Inleiding tot silikonkarbied
Silikonkarbied (SiC) is 'n saamgestelde halfgeleiermateriaal wat uit koolstof en silikon bestaan, wat een van die ideale materiale is vir die vervaardiging van hoëtemperatuur-, hoëfrekwensie-, hoëkrag- en hoëspanningstoestelle. In vergelyking met die tradisionele silikonmateriaal (Si), is die bandgaping van silikonkarbied 3 keer dié van silikon. Die termiese geleidingsvermoë is 4-5 keer dié van silikon; Die deurslagspanning is 8-10 keer dié van silikon; Die elektroniese versadigingsdryftempo is 2-3 keer dié van silikon, wat voldoen aan die behoeftes van die moderne industrie vir hoëkrag, hoëspanning en hoëfrekwensie. Dit word hoofsaaklik gebruik vir die produksie van hoëspoed-, hoëfrekwensie-, hoëkrag- en liguitstralende elektroniese komponente. Die stroomaf toepassingsvelde sluit in slimnetwerke, nuwe energievoertuie, fotovoltaïese windkrag, 5G-kommunikasie, ens. Silikonkarbieddiodes en MOSFET's word kommersieel toegepas.
Hoë temperatuur weerstand. Die bandgapingwydte van silikonkarbied is 2-3 keer dié van silikon, die elektrone is nie maklik om by hoë temperature oor te skakel nie, en kan hoër bedryfstemperature weerstaan, en die termiese geleidingsvermoë van silikonkarbied is 4-5 keer dié van silikon, wat die toestel se hitteverspreiding makliker maak en die limietbedryfstemperatuur hoër. Die hoë temperatuur weerstand kan die drywingsdigtheid aansienlik verhoog terwyl die vereistes aan die verkoelingstelsel verminder word, wat die terminaal ligter en kleiner maak.
Weerstaan hoë druk. Die deurslaggewende elektriese veldsterkte van silikonkarbied is 10 keer dié van silikon, wat hoër spannings kan weerstaan en meer geskik is vir hoëspanningstoestelle.
Hoëfrekwensieweerstand. Silikonkarbied het 'n versadigde elektrondryftempo wat twee keer dié van silikon is, wat lei tot die afwesigheid van stroomstert tydens die afsluitproses, wat die skakelfrekwensie van die toestel effektief kan verbeter en die miniaturisering van die toestel kan bewerkstellig.
Lae energieverlies. In vergelyking met silikonmateriaal het silikonkarbied baie lae aan-weerstand en lae aan-verlies. Terselfdertyd verminder die hoë bandgapingwydte van silikonkarbied die lekstroom en die kragverlies aansienlik. Boonop het die silikonkarbiedtoestel nie die stroomsleepverskynsel tydens die afskakelproses nie, en die skakelverlies is laag.
Silikonkarbiedbedryfsketting
Dit sluit hoofsaaklik substraat, epitaksie, toestelontwerp, vervaardiging, verseëling en so aan in. Silikonkarbied van die materiaal tot die halfgeleier-kragtoestel sal enkelkristalgroei, ingotsny, epitaksiale groei, waferontwerp, vervaardiging, verpakking en ander prosesse ondergaan. Na die sintese van silikonkarbiedpoeier word die silikonkarbied-staaf eers gemaak, en dan word die silikonkarbied-substraat verkry deur sny, slyp en poleer, en die epitaksiale plaat word verkry deur epitaksiale groei. Die epitaksiale wafer word van silikonkarbied gemaak deur litografie, ets, iooninplanting, metaalpassivering en ander prosesse, die wafer word in 'n matrys gesny, die toestel word verpak, en die toestel word in 'n spesiale dop gekombineer en in 'n module saamgestel.
Stroomop van die bedryfsketting 1: substraat - kristalgroei is die kernprosesskakel
Silikonkarbied-substraat is verantwoordelik vir ongeveer 47% van die koste van silikonkarbiedtoestelle, die hoogste vervaardigingstegniese hindernisse, die grootste waarde, en is die kern van die toekomstige grootskaalse industrialisering van SiC.
