Bevezetés a szilícium-karbidba
A szilícium-karbid (SiC) egy szénből és szilíciumból álló összetett félvezető anyag, amely az egyik ideális anyag magas hőmérsékletű, nagyfrekvenciás, nagyteljesítményű és nagyfeszültségű eszközök gyártásához. A hagyományos szilícium anyaghoz (Si) képest a szilícium-karbid sávszélessége háromszorosa a szilíciuménak. A hővezető képessége 4-5-szerese a szilíciuménak; az átütési feszültsége 8-10-szerese a szilíciuménak; az elektronikus telítési sodródási sebessége 2-3-szorosa a szilíciuménak, ami megfelel a modern ipar nagy teljesítményű, nagyfeszültségű és nagyfrekvenciás igényeinek. Főként nagysebességű, nagyfrekvenciás, nagy teljesítményű és fénykibocsátó elektronikus alkatrészek gyártásához használják. A további 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 is alkalmazzák.
Magas hőmérséklet-állóság. A szilícium-karbid sávszélessége 2-3-szorosa a szilíciuménak, az elektronok nem könnyen mennek át magas hőmérsékleten, és ellenáll a magasabb üzemi hőmérsékleteknek, a szilícium-karbid hővezető képessége pedig 4-5-ször nagyobb, mint a szilíciumé, így az eszköz hőelvezetése könnyebb, és a határ üzemi hőmérséklet magasabb. A magas hőmérséklet-állóság jelentősen növelheti a teljesítménysűrűséget, miközben csökkenti a hűtőrendszerrel szembeni követelményeket, így a terminál könnyebb és kisebb lesz.
Nagy nyomásnak ellenáll. A szilícium-karbid átütési elektromos térerőssége tízszerese a szilíciumnak, így nagyobb feszültségeket is elbír, és alkalmasabb nagyfeszültségű eszközökhöz.
Nagyfrekvenciás ellenállás. A szilícium-karbid telített elektronsodródási sebessége kétszerese a szilíciuménak, ami azt eredményezi, hogy a leállítási folyamat során nincs áramlöket, ami hatékonyan javíthatja az eszköz kapcsolási frekvenciáját és megvalósíthatja az eszköz miniatürizálását.
Alacsony energiaveszteség. A szilícium-karbid anyaggal összehasonlítva nagyon alacsony bekapcsolási ellenállással és alacsony bekapcsolási veszteséggel rendelkezik. Ugyanakkor a szilícium-karbid nagy tiltott sávszélessége jelentősen csökkenti a szivárgási áramot és a teljesítményveszteséget. Ezenkívül a szilícium-karbid eszköznél nincs áramcsúszás a leállítási folyamat során, és a kapcsolási veszteség alacsony.
Szilícium-karbid ipari lánc
Főként a szubsztrát, az epitaxiális eljárás, az eszköztervezés, a gyártás, a tömítés és így tovább foglalja magában. A szilícium-karbid az anyagtól a félvezető teljesítményeszközig egykristályos növesztésen, öntvényszeletelésen, epitaxiális növekedésen, ostyatervezésen, gyártáson, csomagoláson és egyéb folyamatokon megy keresztül. A szilícium-karbid por szintézise után először a szilícium-karbid öntvényt készítik el, majd szeleteléssel, csiszolással és polírozással nyerik a szilícium-karbid szubsztrátot, és epitaxiális növekedéssel nyerik az epitaxiális lemezt. Az epitaxiális ostyát szilícium-karbidból litográfiával, maratással, ionimplantációval, fémpassziválással és egyéb eljárásokkal állítják elő, az ostyát szerszámba vágják, az eszközt becsomagolják, majd az eszközt egy speciális héjba egyesítik és modullá szerelik össze.
Az 1. ipari lánc felső szakasza: az aljzat - a kristálynövekedés a fő folyamatlánc.
A szilícium-karbid szubsztrát a szilícium-karbid eszközök költségének mintegy 47%-át teszi ki, a legmagasabb gyártási technikai akadályok, a legnagyobb érték, a SiC jövőbeli nagyszabású iparosításának lényege.
