Introduktion till kiselkarbid
Kiselkarbid (SiC) är ett sammansatt halvledarmaterial som består av kol och kisel, vilket är ett av de idealiska materialen för att tillverka enheter med hög temperatur, hög frekvens, hög effekt och hög spänning. Jämfört med det traditionella kiselmaterialet (Si) är bandgapet för kiselkarbid 3 gånger det för kisel. Värmeledningsförmågan är 4-5 gånger den för kisel; Genombrottsspänningen är 8-10 gånger den för kisel; Den elektroniska mättnadsdrifthastigheten är 2-3 gånger den för kisel, vilket möter modern industris behov av hög effekt, hög spänning och hög frekvens. Den används huvudsakligen för produktion av höghastighets-, högfrekventa, högeffekts- och ljusavgivande elektroniska komponenter. Nedströmsapplikationsfälten inkluderar smarta elnät, nya energifordon, solcellsvindkraft, 5G-kommunikation, etc. Kiselkarbiddioder och MOSFET har använts kommersiellt.
Hög temperaturbeständighet. Bandgapets bredd för kiselkarbid är 2-3 gånger den för kisel, elektronerna är inte lätta att övergå vid höga temperaturer och tål högre driftstemperaturer, och den termiska ledningsförmågan för kiselkarbid är 4-5 gånger den för kisel, vilket gör enhetens värmeavledning lättare och gränsen för drifttemperaturen högre. Den höga temperaturmotståndet kan avsevärt öka effekttätheten samtidigt som kraven på kylsystemet minskar, vilket gör terminalen lättare och mindre.
Tål högt tryck. Den elektriska nedbrytningsstyrkan för kiselkarbid är 10 gånger den för kisel, som tål högre spänningar och är mer lämplig för högspänningsenheter.
Högfrekvent motstånd. Kiselkarbid har en mättad elektrondrifthastighet som är dubbelt så stor som kisel, vilket resulterar i frånvaro av strömavbrott under avstängningsprocessen, vilket effektivt kan förbättra enhetens växlingsfrekvens och realisera miniatyriseringen av enheten.
Låg energiförlust. Jämfört med kiselmaterial har kiselkarbid mycket låg motståndskraft och låg påförlust. Samtidigt minskar den höga bandgapbredden av kiselkarbid kraftigt läckströmmen och effektförlusten. Dessutom har kiselkarbidanordningen inget aktuellt släpfenomen under avstängningsprocessen, och omkopplingsförlusten är låg.
Kiselkarbid industrikedja
Det inkluderar huvudsakligen substrat, epitaxi, enhetsdesign, tillverkning, tätning och så vidare. Kiselkarbid från materialet till halvledarkraftenheten kommer att uppleva 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 epitaxiella arket erhålls genom epitaxiell tillväxt. Den epitaxiella skivan är gjord av kiselkarbid genom litografi, etsning, jonimplantation, metallpassivering och andra processer, skivan skärs i form, enheten är förpackad och enheten kombineras till ett speciellt skal och monteras till en modul.
Uppströms om industrikedjan 1: substrat - kristalltillväxt är kärnprocesslänken
Kiselkarbidsubstrat står för cirka 47 % av kostnaden för kiselkarbidenheter, de högsta tekniska tillverkningshindren, det största värdet, är kärnan i den framtida storskaliga industrialiseringen av SiC.
Ur perspektivet av skillnader i elektrokemiska egenskaper kan substratmaterial av kiselkarbid delas in i ledande substrat (resistivitetsområde 15~30mΩ·cm) och halvisolerade substrat (resistivitet högre än 105Ω·cm). Dessa två typer av substrat används för att tillverka diskreta enheter såsom kraftenheter respektive radiofrekvensenheter efter epitaxiell tillväxt. Bland dem används halvisolerat kiselkarbidsubstrat huvudsakligen vid tillverkning av galliumnitrid RF-enheter, fotoelektriska enheter och så vidare. Genom att odla gan-epitaxialskikt på halvisolerat SIC-substrat förbereds den sic-epitaxialplattan, som kan förberedas ytterligare i HEMT gan-iso-nitrid RF-enheter. Konduktivt kiselkarbidsubstrat används huvudsakligen vid tillverkning av kraftenheter. Till skillnad från den traditionella tillverkningsprocessen för kiselkraftanordningar, kan kiselkarbidkraftanordningen inte tillverkas direkt på kiselkarbidsubstratet, det epitaxiella kiselkarbidskiktet måste odlas på det ledande substratet för att erhålla kiselkarbidepitaxialskiktet och det epitaxiella skiktet. lager tillverkas på Schottky-dioden, MOSFET, IGBT och andra kraftenheter.
