Introduksjon til silisiumkarbid
Silisiumkarbid (SiC) er et sammensatt halvledermateriale sammensatt av karbon og silisium, som er et av de ideelle materialene for å lage enheter med høy temperatur, høy frekvens, høy effekt og høy spenning. Sammenlignet med det tradisjonelle silisiummaterialet (Si), er båndgapet til silisiumkarbid 3 ganger det for silisium. Den termiske ledningsevnen er 4-5 ganger den for silisium; Nedbrytningsspenningen er 8-10 ganger den for silisium; Den elektroniske metningsdriftshastigheten er 2-3 ganger den for silisium, som oppfyller behovene til moderne industri for høy effekt, høy spenning og høy frekvens. Den brukes hovedsakelig til produksjon av høyhastighets, høyfrekvente, høyeffekts og lysemitterende elektroniske komponenter. Nedstrøms applikasjonsfeltene inkluderer smarte nett, nye energikjøretøyer, solcellevindkraft, 5G-kommunikasjon, etc. Silisiumkarbiddioder og MOSFET-er har blitt brukt kommersielt.
Høy temperaturmotstand. Båndgapets bredde til silisiumkarbid er 2-3 ganger den for silisium, elektronene er ikke enkle å overføre ved høye temperaturer, og tåler høyere driftstemperaturer, og den termiske ledningsevnen til silisiumkarbid er 4-5 ganger den for silisium, noe som gjør enhetens varmeavledning enklere og grensedriftstemperaturen høyere. Høytemperaturmotstanden kan øke effekttettheten betraktelig samtidig som kravene til kjølesystemet reduseres, noe som gjør terminalen lettere og mindre.
Tåler høyt trykk. Den elektriske sammenbruddstyrken til silisiumkarbid er 10 ganger større enn for silisium, som tåler høyere spenninger og er mer egnet for høyspentenheter.
Høyfrekvent motstand. Silisiumkarbid har en mettet elektrondrifthastighet som er dobbelt så stor som for silisium, noe som resulterer i fravær av strømavgang under avstengingsprosessen, noe som effektivt kan forbedre enhetens byttefrekvens og realisere miniatyriseringen av enheten.
Lavt energitap. Sammenlignet med silisiummateriale har silisiumkarbid svært lav motstand og lavt tap. Samtidig reduserer den høye båndgapbredden til silisiumkarbid lekkasjestrømmen og effekttapet betraktelig. I tillegg har ikke silisiumkarbidenheten nåværende etterfølgende fenomen under avstengingsprosessen, og koblingstapet er lavt.
Silisiumkarbid industrikjede
Det inkluderer hovedsakelig substrat, epitaksi, enhetsdesign, produksjon, forsegling og så videre. Silisiumkarbid fra materialet til halvlederkraftenheten vil oppleve enkeltkrystallvekst, blokkering, epitaksial vekst, waferdesign, produksjon, pakking og andre prosesser. Etter syntesen av silisiumkarbidpulver, lages silisiumkarbidblokken først, og deretter oppnås silisiumkarbidsubstratet ved skjæring, sliping og polering, og epitaksialplaten oppnås ved epitaksial vekst. Den epitaksiale waferen er laget av silisiumkarbid gjennom litografi, etsing, ioneimplantasjon, metallpassivering og andre prosesser, waferen kuttes i form, enheten er pakket, og enheten er kombinert til et spesielt skall og satt sammen til en modul.
Oppstrøms industrikjede 1: substrat - krystallvekst er kjerneprosessleddet
Silisiumkarbidsubstrat står for omtrent 47% av kostnadene for silisiumkarbidenheter, de høyeste produksjonstekniske barrierene, den største verdien, er kjernen i den fremtidige storskala industrialiseringen av SiC.
Fra perspektivet til forskjeller i elektrokjemiske egenskaper, kan silisiumkarbidsubstratmaterialer deles inn i ledende substrater (resistivitetsområde 15~30mΩ·cm) og halvisolerte substrater (resistivitet høyere enn 105Ω·cm). Disse to typene substrater brukes til å produsere diskrete enheter som kraftenheter og radiofrekvensenheter henholdsvis etter epitaksial vekst. Blant dem brukes halvisolert silisiumkarbidsubstrat hovedsakelig til fremstilling av galliumnitrid RF-enheter, fotoelektriske enheter og så videre. Ved å dyrke gan-epitaksialt lag på halvisolert SIC-substrat, klargjøres den sic-epitaksiale platen, som kan prepareres videre i HEMT gan-iso-nitrid RF-enheter. Ledende silisiumkarbidsubstrat brukes hovedsakelig til produksjon av kraftenheter. Forskjellig fra den tradisjonelle produksjonsprosessen for silisiumkraftenheter, kan ikke silisiumkarbidkraftenheten lages direkte på silisiumkarbidsubstratet, silisiumkarbid-epitaksiallaget må dyrkes på det ledende substratet for å oppnå silisiumkarbid-epitaksialarket og epitaksialet. laget er produsert på Schottky-dioden, MOSFET, IGBT og andre strømenheter.