Vanuit die perspektief van verskille in elektrochemiese eienskappe, kan silikonkarbied-substraatmateriale verdeel word in geleidende substrate (weerstandsgebied 15~30mΩ·cm) en semi-geïsoleerde substrate (weerstand hoër as 105Ω·cm). Hierdie twee soorte substrate word gebruik om onderskeidelik diskrete toestelle soos kragtoestelle en radiofrekwensietoestelle te vervaardig na epitaksiale groei. Onder hulle word semi-geïsoleerde silikonkarbied-substraat hoofsaaklik gebruik in die vervaardiging van galliumnitried RF-toestelle, fotoëlektriese toestelle en so aan. Deur die gan-epitaksiale laag op die semi-geïsoleerde SIC-substraat te laat groei, word die sic-epitaksiale plaat voorberei, wat verder voorberei kan word in HEMT gan-iso-nitried RF-toestelle. Geleidende silikonkarbied-substraat word hoofsaaklik gebruik in die vervaardiging van kragtoestelle. Anders as die tradisionele vervaardigingsproses van silikonkragtoestelle, kan die silikonkarbiedkragtoestel nie direk op die silikonkarbiedsubstraat gemaak word nie. Die silikonkarbied-epitaksiale laag moet op die geleidende substraat gekweek word om die silikonkarbied-epitaksiale plaat te verkry, en die epitaksiale laag word op die Schottky-diode, MOSFET, IGBT en ander kragtoestelle vervaardig.
Silikonkarbiedpoeier is gesintetiseer uit hoë suiwerheid koolstofpoeier en hoë suiwerheid silikonpoeier, en verskillende groottes silikonkarbied-stawe is onder 'n spesiale temperatuurveld gekweek, en dan is silikonkarbied-substraat deur verskeie verwerkingsprosesse vervaardig. Die kernproses sluit in:
Rou materiaal sintese: Die hoë suiwerheid silikonpoeier + toner word volgens die formule gemeng, en die reaksie word in die reaksiekamer onder hoë temperatuurtoestande bo 2000°C uitgevoer om die silikonkarbieddeeltjies met spesifieke kristaltipe en deeltjiegrootte te sintetiseer. Dan deur die vergruising, sifting, skoonmaak en ander prosesse, om aan die vereistes van hoë suiwerheid silikonkarbiedpoeier-rou materiale te voldoen.
Kristalgroei is die kernproses van silikonkarbied-substraatvervaardiging, wat die elektriese eienskappe van silikonkarbied-substraat bepaal. Tans is die hoofmetodes vir kristalgroei fisiese dampoordrag (PVT), hoëtemperatuur-chemiese dampafsetting (HT-CVD) en vloeibare fase-epitaksie (LPE). Onder hulle is die PVT-metode tans die hoofstroommetode vir kommersiële groei van SiC-substraat, met die hoogste tegniese volwassenheid en die mees gebruikte in ingenieurswese.
Die voorbereiding van SiC-substraat is moeilik, wat lei tot die hoë prys daarvan
Temperatuurveldbeheer is moeilik: Si-kristalstaafgroei benodig slegs 1500 ℃, terwyl SiC-kristalstaaf by 'n hoë temperatuur bo 2000 ℃ gekweek moet word, en daar is meer as 250 SiC-isomere, maar die hoof 4H-SiC-enkelkristalstruktuur vir die produksie van kragtoestelle, indien nie presiese beheer nie, sal ander kristalstrukture kry. Daarbenewens bepaal die temperatuurgradiënt in die kroesie die tempo van SiC-sublimasie-oordrag en die rangskikking en groeimodus van gasvormige atome op die kristal-koppelvlak, wat die kristalgroeitempo en kristalkwaliteit beïnvloed, daarom is dit nodig om 'n sistematiese temperatuurveldbeheertegnologie te vorm. In vergelyking met Si-materiale, is die verskil in SiC-produksie ook in hoëtemperatuurprosesse soos hoëtemperatuur-iooninplanting, hoëtemperatuuroksidasie, hoëtemperatuuraktivering en die harde maskerproses wat deur hierdie hoëtemperatuurprosesse vereis word.
Stadige kristalgroei: die groeikoers van Si-kristalstawe kan 30 ~ 150 mm/h bereik, en die produksie van 1-3 m silikon kristalstawe neem slegs ongeveer 1 dag; SiC-kristalstawe met die PVT-metode as 'n voorbeeld, die groeikoers is ongeveer 0.2-0.4 mm/h, 7 dae om minder as 3-6 cm te groei, die groeikoers is minder as 1% van die silikonmateriaal, die produksiekapasiteit is uiters beperk.
Hoë produkparameters en lae opbrengs: die kernparameters van SiC-substraat sluit in mikrotubuledigtheid, ontwrigtingsdigtheid, weerstand, kromtrekking, oppervlakruheid, ens. Dit is 'n komplekse stelselingenieurswese om atome in 'n geslote hoëtemperatuurkamer te rangskik en kristalgroei te voltooi, terwyl parameterindekse beheer word.
Die materiaal het hoë hardheid, hoë brosheid, lang snytyd en hoë slytasie: SiC Mohs-hardheid van 9.25 is tweede slegs na diamant, wat lei tot 'n beduidende toename in die moeilikheidsgraad van sny, slyp en poleer, en dit neem ongeveer 120 uur om 35-40 stukke van 'n 3 cm dik staaf te sny. Boonop, as gevolg van die hoë brosheid van SiC, sal die slytasie tydens waferverwerking meer wees, en die uitsetverhouding is slegs ongeveer 60%.