Kiselkarbidpulver syntetiserades från högrent kolpulver och högrent kiselpulver, och olika storlekar av kiselkarbidgöt odlades under speciellt temperaturfält, och sedan producerades kiselkarbidsubstrat genom flera bearbetningsprocesser. Kärnprocessen inkluderar:
Råmaterialsyntes: Det högrena kiselpulvret + tonern blandas enligt formeln, och reaktionen utförs i reaktionskammaren under högtemperaturförhållanden över 2000°C för att syntetisera kiselkarbidpartiklarna med specifik kristalltyp och partikel storlek. Sedan genom krossning, screening, rengöring och andra processer, för att uppfylla kraven på hög renhet kiselkarbid pulver råvaror.
Kristalltillväxt är kärnprocessen för tillverkning av kiselkarbidsubstrat, som bestämmer de elektriska egenskaperna hos kiselkarbidsubstrat. För närvarande är de huvudsakliga metoderna för kristalltillväxt fysisk ångöverföring (PVT), kemisk ångavsättning vid hög temperatur (HT-CVD) och vätskefasepitaxi (LPE). Bland dem är PVT-metoden den vanliga metoden för kommersiell tillväxt av SiC-substrat för närvarande, med den högsta tekniska mognad och den mest använda inom teknik.
Framställningen av SiC-substrat är svår, vilket leder till dess höga pris
Temperaturfältskontroll är svårt: Si-kristallstavstillväxt behöver bara 1500 ℃, medan SiC-kristallstav behöver odlas vid en hög temperatur över 2000 ℃, och det finns mer än 250 SiC-isomerer, men den huvudsakliga 4H-SiC-enkristallstrukturen för produktionen av kraftenheter, om inte exakt kontroll, kommer att få andra kristallstrukturer. Dessutom bestämmer temperaturgradienten i degeln hastigheten för SiC-sublimeringsöverföring och arrangemanget och tillväxtsättet för gasformiga atomer på kristallgränsytan, vilket påverkar kristalltillväxthastigheten och kristallkvaliteten, så det är nödvändigt att bilda ett systematiskt temperaturfält styrteknik. Jämfört med Si-material är skillnaden i SiC-produktion också i högtemperaturprocesser såsom högtemperaturjonimplantation, högtemperaturoxidation, högtemperaturaktivering och den hårda maskprocess som krävs av dessa högtemperaturprocesser.
Långsam kristalltillväxt: tillväxthastigheten för Si-kristallstaven kan nå 30 ~ 150 mm/h, och produktionen av 1-3m kiselkristallstav tar bara cirka 1 dag; SiC-kristallstav med PVT-metod som ett exempel, tillväxthastigheten är cirka 0,2-0,4 mm/h, 7 dagar att växa 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 mikrotubulidensitet, dislokationstäthet, resistivitet, skevhet, ytjämnhet, etc. Det är en komplex systemkonstruktion att arrangera atomer i en sluten högtemperaturkammare och fullborda kristalltillväxt, samtidigt som man kontrollerar parameterindex.
Materialet har hög hårdhet, hög sprödhet, lång skärtid och högt slitage: SiC Mohs hårdhet 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 skär 35-40 bitar av ett 3 cm tjockt göt. Dessutom, på grund av den höga sprödheten hos SiC, kommer slitaget på waferbearbetningen att vara mer, och utgångsförhållandet är bara cirka 60%.