Silisiumkarbidpulver ble syntetisert fra høyrent karbonpulver og høyrent silisiumpulver, og forskjellige størrelser av silisiumkarbidblokker ble dyrket under spesielle temperaturfelt, og deretter ble silisiumkarbidsubstrat produsert gjennom flere prosesseringsprosesser. Kjerneprosessen inkluderer:
Råvaresyntese: Det høyrente silisiumpulveret + toner blandes i henhold til formelen, og reaksjonen utføres i reaksjonskammeret under høytemperaturforhold over 2000 °C for å syntetisere silisiumkarbidpartiklene med spesifikk krystalltype og partikkel størrelse. Deretter gjennom knusing, screening, rengjøring og andre prosesser, for å møte kravene til høy renhet silisiumkarbid pulver råvarer.
Krystallvekst er kjerneprosessen for fremstilling av silisiumkarbidsubstrat, som bestemmer de elektriske egenskapene til silisiumkarbidsubstrat. For tiden er hovedmetodene for krystallvekst fysisk dampoverføring (PVT), høytemperatur kjemisk dampavsetning (HT-CVD) og væskefaseepitaxi (LPE). Blant dem er PVT-metoden mainstream-metoden for kommersiell vekst av SiC-substrat for tiden, med høyest teknisk modenhet og den mest brukte innen ingeniørfag.
Fremstillingen av SiC-substrat er vanskelig, noe som fører til den høye prisen
Temperaturfeltkontroll er vanskelig: Si-krystallstavvekst trenger bare 1500 ℃, mens SiC-krystallstav må dyrkes ved en høy temperatur over 2000 ℃, og det er mer enn 250 SiC-isomerer, men den viktigste 4H-SiC enkeltkrystallstrukturen for produksjonen av kraftenheter, om ikke presis kontroll, vil få andre krystallstrukturer. I tillegg bestemmer temperaturgradienten i digelen graden av SiC-sublimasjonsoverføring og arrangementet og vekstmodusen til gassformige atomer på krystallgrensesnittet, noe som påvirker krystallveksthastigheten og krystallkvaliteten, så det er nødvendig å danne et systematisk temperaturfelt kontrollteknologi. Sammenlignet med Si-materialer, er forskjellen i SiC-produksjon også i høytemperaturprosesser som høytemperaturionimplantasjon, høytemperaturoksidasjon, høytemperaturaktivering og den harde maskeprosessen som kreves av disse høytemperaturprosessene.
Langsom krystallvekst: veksthastigheten til Si-krystallstaven kan nå 30 ~ 150 mm/t, og produksjonen av 1-3m silisiumkrystallstav tar bare omtrent 1 dag; SiC krystallstang med PVT-metode som et eksempel, veksthastigheten er omtrent 0,2-0,4 mm/t, 7 dager å vokse mindre enn 3-6 cm, veksthastigheten er mindre enn 1% av silisiummaterialet, produksjonskapasiteten er ekstremt begrenset.
Høye produktparametre og lavt utbytte: Kjerneparametrene til SiC-substrat inkluderer mikrotubuli-tetthet, dislokasjonstetthet, resistivitet, forvrengning, overflateruhet, etc. Det er en kompleks systemkonstruksjon å arrangere atomer i et lukket høytemperaturkammer og fullstendig krystallvekst, mens du kontrollerer parameterindekser.
Materialet har høy hardhet, høy sprøhet, lang skjæretid og høy slitasje: SiC Mohs-hardhet på 9,25 er nest etter diamant, noe som fører til en betydelig økning i vanskelighetsgraden for skjæring, sliping og polering, og det tar ca. 120 timer å skjær 35-40 stykker av en 3 cm tykk barre. I tillegg, på grunn av den høye sprøheten til SiC, vil waferbehandlingsslitasje være mer, og utgangsforholdet er bare rundt 60%.