Ontwikkelingstendens: Groottetoename + prysafname
Die wêreldwye SiC-mark se 6-duim-volume-produksielyn word volwasse, en toonaangewende maatskappye het die 8-duim-mark betree. Binnelandse ontwikkelingsprojekte is hoofsaaklik 6 duim. Tans, hoewel die meeste binnelandse maatskappye steeds op 4-duim-produksielyne gebaseer is, brei die bedryf geleidelik uit na 6-duim. Met die volwassenheid van 6-duim-ondersteunende toerustingtegnologie verbeter binnelandse SiC-substraattegnologie ook geleidelik. Die skaalvoordele van groot produksielyne sal weerspieël word, en die huidige tydsverskil vir massaproduksie van 6-duim het tot 7 jaar vernou. Die groter wafergrootte kan 'n toename in die aantal enkelskyfies meebring, die opbrengskoers verbeter en die proporsie randskyfies verminder, en die koste van navorsing en ontwikkeling en opbrengsverlies sal op ongeveer 7% gehandhaaf word, wat die gebruik van wafers verbeter.
Daar is steeds baie probleme met toestelontwerp
Die kommersialisering van SiC-diodes word geleidelik verbeter. Tans het 'n aantal plaaslike vervaardigers SiC SBD-produkte ontwerp. Medium- en hoëspanning SiC SBD-produkte het goeie stabiliteit. In voertuig-OBC's word SiC SBD + SI IGBT gebruik om stabiele stroomdigtheid te bereik. Tans is daar geen hindernisse in die patentontwerp van SiC SBD-produkte in China nie, en die gaping met die buiteland is klein.
SiC MOS ondervind steeds baie probleme, daar is steeds 'n gaping tussen SiC MOS en oorsese vervaardigers, en die relevante vervaardigingsplatform is steeds onder konstruksie. Tans het ST, Infineon, Rohm en ander 600-1700V SiC MOS massaproduksie bereik en met baie vervaardigingsnywerhede onderteken en verskeep, terwyl die huidige binnelandse SiC MOS-ontwerp basies voltooi is, werk 'n aantal ontwerpvervaardigers met fabrieke in die wafervloeistadium, en latere kliëntverifikasie neem nog 'n geruime tyd, so daar is nog 'n lang tyd voor grootskaalse kommersialisering.
Tans is die planêre struktuur die hoofstroomkeuse, en die sloottipe word wyd gebruik in die hoëdrukveld in die toekoms. Daar is baie vervaardigers van planêre struktuur SiC MOS, die planêre struktuur veroorsaak nie maklik plaaslike afbreekprobleme in vergelyking met die groef nie, wat die stabiliteit van die werk beïnvloed. In die mark onder 1200V het dit 'n wye reeks toepassingswaarde, en die planêre struktuur is relatief eenvoudig in die vervaardigingskant om aan die twee aspekte van vervaardigbaarheid en kostebeheer te voldoen. Die groeftoestel het die voordele van uiters lae parasitiese induktansie, vinnige skakelspoed, lae verlies en relatief hoë werkverrigting.
2--SiC-wafernuus
Silikonkarbiedmarkproduksie en -verkopegroei, let op strukturele wanbalans tussen vraag en aanbod
Met die vinnige groei in die markvraag na hoëfrekwensie- en hoëkrag-kragelektronika, het die fisiese limietbottelnek van silikon-gebaseerde halfgeleiertoestelle geleidelik prominent geword, en die derde generasie halfgeleiermateriale wat deur silikonkarbied (SiC) verteenwoordig word, het geleidelik geïndustrialiseer geraak. Vanuit die materiaalprestasie-oogpunt het silikonkarbied 3 keer die bandgapingwydte van silikonmateriaal, 10 keer die kritieke deurslag-elektriese veldsterkte, 3 keer die termiese geleidingsvermoë, dus is silikonkarbied-kragtoestelle geskik vir hoëfrekwensie-, hoëdruk-, hoëtemperatuur- en ander toepassings, wat help om die doeltreffendheid en kragdigtheid van kragelektroniese stelsels te verbeter.
Tans het SiC-diodes en SiC MOSFET's geleidelik na die mark beweeg, en daar is meer volwasse produkte, waaronder SiC-diodes wyd gebruik word in plaas van silikon-gebaseerde diodes in sommige velde omdat hulle nie die voordeel van omgekeerde herstellading het nie; SiC MOSFET word ook geleidelik gebruik in die motorbedryf, energieberging, laaipaal, fotovoltaïese en ander velde; In die veld van motortoepassings word die tendens van modularisering al hoe meer prominent, die superieure prestasie van SiC moet staatmaak op gevorderde verpakkingsprosesse om te bereik, tegnies met relatief volwasse dopverseëling as die hoofstroom, die toekoms of tot plastiekverseëlingsontwikkeling, is die aangepaste ontwikkelingseienskappe meer geskik vir SiC-modules.
