Introduktion till kiselkarbid
Kiselkarbid (SiC) är ett sammansatt halvledarmaterial bestående av kol och kisel, vilket är ett av de ideala materialen för tillverkning av högtemperatur-, högfrekventa, högeffekts- och högspänningskomponenter. Jämfört med traditionellt kiselmaterial (Si) är kiselkarbidens bandgap 3 gånger så stort som kisel. Värmeledningsförmågan är 4-5 gånger så hög som kisel; genombrottsspänningen är 8-10 gånger så hög som kisel; den elektroniska mättnadsdriftshastigheten är 2-3 gånger så hög som kisel, vilket uppfyller den moderna industrins behov av hög effekt, hög spänning och hög frekvens. Det används huvudsakligen för produktion av höghastighets-, högfrekventa, högeffekts- och ljusemitterande elektroniska komponenter. Nedströms tillämpningsområden inkluderar smarta elnät, nya energifordon, solcellsvindkraft, 5G-kommunikation etc. Kiselkarbiddioder och MOSFET har använts kommersiellt.
Hög temperaturbeständighet. Bandgapsbredden hos kiselkarbid är 2-3 gånger större än hos kisel, elektronerna är svåra att överföra vid höga temperaturer och tål högre driftstemperaturer. Kiselkarbidens värmeledningsförmåga är 4-5 gånger större än hos kisel, vilket gör enhetens värmeavledning enklare och gränsdriftstemperaturen högre. Den höga temperaturbeständigheten kan avsevärt öka effekttätheten samtidigt som kraven på kylsystemet minskas, vilket gör terminalen lättare och mindre.
Motstår högt tryck. Kiselkarbids genombrottsfältstyrka är 10 gånger högre än kisel, vilket tål högre spänningar och är mer lämpligt för högspänningsanordningar.
Högfrekvensresistans. Kiselkarbid har en mättad elektrondriftshastighet som är dubbelt så hög som kisel, vilket resulterar i frånvaro av strömavvikelse under avstängningsprocessen, vilket effektivt kan förbättra enhetens switchfrekvens och möjliggöra miniatyrisering av enheten.
Låg energiförlust. Jämfört med kiselmaterial har kiselkarbid mycket lågt tillslagsmotstånd och låga tillslagsförluster. Samtidigt minskar kiselkarbidens höga bandgap avsevärt läckströmmen och effektförlusten. Dessutom har kiselkarbidkomponenten inget strömsläpningsfenomen under avstängningsprocessen, och omkopplingsförlusten är låg.
Kiselkarbidindustrikedja
Det omfattar huvudsakligen substrat, epitaxi, anordningsdesign, tillverkning, tätning och så vidare. Kiselkarbid från materialet till halvledarkraftanordningen kommer att genomgå enkristalltillväxt, götskivning, epitaxiell tillväxt, waferdesign, tillverkning, förpackning och andra processer. Efter syntesen av kiselkarbidpulver tillverkas först kiselkarbidgötet, och sedan erhålls kiselkarbidsubstratet genom skivning, slipning och polering, och det epitaxiala arket erhålls genom epitaxiell tillväxt. Den epitaxiala wafern tillverkas av kiselkarbid genom litografi, etsning, jonimplantation, metallpassivering och andra processer, wafern skärs till form, anordningen paketeras och anordningen kombineras till ett speciellt skal och monteras i en modul.
Uppströms industrikedja 1: substrat - kristalltillväxt är den centrala processlänken
Kiselkarbidsubstrat står för cirka 47 % av kostnaden för kiselkarbidkomponenter, vilket är de högsta tillverkningstekniska hindren och det största värdet, och är kärnan i den framtida storskaliga industrialiseringen av SiC.
Ur ett perspektiv av skillnader i elektrokemiska egenskaper kan kiselkarbidsubstratmaterial delas in i ledande substrat (resistivitetsområde 15~30 mΩ·cm) och halvisolerade substrat (resistivitet högre än 105 Ω·cm). Dessa två typer av substrat används för att tillverka diskreta komponenter såsom kraftkomponenter respektive radiofrekvenskomponenter efter epitaxiell tillväxt. Bland dem används halvisolerat kiselkarbidsubstrat huvudsakligen vid tillverkning av galliumnitrid RF-komponenter, fotoelektriska komponent och så vidare. Genom att odla ett gan-epitaxiellt lager på ett halvisolerat SIC-substrat framställs en sic-epitaxiell platta, som vidare kan framställas till HEMT gan-isonitrid RF-komponenter. Ledande kiselkarbidsubstrat används huvudsakligen vid tillverkning av kraftkomponenter. Till skillnad från den traditionella tillverkningsprocessen för kiselkraftkomponenter kan kiselkarbidkraftkomponenter inte tillverkas direkt på kiselkarbidsubstratet. Det epitaxiella skiktet av kiselkarbid måste odlas på det ledande substratet för att erhålla det epitaxiella arket av kiselkarbid, och det epitaxiella skiktet tillverkas på Schottky-dioder, MOSFET, IGBT och andra kraftkomponenter.
