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 tápegység gyártási folyamatától 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 egyéb 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 ostyagyártásában összpontosul mintegy 50%-ban, a hordozó költsége pedig csak 7%-ot tesz 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 növeli, a minősített chipek termelése 80-90%-kal nőhet, és javíthatja a hozamot. 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, Számos vállalat 200 mm-es szilícium-karbid csupaszfém jövőbeli ellátásának biztosítása; 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 alkalmazáspiacot – 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, várhatóan jövőre 4000 jüan alá esik, érdemes megjegyezni, hogy egyes gyártók az első piac megszerzése érdekében az eladási árat az alábbi költségsorra csökkentették, Megnyitotta az árháború modelljét, elsősorban a szilícium-karbid hordozóra koncentrálva. Az ellátás viszonylag elegendő volt a kisfeszültségű területen, a hazai és külföldi gyártók agresszíven bővítik a termelési kapacitást, vagy hagyják, hogy a szilícium-karbid szubsztrát túlkínálati szakasza az elképzeltnél hamarabb történjen.
Feladás időpontja: 2024. január 19