Az elektrokémiai tulajdonságkülönbségek szempontjából a szilícium-karbid szubsztrát anyagok vezetőképes szubsztrátokra (ellenállási tartomány 15~30mΩ·cm) és félig szigetelt szubsztrátokra (ellenállás nagyobb, mint 105Ω·cm) oszthatók. Ezt a kétféle szubsztrátot különálló eszközök, például teljesítményeszközök és rádiófrekvenciás eszközök gyártására használják epitaxiális növesztés után. Ezek közül a félig szigetelt szilícium-karbid szubsztrátot főként gallium-nitrid RF eszközök, fotoelektromos eszközök stb. gyártásában használják. A félig szigetelt SIC szubsztrátra növesztett gan epitaxiális réteggel előállítják a szilícium-karbid epitaxiális lemezt, amelyből tovább lehet HEMT gan izonitrid RF eszközöket előállítani. A vezetőképes szilícium-karbid szubsztrátot főként teljesítményeszközök gyártásában használják. A hagyományos szilícium-karbid tápegység gyártási folyamatától eltérően a szilícium-karbid tápegység nem közvetlenül a szilícium-karbid hordozóra készülhet, a szilícium-karbid epitaxiális réteget a vezetőképes hordozóra kell növeszteni a szilícium-karbid epitaxiális lemez előállításához, és az epitaxiális réteget Schottky-diódán, MOSFET-en, IGBT-n és más tápegységeken gyártják.
A szilícium-karbid port nagy tisztaságú szénporból és nagy tisztaságú szilíciumporból szintetizálták, majd különböző méretű szilícium-karbid öntvényeket növesztettek speciális hőmérsékleti mezőben, és ezután szilícium-karbid szubsztrátot állítottak elő több feldolgozási folyamaton keresztül. A fő folyamat a következőket tartalmazza:
Nyersanyag szintézise: A nagy tisztaságú szilíciumport és a tonert a képlet szerint összekeverik, és a reakciót a reakciókamrában, 2000°C feletti magas hőmérsékleten hajtják végre, hogy meghatározott kristálytípusú és részecskeméretű szilícium-karbid részecskéket szintetizáljanak. Ezután zúzáson, szitáláson, tisztításon és egyéb folyamatokon keresztül megfelelnek a nagy tisztaságú szilícium-karbid por alapanyagok követelményeinek.
A kristálynövekedés a szilícium-karbid szubsztrát gyártásának központi folyamata, amely meghatározza a szilícium-karbid szubsztrát elektromos tulajdonságait. Jelenleg a kristálynövekedés fő módszerei a fizikai gőzátvitel (PVT), a magas hőmérsékletű kémiai gőzleválasztás (HT-CVD) és a folyadékfázisú epitaxia (LPE). Ezek közül a PVT módszer jelenleg a SiC szubsztrátok kereskedelmi célú növesztésének fő módszere, a legfejlettebb műszaki megoldásokkal rendelkezik, és a mérnöki tudományokban a legszélesebb körben használják.
A SiC szubsztrát előállítása nehézkes, ami magas árhoz vezet.
A hőmérséklet-mező szabályozása nehézkes: a Si kristályrúd növekedéséhez mindössze 1500 ℃ szükséges, míg a SiC kristályrúd növekedéséhez 2000 ℃ feletti magas hőmérsékleten kell növeszteni, és több mint 250 SiC izomer létezik, de az erőeszközök gyártásához használt fő 4H-SiC egykristályos szerkezet, ha nem pontos szabályozással történik, más kristályszerkezeteket eredményez. Ezenkívül a tégelyben lévő hőmérséklet-gradiens meghatározza a SiC szublimációs átvitelének sebességét, valamint a gáznemű atomok elrendeződését és növekedési módját a kristályfelületen, ami befolyásolja a kristálynövekedési sebességet és a kristályminőséget, ezért szisztematikus hőmérséklet-mező szabályozási technológiát kell kialakítani. A Si anyagokhoz képest a SiC előállításának különbsége a magas hőmérsékletű folyamatokban is megmutatkozik, mint például a magas hőmérsékletű ionimplantáció, a magas hőmérsékletű oxidáció, a magas hőmérsékletű aktiválás és az ezekhez a magas hőmérsékletű folyamatokhoz szükséges keménymaszkos eljárás.
