és a piaci részesedés várhatóan 2026-ra körülbelül 15%-ra nő.
Valójában a szilícium-karbid hordozó árának csökkenése sokak képzeletét meghaladhatja, a 6 hüvelykes hordozó jelenlegi piaci kínálata 4000-5000 jüan/darab, az év elejéhez képest sokat esett, jövőre várhatóan 4000 jüan alá esik, érdemes megjegyezni, hogy egyes gyártók az első piac megszerzése érdekében az eladási árat a költségsorra csökkentették alább, Megnyitotta az árháború modelljét, elsősorban a szilícium-karbid szubsztrátra koncentrálva, az alacsony feszültségű területen viszonylag elegendő volt a kínálat, a hazai és külföldi gyártók agresszíven bővítik a termelési kapacitást, vagy hagyják, hogy a szilícium-karbid szubsztrát túlkínálata korábban álljon be, mint ahogy elképzelték. .
Feladás időpontja: 2024. január 19