Utviklingstrend: Størrelsesøkning + prisnedgang
Den globale SiC-markedet 6-tommers volumproduksjonslinje modnes, og ledende selskaper har gått inn i 8-tommers markedet. Innenlandske utviklingsprosjekter er hovedsakelig 6 tommer. For øyeblikket, selv om de fleste innenlandske selskaper fortsatt er basert på 4-tommers produksjonslinjer, men industrien utvides gradvis til 6-tommers, med modenhet av 6-tommers støtteutstyrsteknologi, forbedrer innenlandsk SiC-substratteknologi også gradvis økonomien til omfanget av store produksjonslinjer vil bli reflektert, og det nåværende innenlandske 6-tommers masseproduksjonstidsgapet har blitt redusert til 7 år. Den større waferstørrelsen kan føre til en økning i antall enkeltbrikker, forbedre utbyttegraden og redusere andelen kantbrikker, og kostnadene for forskning og utvikling og utbyttetap vil opprettholdes på omtrent 7 %, og dermed forbedre wafer utnyttelse.
Det er fortsatt mange vanskeligheter med enhetsdesign
Kommersialiseringen av SiC-diode forbedres gradvis, for tiden har en rekke innenlandske produsenter designet SiC SBD-produkter, mellom- og høyspennings SiC SBD-produkter har god stabilitet, i kjøretøyets OBC, bruken av SiC SBD+SI IGBT for å oppnå stabil strømtetthet. For tiden er det ingen barrierer i patentdesignet til SiC SBD-produkter i Kina, og gapet med utlandet er lite.
SiC MOS har fortsatt mange vanskeligheter, det er fortsatt et gap mellom SiC MOS og utenlandske produsenter, og den aktuelle produksjonsplattformen er fortsatt under konstruksjon. For tiden har ST, Infineon, Rohm og andre 600-1700V SiC MOS oppnådd masseproduksjon og signert og sendt med mange produksjonsindustrier, mens den nåværende innenlandske SiC MOS-designen i utgangspunktet er fullført, jobber en rekke designprodusenter med fabrikker på wafer flow-stadiet, og senere kundeverifisering trenger fortsatt litt tid, så det er fortsatt lang tid fra storskala kommersialisering.
For tiden er den plane strukturen hovedvalget, og grøfttypen er mye brukt i høytrykksfeltet i fremtiden. Planstruktur SiC MOS-produsenter er mange, den plane strukturen er ikke lett å produsere lokale sammenbruddsproblemer sammenlignet med sporet, som påvirker stabiliteten til arbeidet, i markedet under 1200V har et bredt spekter av bruksverdi, og den plane strukturen er relativt enkel i produksjonen slutten, for å møte produksjonsevne og kostnadskontroll to aspekter. Sporanordningen har fordelene med ekstremt lav parasittisk induktans, rask byttehastighet, lavt tap og relativt høy ytelse.
2--SiC wafer nyheter
Silisiumkarbidmarkedsproduksjon og salgsvekst, vær oppmerksom på strukturell ubalanse mellom tilbud og etterspørsel
Med den raske veksten av markedsetterspørselen etter høyfrekvent og kraftfull kraftelektronikk, har den fysiske grenseflaskehalsen for silisiumbaserte halvlederenheter gradvis blitt fremtredende, og tredjegenerasjons halvledermaterialer representert av silisiumkarbid (SiC) har gradvis blitt fremtredende. bli industrialisert. Fra materialets ytelsessynspunkt har silisiumkarbid 3 ganger båndgapets bredde til silisiummateriale, 10 ganger den kritiske elektriske feltstyrken, 3 ganger termisk ledningsevne, så silisiumkarbidkraftenheter er egnet for høyfrekvente, høyt trykk, høy temperatur og andre applikasjoner, bidrar til å forbedre effektiviteten og effekttettheten til kraftelektroniske systemer.
For tiden har SiC-dioder og SiC-MOSFET-er gradvis flyttet til markedet, og det er mer modne produkter, blant disse er SiC-dioder mye brukt i stedet for silisiumbaserte dioder på noen felt fordi de ikke har fordelen av omvendt gjenopprettingslading; SiC MOSFET brukes også gradvis i bilindustrien, energilagring, ladestabel, solcelleanlegg og andre felt; Innenfor bilapplikasjoner blir trenden med modularisering mer og mer fremtredende, den overlegne ytelsen til SiC må stole på avanserte pakkeprosesser for å oppnå, teknisk med relativt moden skallforsegling som hovedstrømmen, fremtiden eller til utvikling av plastforsegling , dens tilpassede utviklingsegenskaper er mer egnet for SiC-moduler.