Kiselkarbidpulver syntetiserades från högrent kolpulver och högrent kiselpulver, och olika storlekar av kiselkarbidgöt odlades under speciella temperaturfält, och sedan producerades kiselkarbidsubstrat genom flera bearbetningsprocesser. Kärnprocessen inkluderar:
Råmaterialsyntes: Högrent kiselpulver + toner blandas enligt formeln, och reaktionen utförs i reaktionskammaren under höga temperaturer över 2000 °C för att syntetisera kiselkarbidpartiklar med specifik kristalltyp och partikelstorlek. Därefter genomgår krossning, siktning, rengöring och andra processer för att uppfylla kraven för högrent kiselkarbidpulverråmaterial.
Kristalltillväxt är kärnprocessen vid tillverkning av kiselkarbidsubstrat, vilken bestämmer de elektriska egenskaperna hos kiselkarbidsubstratet. För närvarande är de viktigaste metoderna för kristalltillväxt fysisk ångöverföring (PVT), högtemperaturkemisk ångdeponering (HT-CVD) och vätskefasepitaxi (LPE). Bland dessa är PVT-metoden den vanligaste metoden för kommersiell tillväxt av SiC-substrat för närvarande, med den högsta tekniska mognaden och den mest använda inom teknik.
Framställningen av SiC-substrat är svår, vilket leder till dess höga pris.
Temperaturfältkontroll är svårt: Si-kristallstavar behöver bara växa vid 1500 ℃, medan SiC-kristallstavar behöver odlas vid en hög temperatur över 2000 ℃, och det finns mer än 250 SiC-isomerer, men den huvudsakliga 4H-SiC-enkristallstrukturen för produktion av kraftkomponenter, om den inte kontrolleras noggrant, kommer att få andra kristallstrukturer. Dessutom bestämmer temperaturgradienten i degeln hastigheten för SiC-sublimeringsöverföring och arrangemanget och tillväxtläget för gasatomer på kristallgränssnittet, vilket påverkar kristalltillväxthastigheten och kristallkvaliteten, så det är nödvändigt att skapa en systematisk temperaturfältkontrollteknik. Jämfört med Si-material ligger skillnaden i SiC-produktion också i högtemperaturprocesser såsom högtemperaturjonimplantation, högtemperaturoxidation, högtemperaturaktivering och den hårdmaskprocess som krävs av dessa högtemperaturprocesser.
Långsam kristalltillväxt: Tillväxthastigheten för Si-kristallstavar kan nå 30 ~ 150 mm/h, och produktionen av 1-3 m kiselkristallstavar tar bara cirka 1 dag; SiC-kristallstavar med PVT-metoden som exempel, tillväxthastigheten är cirka 0,2-0,4 mm/h, 7 dagar för tillväxt mindre än 3-6 cm, tillväxthastigheten är mindre än 1% av kiselmaterialet, produktionskapaciteten är extremt begränsad.
Höga produktparametrar och lågt utbyte: Kärnparametrarna för SiC-substrat inkluderar mikrotubuli-densitet, dislokationsdensitet, resistivitet, skevhet, ytjämnhet etc. Det är en komplex systemteknik att arrangera atomer i en sluten högtemperaturkammare och fullborda kristalltillväxt, samtidigt som parameterindex kontrolleras.
Materialet har hög hårdhet, hög sprödhet, lång skärtid och högt slitage: SiC Mohs-hårdheten på 9,25 är näst efter diamant, vilket leder till en betydande ökning av svårigheten att skära, slipa och polera, och det tar cirka 120 timmar att skära 35-40 bitar av ett 3 cm tjockt göt. Dessutom, på grund av SiC:s höga sprödhet, kommer slitaget vid waferbearbetning att vara högre, och utmatningsförhållandet är endast cirka 60 %.