Lassú kristálynövekedés: a Si kristályrúd növekedési sebessége elérheti a 30 ~ 150 mm/h-t, és az 1-3 m-es szilíciumkristályrúd előállítása csak körülbelül 1 napot vesz igénybe; például a PVT módszerrel előállított SiC kristályrúd növekedési sebessége körülbelül 0,2-0,4 mm/h, 7 nap alatt 3-6 cm-nél kisebbre nő, a növekedési sebesség a szilíciumanyag kevesebb, mint 1%-a, és a termelési kapacitás rendkívül korlátozott.
Magas termékparaméterek és alacsony hozam: a SiC szubsztrát fő paraméterei közé tartozik a mikrotubulus-sűrűség, a diszlokáció-sűrűség, az ellenállás, a vetemedés, a felületi érdesség stb. Az atomok elrendezése zárt, magas hőmérsékletű kamrában és a kristálynövekedés befejezése összetett rendszertervezés, miközben a paraméterindexeket szabályozzák.
Az anyag nagy keménységgel, törékenységgel, hosszú forgácsolási idővel és nagy kopással rendelkezik: a SiC Mohs-keménysége 9,25, ami a gyémánt után a második helyen áll, ami jelentősen megnöveli a vágás, csiszolás és polírozás nehézségét, és egy 3 cm vastag öntvény 35-40 darabjának kivágása körülbelül 120 órát vesz igénybe. Ezenkívül a SiC nagy törékenysége miatt a lapka feldolgozása során nagyobb lesz a kopás, és a kitermelési arány csak körülbelül 60%.
Fejlődési trend: Méretnövekedés + árcsökkenés
A globális SiC piac 6 hüvelykes volumenű gyártósora beérik, és a vezető vállalatok beléptek a 8 hüvelykes piacra. A hazai fejlesztési projektek főként 6 hüvelykesek. Jelenleg, bár a legtöbb hazai vállalat még mindig 4 hüvelykes gyártósorokon alapul, az iparág fokozatosan bővül a 6 hüvelykesre, a 6 hüvelykes támogató berendezések technológiájának érettségével a hazai SiC szubsztrát technológia is fokozatosan javul, a nagyméretű gyártósorok méretgazdaságossága tükröződik, és a jelenlegi hazai 6 hüvelykes tömeggyártási időbeli különbség 7 évre szűkült. A nagyobb ostyaméret növelheti az egyes chipek számát, javíthatja a hozamot és csökkentheti a peremchipek arányát, a kutatás-fejlesztés költségei és a hozamveszteség pedig körülbelül 7%-on maradhatnak, ezáltal javítva az ostyakihasználtságot.
Az eszközök tervezésében még mindig sok a nehézség
A SiC dióda kereskedelmi forgalomba hozatala fokozatosan javul, jelenleg számos hazai gyártó tervezett SiC SBD termékeket. A közép- és nagyfeszültségű SiC SBD termékek jó stabilitással rendelkeznek, a járművek fedélzeti számítógépében (OBC) a SiC SBD + SI IGBT használatával stabil áramsűrűséget érnek el. Jelenleg nincsenek akadályok a SiC SBD termékek szabadalmi tervezésében Kínában, és a külföldi országokhoz képest is kicsi a különbség.