Utvecklingstrend: Storleksökning + prisminskning
Den globala SiC-marknaden 6-tums volymproduktionslinje håller på att mogna och ledande företag har tagit sig in på 8-tumsmarknaden. Inhemska utvecklingsprojekt är huvudsakligen 6 tum. För närvarande, även om de flesta inhemska företag fortfarande är baserade på 4-tums produktionslinjer, men industrin expanderar gradvis till 6-tums, med mognad av 6-tums stödutrustningsteknik, förbättrar den inhemska SiC-substrattekniken också gradvis ekonomin för omfattningen av stora produktionslinjer kommer att återspeglas, och det nuvarande inhemska 6-tums massproduktionstidsgapet har minskat till 7 år. Den större waferstorleken kan åstadkomma en ökning av antalet enstaka chips, förbättra utbytesgraden och minska andelen kantchips, och kostnaden för forskning och utveckling och avkastningsförlust kommer att bibehållas på cirka 7%, vilket förbättrar wafer utnyttjande.
Det finns fortfarande många svårigheter i enhetsdesign
Kommersialiseringen av SiC-dioder förbättras gradvis, för närvarande har ett antal inhemska tillverkare designat SiC SBD-produkter, medel- och högspännings SiC SBD-produkter har god stabilitet, i fordonets OBC, användningen av SiC SBD+SI IGBT för att uppnå stabil strömtäthet. För närvarande finns det inga hinder i patentdesignen av SiC SBD-produkter i Kina, och gapet med utlandet är litet.
SiC MOS har fortfarande många svårigheter, det finns fortfarande ett gap 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 tecknats och levererats med många tillverkningsindustrier, medan den nuvarande inhemska SiC MOS-designen i princip har slutförts, ett antal designtillverkare arbetar med fabs på waferflödesstadiet och senare kundverifiering behöver fortfarande lite tid, så det är fortfarande lång tid kvar till storskalig kommersialisering.
För närvarande är den plana strukturen det vanliga valet, och grävtypen används ofta i högtrycksfältet i framtiden. Plan struktur SiC MOS-tillverkare är många, den plana strukturen är inte lätt att producera lokala nedbrytningsproblem jämfört med spåret, vilket påverkar stabiliteten i arbetet, på marknaden under 1200V har ett brett spektrum av tillämpningsvärde, och den plana strukturen är relativt enkel i tillverkningen slutet, för att möta tillverkningsbarhet och kostnadskontroll två aspekter. Spåranordningen har fördelarna med extremt låg parasitisk induktans, snabb omkopplingshastighet, låg förlust och relativt hög prestanda.
2--SiC wafer nyheter
Kiselkarbidmarknadens produktion och försäljningstillväxt, var uppmärksam på strukturell obalans mellan utbud och efterfrågan
Med den snabba tillväxten av marknadens efterfrågan på högfrekvent och kraftfull kraftelektronik har den fysiska flaskhalsen för kiselbaserade halvledarenheter gradvis blivit framträdande, och tredje generationens halvledarmaterial som representeras av kiselkarbid (SiC) har gradvis blivit framträdande. bli industrialiserad. Ur materialprestandasynpunkt har kiselkarbid 3 gånger bandgapets bredd av kiselmaterial, 10 gånger den kritiska nedbrytningsstyrkan för elektriskt fält, 3 gånger värmeledningsförmågan, så kiselkarbidkraftenheter är lämpliga för högfrekvens, högt tryck, hög temperatur och andra applikationer, hjälper till att förbättra effektiviteten och effekttätheten hos kraftelektroniksystem.
För närvarande har SiC-dioder och SiC-MOSFET gradvis flyttat till 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 av omvänd återvinningsladdning; SiC MOSFET används också gradvis inom fordonsindustrin, energilagring, laddningshög, solceller och andra områden; Inom fordonsapplikationer blir trenden med modularisering mer och mer framträdande, den överlägsna prestandan hos SiC måste förlita sig på avancerade förpackningsprocesser för att uppnå, tekniskt med relativt mogen skalförsegling som mainstream, framtiden eller till utveckling av plastförsegling , dess skräddarsydda utvecklingsegenskaper är mer lämpliga för SiC-moduler.