Silisiumkarbid prisnedgang hastighet eller hinsides fantasi
Anvendelsen av silisiumkarbidenheter er hovedsakelig begrenset av de høye kostnadene, prisen på SiC MOSFET under samme nivå er 4 ganger høyere enn for Si-basert IGBT, dette er fordi prosessen med silisiumkarbid er kompleks, der veksten av enkeltkrystall og epitaksial er ikke bare hardt for miljøet, men også veksthastigheten er langsom, og enkeltkrystallbehandlingen inn i underlaget må gå gjennom kutte- og poleringsprosessen. Basert på sine egne materialegenskaper og umoden prosessteknologi, er utbyttet av innenlandsk substrat mindre enn 50%, og ulike faktorer fører til høye substrat- og epitaksiale priser.
Imidlertid er kostnadssammensetningen av silisiumkarbidenheter og silisiumbaserte enheter diametralt motsatt, substrat- og epitaksialkostnadene til frontkanalen utgjør henholdsvis 47 % og 23 % av hele enheten, totalt ca. 70 %, enhetens design, produksjon og tetningslenker på bakkanalen utgjør bare 30 %, er produksjonskostnadene for silisiumbaserte enheter hovedsakelig konsentrert i wafer produksjon av bakkanalen ca. 50%, og substratkostnaden utgjør bare 7%. Fenomenet av verdien av silisiumkarbid industrikjeden opp ned betyr at oppstrøms substratepitaksprodusenter har kjerneretten til å snakke, som er nøkkelen til utformingen av innenlandske og utenlandske foretak.
Fra et dynamisk synspunkt på markedet, å redusere kostnadene for silisiumkarbid, i tillegg til å forbedre silisiumkarbidens lange krystall- og skjæringsprosessen, er å utvide waferstørrelsen, som også er den modne veien for halvlederutvikling i fortiden, Wolfspeed-data viser at silisiumkarbidsubstratet oppgraderes fra 6 tommer til 8 tommer, kvalifisert brikkeproduksjon kan øke med 80%-90%, og bidra til å forbedre utbyttet. Kan redusere den samlede enhetskostnaden med 50 %.
2023 er kjent som "8-tommers SiC-første år", i år akselererer innenlandske og utenlandske silisiumkarbidprodusenter utformingen av 8-tommers silisiumkarbid, for eksempel Wolfspeeds gale investering på 14,55 milliarder amerikanske dollar for utvidelse av silisiumkarbidproduksjon, en viktig del av dette er byggingen av et 8-tommers SiC-substratproduksjonsanlegg, for å sikre fremtidig forsyning av 200 mm SiC bart metall til en rekke selskaper; Domestic Tianyue Advanced og Tianke Heda har også signert langsiktige avtaler med Infineon om å levere 8-tommers silisiumkarbidsubstrater i fremtiden.
Fra og med i år vil silisiumkarbid akselerere fra 6 tommer til 8 tommer, Wolfspeed forventer at innen 2024 vil enhetsbrikkekostnaden for 8 tommers substrat sammenlignet med enhetsbrikkekostnaden for 6 tommers substrat i 2022 reduseres med mer enn 60 % , og kostnadsnedgangen vil ytterligere åpne applikasjonsmarkedet, påpekte forskningsdata fra Ji Bond Consulting. Den nåværende markedsandelen for 8-tommers produkter er mindre enn 2 %, og markedsandelen forventes å vokse til rundt 15 % innen 2026.
Faktisk kan nedgangen i prisen på silisiumkarbidsubstrat overstige mange menneskers fantasi, det nåværende markedstilbudet på 6-tommers substrat er 4000-5000 yuan/stykke, sammenlignet med begynnelsen av året har falt mye, er forventes å falle under 4000 yuan neste år, er det verdt å merke seg at noen produsenter for å få det første markedet, har redusert salgsprisen til kostnadene linjen nedenfor, Åpnet modellen av priskrigen, hovedsakelig konsentrert i silisiumkarbid substrat forsyning har vært relativt tilstrekkelig i lavspentfeltet, innenlandske og utenlandske produsenter er aggressivt utvide produksjonskapasiteten, eller la silisiumkarbid substrat overforsyning scenen tidligere enn forestilt seg.
Innleggstid: 19-jan-2024