Utvecklingstrend: Storleksökning + prisminskning
Den globala SiC-marknaden för 6-tums volymproduktionslinjer mognar, och ledande företag har gått in på 8-tumsmarknaden. Inhemska utvecklingsprojekt är huvudsakligen 6-tums. För närvarande, även om de flesta inhemska företag fortfarande är baserade på 4-tums produktionslinjer, expanderar industrin gradvis till 6-tums. Med mognaden av 6-tums stödutrustningsteknik förbättras även den inhemska SiC-substrattekniken gradvis. Skalfördelarna för stora produktionslinjer kommer att återspeglas, och det nuvarande tidsgapet för inhemsk massproduktion av 6-tums har minskat till 7 år. Den större waferstorleken kan leda till en ökning av antalet enskilda chip, förbättra avkastningsgraden och minska andelen kantchips, och kostnaden för forskning och utveckling samt avkastningsförlust kommer att bibehållas på cirka 7 %, vilket förbättrar waferutnyttjandet.
Det finns fortfarande många svårigheter med enhetsdesign
Kommersialiseringen av SiC-dioder förbättras gradvis, och för närvarande har ett antal inhemska tillverkare designat SiC SBD-produkter. SiC SBD-produkter för mellan- och högspänning har god stabilitet. I fordons-OBC används SiC SBD + SI IGBT för att uppnå stabil strömtäthet. För närvarande finns det inga hinder för patentdesign av SiC SBD-produkter i Kina, och gapet till utlandet är litet.
SiC MOS har fortfarande många svårigheter, det finns fortfarande en klyfta mellan SiC MOS och utländska tillverkare, och den relevanta tillverkningsplattformen är fortfarande under uppbyggnad. För närvarande har ST, Infineon, Rohm och andra 600-1700V SiC MOS uppnått massproduktion och tecknat och levererat med många tillverkningsindustrier, medan den nuvarande inhemska SiC MOS-designen i princip är färdigställd, ett antal designtillverkare arbetar med fabriker i waferflödesstadiet, och senare kundverifiering tar fortfarande lite tid, så det är fortfarande lång tid kvar till storskalig kommersialisering.
För närvarande är planstrukturen det vanligaste valet, och trench-typen kommer att användas i stor utsträckning inom högtrycksområdet i framtiden. Det finns många tillverkare av SiC MOS med planstruktur, vilket gör att den planstrukturen inte lätt kan orsaka lokala haveriproblem jämfört med spåret, vilket påverkar arbetsstabiliteten. På marknaden under 1200V finns det ett brett användningsområde, och den planstrukturen är relativt enkel i tillverkningsänden för att uppfylla kraven på tillverkningsbarhet och kostnadskontroll. Spåranordningen har fördelarna med extremt låg parasitinduktans, snabb omkopplingshastighet, låg förlust och relativt hög prestanda.
2--Nyheter om SiC-skivor
Tillväxten av kiselkarbidmarknadens produktion och försäljning, var uppmärksam på den strukturella obalansen mellan utbud och efterfrågan
Med den snabba tillväxten av marknadens efterfrågan på högfrekvent och högeffekts kraftelektronik har den fysiska gränsflaskhalsen för kiselbaserade halvledarkomponenter gradvis blivit framträdande, och tredje generationens halvledarmaterial representerade av kiselkarbid (SiC) har gradvis industrialiserats. Ur materialprestandasynpunkt har kiselkarbid 3 gånger bandgapbredden för kiselmaterial, 10 gånger den kritiska genombrotts-elektriska fältstyrkan och 3 gånger värmeledningsförmågan, så kiselkarbidkraftkomponenter är lämpliga för högfrekventa, högt tryck, hög temperatur och andra tillämpningar, vilket bidrar till att förbättra effektiviteten och effekttätheten hos kraftelektroniska system.
För närvarande har SiC-dioder och SiC-MOSFET gradvis kommit ut på marknaden, och det finns mer mogna produkter, bland vilka SiC-dioder används i stor utsträckning istället för kiselbaserade dioder inom vissa områden eftersom de inte har fördelen med omvänd återhämtningsladdning. SiC-MOSFET används också gradvis inom fordonsindustrin, energilagring, laddningshögar, solceller och andra områden. Inom fordonsindustrin blir trenden med modularisering alltmer framträdande, och SiC:s överlägsna prestanda måste förlita sig på avancerade förpackningsprocesser för att uppnå detta. Tekniskt sett, med relativt mogen skalförsegling som mainstream, är framtiden för utveckling av plastförsegling mer lämplig. Dess anpassade utvecklingsegenskaper är mer lämpade för SiC-moduler.