A SiC MOS gyártása még mindig számos nehézséggel küzd, továbbra is szakadék tátong a SiC MOS és a külföldi gyártók között, és a vonatkozó gyártási platform még fejlesztés alatt áll. Jelenleg az ST, az Infineon, a Rohm és más 600-1700 V-os SiC MOS elérték a tömeggyártást, és számos gyártóiparral aláírták és szállították, míg a jelenlegi hazai SiC MOS tervezése alapvetően befejeződött, számos tervezőgyártó a wafer áramlási szakaszában lévő gyárakkal dolgozik, és a későbbi ügyfél-ellenőrzés még időbe telik, így a nagymértékű kereskedelmi forgalomba hozatalig még hosszú idő van hátra.
Jelenleg a síkszerkezet a fő választás, és a jövőben az árok típusú csövek széles körben használatosak lesznek a nagynyomású területen. A síkszerkezetű SiC MOS-t sokan gyártják, de a síkszerkezet a horonyszerkezethez képest kevésbé könnyen okoz lokális meghibásodási problémákat, ami befolyásolja a munka stabilitását. 1200 V alatti feszültségen széles körben alkalmazható, és a síkszerkezet viszonylag egyszerű a gyártás szempontjából, így megfelel a gyárthatóság és a költséghatékonyság két szempontjának. A horonyszerkezet előnyei közé tartozik a rendkívül alacsony parazita induktivitás, a gyors kapcsolási sebesség, az alacsony veszteség és a viszonylag nagy teljesítmény.
2--SiC ostya hírek
Szilícium-karbid piaci termelés és értékesítés növekedése, figyeljen a kínálat és a kereslet közötti strukturális egyensúlyhiányra
A nagyfrekvenciás és nagy teljesítményű teljesítményelektronikai eszközök iránti piaci kereslet gyors növekedésével a szilíciumalapú félvezető eszközök fizikai szűk keresztmetszete fokozatosan kiemelkedett, és a szilícium-karbid (SiC) által képviselt harmadik generációs félvezető anyagok fokozatosan iparosodtak. Az anyagteljesítmény szempontjából a szilícium-karbid sávszélessége háromszorosa a szilíciumanyagénak, a kritikus lebomlási elektromos térerősség tízszerese, a hővezető képessége pedig háromszorosa, így a szilícium-karbid teljesítményeszközök alkalmasak nagyfrekvenciás, nagynyomású, magas hőmérsékletű és egyéb alkalmazásokhoz, és segítenek javítani a teljesítményelektronikai rendszerek hatékonyságát és teljesítménysűrűségét.
Jelenleg a SiC diódák és a SiC MOSFET-ek fokozatosan kerültek a piacra, és vannak érettebb termékek is, amelyek közül a SiC diódákat széles körben használják egyes területeken a szilícium alapú diódák helyett, mivel nem rendelkeznek a fordított töltés-visszanyerés előnyével; a SiC MOSFET-eket fokozatosan használják az autóiparban, az energiatárolásban, a töltőoszlopokban, a fotovoltaikus rendszerekben és más területeken is; az autóipari alkalmazások területén a modularizáció trendje egyre hangsúlyosabb, a SiC kiváló teljesítményének eléréséhez fejlett csomagolási eljárásokra van szükség, technikailag viszonylag érett héjtömítéssel, mint a mainstream, a jövőbeli vagy a műanyag tömítés fejlesztésével szemben, az egyedi fejlesztési jellemzői jobban megfelelnek a SiC moduloknak.
A szilícium-karbid árcsökkenési sebessége meghaladja a képzeletet
A szilícium-karbid eszközök alkalmazását elsősorban a magas költségek korlátozzák, a SiC MOSFET ára azonos szinten négyszerese a Si alapú IGBT-k árának. Ez azért van, mert a szilícium-karbid folyamata összetett, az egykristályok növekedése és epitaxiális növekedése nemcsak környezetbarát, hanem a növekedési ütem is lassú, és az egykristályok szubsztráttá történő feldolgozásának vágási és polírozási folyamaton kell keresztülmennie. Saját anyagjellemzői és éretlen feldolgozási technológiája alapján a hazai szubsztrát hozama kevesebb, mint 50%, és különböző tényezők vezetnek a szubsztrát és az epitaxiális árak magas szintjéhez.