Kiselkarbid prisnedgång hastighet eller bortom fantasi
Användningen av kiselkarbidanordningar begränsas huvudsakligen av den höga kostnaden, priset på SiC MOSFET under samma nivå är 4 gånger högre än för Si-baserad IGBT, detta beror på att processen med kiselkarbid är komplex, där tillväxten av enkristall och epitaxial är inte bara hårda för miljön, utan också tillväxthastigheten är långsam, och enkristallbearbetningen till substratet måste genomgå skärnings- och poleringsprocessen. Baserat på sina egna materialegenskaper och omogen bearbetningsteknik är utbytet av inhemskt substrat mindre än 50%, och olika faktorer leder till höga substrat- och epitaxipriser.
Kostnadssammansättningen för kiselkarbidanordningar och kiselbaserade anordningar är dock diametralt motsatt, substrat- och epitaxialkostnaderna för den främre kanalen står för 47% respektive 23% av hela enheten, totalt cirka 70%, enhetens design, tillverkning och tätningslänkar av den bakre kanalen står för endast 30%, produktionskostnaden för kiselbaserade enheter är huvudsakligen koncentrerad till wafertillverkningen av den bakre kanalen cirka 50%, och substratkostnaden står för endast 7%. Fenomenet med värdet av kiselkarbidindustrins kedja upp och ner innebär att tillverkare av uppströms substratepitaxi har kärnrätten att tala, vilket är nyckeln till layouten för inhemska och utländska företag.
Ur en dynamisk synvinkel på marknaden är att minska kostnaderna för kiselkarbid, förutom att förbättra kiselkarbidens långa kristall- och skivningsprocessen, att utöka waferstorleken, vilket också är den mogna vägen för halvledarutveckling i det förflutna, Wolfspeed-data visar att kiselkarbidsubstratet uppgraderas från 6 tum till 8 tum, kvalificerad spånproduktion kan öka med 80%-90% och bidra till att förbättra utbytet. Kan minska den sammanlagda enhetskostnaden med 50 %.
2023 är känt som "8-tums SiC-första året", i år accelererar inhemska och utländska kiselkarbidtillverkare layouten av 8-tums kiselkarbid, såsom Wolfspeed galen investering på 14,55 miljarder US-dollar för expansion av kiselkarbidproduktion, en viktig del av detta är konstruktionen av en 8-tums SiC-substrattillverkningsanläggning, För att säkerställa framtida leverans av 200 mm SiC ren metall till ett antal företag; Domestic Tianyue Advanced och Tianke Heda har också tecknat långsiktiga avtal med Infineon för att leverera 8-tums kiselkarbidsubstrat i framtiden.
Från och med i år kommer kiselkarbid att accelerera från 6 tum till 8 tum, Wolfspeed förväntar sig att 2024 kommer enhetschipkostnaden för 8 tums substrat jämfört med enhetschipkostnaden för 6 tums substrat 2022 att minska med mer än 60 % , och kostnadsminskningen kommer att öppna applikationsmarknaden ytterligare, påpekade forskningsdata från Ji Bond Consulting. Den nuvarande marknadsandelen för 8-tumsprodukter är mindre än 2 %, och marknadsandelen förväntas växa till cirka 15 % till 2026.
Faktum är att nedgången i priset på kiselkarbidsubstrat kan överstiga många människors fantasi, det nuvarande marknadsutbudet av 6-tums substrat är 4000-5000 yuan/st, jämfört med början av året har fallit mycket, är förväntas sjunka under 4000 yuan nästa år, är det värt att notera att vissa tillverkare för att få den första marknaden, har sänkt försäljningspriset till kostnadslinjen nedan, Öppnade modellen av priskriget, främst koncentrerad i kiselkarbidsubstratet utbudet har varit relativt tillräckligt inom lågspänningsområdet, inhemska och utländska tillverkare utökar aggressivt produktionskapaciteten eller låter överutbudet av kiselkarbidsubstrat ske tidigare än tänkt.
Posttid: 2024-jan-19