Silikonkarbied prysdaling spoed of buite verbeelding
Die toepassing van silikonkarbiedtoestelle word hoofsaaklik beperk deur die hoë koste. Die prys van SiC MOSFET's onder dieselfde vlak is 4 keer hoër as dié van Si-gebaseerde IGBT's. Dit is omdat die proses van silikonkarbied kompleks is, waarin die groei van enkelkristal en epitaksiaal nie net hard op die omgewing is nie, maar ook die groeikoers stadig is, en die enkelkristalverwerking in die substraat moet deur die sny- en poleerproses gaan. Gebaseer op sy eie materiaaleienskappe en onvolwasse verwerkingstegnologie, is die opbrengs van huishoudelike substraat minder as 50%, en verskeie faktore lei tot hoë substraat- en epitaksiaalpryse.
Die kostesamestelling van silikonkarbiedtoestelle en silikon-gebaseerde toestelle is egter diametraal teenoorgesteld. Die substraat- en epitaksiale koste van die voorkanaal maak onderskeidelik 47% en 23% van die hele toestel uit, wat ongeveer 70% beloop. Die toestelontwerp, vervaardiging en verseëling van die agterkanaal maak slegs 30% uit. Die produksiekoste van silikon-gebaseerde toestelle is hoofsaaklik gekonsentreer in die wafervervaardiging van die agterkanaal met ongeveer 50%, en die substraatkoste is slegs 7%. Die verskynsel van die onderstebo waarde van die silikonkarbiedbedryfsketting beteken dat stroomop substraat-epitaksievervaardigers die kernreg het om te spreek, wat die sleutel is tot die uitleg van binnelandse en buitelandse ondernemings.
Vanuit 'n dinamiese oogpunt van die mark, is die vermindering van die koste van silikonkarbied, benewens die verbetering van die silikonkarbied se langkristalle en snyproses, die uitbreiding van die wafergrootte, wat ook die volwasse pad van halfgeleierontwikkeling in die verlede was. Wolfspeed-data toon dat die opgradering van silikonkarbied-substraat van 6 duim na 8 duim, die produksie van gekwalifiseerde skyfies met 80%-90% kan verhoog, en die opbrengs kan help verbeter. Dit kan die gekombineerde eenheidskoste met 50% verminder.
2023 staan bekend as die "8-duim SiC eerste jaar", vanjaar versnel plaaslike en buitelandse silikonkarbiedvervaardigers die uitleg van 8-duim silikonkarbied, soos Wolfspeed se mal belegging van 14,55 miljard Amerikaanse dollar vir die uitbreiding van silikonkarbiedproduksie, waarvan 'n belangrike deel die konstruksie van 'n 8-duim SiC-substraatvervaardigingsaanleg is. Om die toekomstige voorsiening van 200 mm SiC-kaalmetaal aan 'n aantal maatskappye te verseker, het Domestic Tianyue Advanced en Tianke Heda ook langtermynooreenkomste met Infineon onderteken om in die toekoms 8-duim silikonkarbiedsubstrate te verskaf.
Vanaf hierdie jaar sal silikonkarbied van 6 duim tot 8 duim versnel. Wolfspeed verwag dat die eenheidsskyfiekoste van 'n 8-duim-substraat teen 2024 met meer as 60% sal verminder word teenoor die eenheidsskyfiekoste van 'n 6-duim-substraat in 2022, en die kostedaling sal die toepassingsmark verder oopmaak, het Ji Bond Consulting se navorsingsdata uitgewys. Die huidige markaandeel van 8-duim-produkte is minder as 2%, en die markaandeel sal na verwagting teen 2026 tot ongeveer 15% groei.
Trouens, die dalingstempo in die prys van silikonkarbied-substraat mag dalk baie mense se verbeelding oorskry. Die huidige markaanbod van 6-duim-substraat is 4000-5000 yuan/stuk, in vergelyking met die begin van die jaar het dit baie gedaal en sal na verwagting volgende jaar onder 4000 yuan daal. Dit is opmerklik dat sommige vervaardigers, om die eerste mark te betree, die verkoopprys tot die kostelyn hieronder verlaag het. Die model van die prysoorlog het begin en is hoofsaaklik gefokus op die relatiewe voldoende aanbod van silikonkarbied-substraat in die laespanningsveld. Binnelandse en buitelandse vervaardigers brei hul produksiekapasiteit aggressief uit, of laat die ooraanbod van silikonkarbied-substraat vroeër as verwag begin.
Plasingstyd: 19 Januarie 2024