A szilícium-karbid eszközök és a szilícium alapú eszközök költségösszetétele azonban szöges ellentétben áll egymással, az elülső csatorna szubsztrát- és epitaxiális költségei a teljes eszköz 47%-át, illetve 23%-át teszik ki, összesen mintegy 70%-ot, a hátsó csatorna eszköztervezése, gyártása és tömítő összeköttetései mindössze 30%-ot tesznek ki, a szilícium alapú eszközök gyártási költsége főként a hátsó csatorna ostyagyártásában koncentrálódik, mintegy 50%-ot, az aljzat költsége pedig mindössze 7%-ot tesz ki. A szilícium-karbid iparági lánc értékének fejjel lefelé történő felfordulása azt jelenti, hogy az upstream aljzat epitaxiális gyártóknak alapvető joguk van a beszédhez, ami kulcsfontosságú a hazai és külföldi vállalkozások elrendezésében.
A piac dinamikus szempontjából a szilícium-karbid költségének csökkentése, a szilícium-karbid hosszú kristályainak és szeletelési folyamatának javítása mellett, a szeletméret bővítését is jelenti, ami a félvezetők fejlesztésének érett útja is a múltban. A Wolfspeed adatai azt mutatják, hogy a szilícium-karbid szubsztrát 6 hüvelykről 8 hüvelykre történő bővítésével a minősített chipgyártás 80-90%-kal növelhető, és javítható a hozam. Az együttes egységköltség 50%-kal csökkenthető.
2023-at a „8 hüvelykes szilícium-karbid első évének” nevezik, ebben az évben a hazai és külföldi szilícium-karbid gyártók felgyorsítják a 8 hüvelykes szilícium-karbid elrendezését, például a Wolfspeed 14,55 milliárd dolláros őrült beruházást hajtott végre a szilícium-karbid termelés bővítésére, amelynek fontos része egy 8 hüvelykes szilícium-karbid szubsztrát gyártó üzem építése. Annak érdekében, hogy a jövőben 200 mm-es SiC csupasz fémmel lássák el a vállalatokat, a Domestic Tianyue Advanced és a Tianke Heda szintén hosszú távú megállapodásokat írt alá az Infineonnal 8 hüvelykes szilícium-karbid szubsztrátok szállítására a jövőben.
A Ji Bond Consulting kutatási adatai szerint az idei évtől kezdődően a szilícium-karbid gyártási üteme 6 hüvelykről 8 hüvelykre fog gyorsulni, a Wolfspeed pedig arra számít, hogy 2024-re a 8 hüvelykes szubsztrátum egységnyi chipköltsége több mint 60%-kal csökken a 2022-es 6 hüvelykes szubsztrátum egységnyi chipköltségéhez képest, és a költségcsökkenés tovább nyitja az alkalmazási piacot. A 8 hüvelykes termékek jelenlegi piaci részesedése kevesebb mint 2%, és a piaci részesedés várhatóan 2026-ra körülbelül 15%-ra fog növekedni.
Valójában a szilícium-karbid szubsztrát árának csökkenésének üteme meghaladhatja sokak képzeletét, a 6 hüvelykes szubsztrát jelenlegi piaci kínálata 4000-5000 jüan/darab, az év elejéhez képest jelentősen visszaesett, várhatóan jövőre 4000 jüan alá esik. Érdemes megjegyezni, hogy egyes gyártók az első piac megszerzése érdekében az eladási árat az alábbi költségvonalra csökkentették. Megnyílt az árháború modellje, főként a szilícium-karbid szubsztrát kínálatára koncentrálva, amely viszonylag elegendő volt az alacsony feszültségű területen, a hazai és külföldi gyártók agresszívan bővítik termelési kapacitásukat, vagy hagyják, hogy a szilícium-karbid szubsztrát túlkínálata korábban bekövetkezzen, mint gondolták.
Közzététel ideje: 2024. január 19.