Prisnedgången på kiselkarbid är snabbare eller bortom fantasins gränser
Användningen av kiselkarbidkomponenter begränsas huvudsakligen av den höga kostnaden. Priset för SiC MOSFET på samma nivå är fyra gånger högre än för Si-baserade IGBT. Detta beror på att processen för kiselkarbid är komplex, där tillväxten av enkristaller och epitaxiella element inte bara är hård mot miljön, utan också tillväxthastigheten är långsam, och enkristallbearbetningen till substratet måste genomgå en skär- och poleringsprocess. Baserat på dess egna materialegenskaper och omogen bearbetningsteknik är utbytet av inhemskt substrat mindre än 50 %, och olika faktorer leder till höga substrat- och epitaxialpriser.
Kostnadssammansättningen för kiselkarbidkomponenter och kiselbaserade komponent är dock diametralt motsatt. Substrat- och epitaxikostnaderna för frontkanalen står för 47 % respektive 23 % av hela komponenten, totalt cirka 70 %. Komponenternas design, tillverkning och tätning i bakkanalen står endast för 30 %. Produktionskostnaden för kiselbaserade komponenten är huvudsakligen koncentrerad till wafertillverkning av bakkanalen, cirka 50 %, och substratkostnaden står endast för 7 %. Fenomenet med värdeförändringar i kiselkarbidindustrins kedja upp och ner innebär att uppströms tillverkare av substratepitaxi har rätt att tala, vilket är nyckeln till utformningen av inhemska och utländska företag.
Ur ett dynamiskt marknadsperspektiv innebär en minskning av kostnaden för kiselkarbid, förutom att förbättra kiselkarbidens långkristaller och skärprocess, att waferstorleken utökas, vilket också har varit den mogna vägen för halvledarutveckling tidigare. Wolfspeed-data visar att uppgraderingen av kiselkarbidsubstrat från 6 tum till 8 tum kan öka produktionen av kvalificerade chip med 80%-90% och bidra till att förbättra utbytet. Det kan minska den sammanlagda enhetskostnaden med 50%.
2023 är känt som "8-tums SiC-första året". I år accelererar inhemska och utländska kiselkarbidtillverkare utbyggnaden av 8-tums kiselkarbid. Wolfspeed har investerat 14,55 miljarder USD i expansion av kiselkarbidproduktionen. En viktig del av detta är byggandet av en tillverkningsanläggning för 8-tums SiC-substrat. För att säkerställa framtida leveranser av 200 mm SiC-bar metall till ett antal företag har inhemska Tianyue Advanced och Tianke Heda också tecknat långsiktiga avtal med Infineon om att leverera 8-tums kiselkarbidsubstrat i framtiden.
Från och med i år kommer kiselkarbid att öka från 6 tum till 8 tum. Wolfspeed förväntar sig att enhetskostnaden för ett 8-tums substrat kommer att minska med mer än 60 % år 2024 jämfört med enhetskostnaden för ett 6-tums substrat år 2022, och kostnadsnedgången kommer att ytterligare öppna upp applikationsmarknaden, enligt forskningsdata från Ji Bond Consulting. Den nuvarande marknadsandelen för 8-tumsprodukter är mindre än 2 %, och marknadsandelen förväntas växa till cirka 15 % år 2026.
Faktum är att prisnedgången på kiselkarbidsubstrat kan överstiga mångas fantasi. Det nuvarande marknadsutbudet för 6-tums substrat är 4000-5000 yuan/styck. Jämfört med början av året har priset fallit kraftigt och förväntas falla under 4000 yuan nästa år. Det är värt att notera att vissa tillverkare, för att komma in på marknaden i första hand, har sänkt försäljningspriset till en lägre kostnadslinje. Detta har lett till priskriget, främst koncentrerat sig på utbudet av kiselkarbidsubstrat inom lågspänningsområdet. Inhemska och utländska tillverkare expanderar aggressivt produktionskapaciteten, eller låter överutbudet av kiselkarbidsubstrat komma tidigare än väntat.
Publiceringstid: 19 januari 2024