Uvod u silicijev karbid
Silicijev karbid (SiC) je složeni poluvodički materijal sastavljen od ugljika i silicija, koji je jedan od idealnih materijala za izradu uređaja visoke temperature, visoke frekvencije, velike snage i visokog napona. U usporedbi s tradicionalnim silicijskim materijalom (Si), zabranjeni pojas silicij karbida je 3 puta veći od silicija. Toplinska vodljivost je 4-5 puta veća od silicija; Probojni napon je 8-10 puta veći od silicija; Elektronička stopa zasićenja je 2-3 puta veća od silicija, što zadovoljava potrebe moderne industrije za velikom snagom, visokim naponom i visokom frekvencijom. Uglavnom se koristi za proizvodnju elektroničkih komponenti velike brzine, visoke frekvencije, velike snage i svjetla. Nizvodna polja primjene uključuju pametnu mrežu, nova energetska vozila, fotonaponsku energiju vjetra, 5G komunikaciju itd. Diode od silicij karbida i MOSFET-ovi komercijalno su primijenjeni.
Otpornost na visoke temperature. Širina zabranjenog pojasa silicijevog karbida je 2-3 puta veća od silicija, elektroni ne prelaze lako na visokim temperaturama i mogu izdržati više radne temperature, a toplinska vodljivost silicijevog karbida je 4-5 puta veća od silicija, što olakšava odvođenje topline uređaja i višu graničnu radnu temperaturu. Otpornost na visoke temperature može značajno povećati gustoću snage dok smanjuje zahtjeve za sustav hlađenja, čineći terminal lakšim i manjim.
Izdržati visoki pritisak. Snaga električnog polja proboja silicijevog karbida je 10 puta veća od silicija, koji može izdržati više napone i prikladniji je za visokonaponske uređaje.
Otpor na visoke frekvencije. Silicijev karbid ima zasićenu stopu pomicanja elektrona dvostruko veću od silicija, što rezultira odsutnošću strujnog ostatka tijekom procesa isključivanja, što može učinkovito poboljšati frekvenciju prebacivanja uređaja i ostvariti minijaturizaciju uređaja.
Mali gubitak energije. U usporedbi sa silicijevim materijalom, silicijev karbid ima vrlo nisku otpornost na prianjanje i male gubitke pri pristajanju. U isto vrijeme, velika širina razmaka silicijevog karbida uvelike smanjuje struju curenja i gubitak snage. Osim toga, uređaj od silicij-karbida nema fenomen zaostajanja struje tijekom procesa isključivanja, a gubitak pri prebacivanju je nizak.
Industrijski lanac silicijevog karbida
To uglavnom uključuje podlogu, epitaksiju, dizajn uređaja, proizvodnju, brtvljenje i tako dalje. Silicijev karbid od materijala do poluvodičkog uređaja za napajanje doživjet će rast jednog kristala, rezanje ingota, epitaksijalni rast, dizajn pločica, proizvodnju, pakiranje i druge procese. Nakon sinteze praha silicijevog karbida, prvo se izrađuje ingot silicijevog karbida, zatim se rezanjem, brušenjem i poliranjem dobiva supstrat silicijevog karbida, a epitaksijalni list dobiva se epitaksijalnim rastom. Epitaksijalna pločica se izrađuje od silicij karbida litografijom, jetkanjem, ionskom implantacijom, pasivizacijom metala i drugim procesima, pločica se izrezuje u matricu, uređaj se pakira, a uređaj se spaja u posebnu školjku i sastavlja u modul.
Uzvodno od industrijskog lanca 1: supstrat - rast kristala je ključna karika procesa
Supstrat od silicij-karbida čini oko 47% troškova uređaja od silicij-karbida, najveće proizvodne tehničke barijere, najveća vrijednost, jezgra je buduće velike industrijalizacije SiC-a.
Iz perspektive razlika u elektrokemijskim svojstvima, supstratni materijali od silicij-karbida mogu se podijeliti na vodljive supstrate (područje otpora 15~30mΩ·cm) i poluizolirane supstrate (otpor veći od 105Ω·cm). Ove dvije vrste supstrata koriste se za proizvodnju diskretnih uređaja kao što su energetski uređaji i radiofrekvencijski uređaji nakon epitaksijalnog rasta. Među njima, poluizolirani supstrat od silicij karbida uglavnom se koristi u proizvodnji RF uređaja galij nitrida, fotoelektričnih uređaja i tako dalje. Uzgajanjem gan epitaksijalnog sloja na poluizoliranoj SIC podlozi priprema se sic epitaksijalna ploča koja se dalje može pripremiti u HEMT gan izo-nitridne RF uređaje. Vodljivi supstrat od silicijevog karbida uglavnom se koristi u proizvodnji energetskih uređaja. Za razliku od tradicionalnog procesa proizvodnje uređaja za napajanje od silicij-karbida, uređaj za napajanje od silicij-karbida ne može se izraditi izravno na podlozi od silicij-karbida, epitaksijalni sloj od silicij-karbida mora se uzgajati na vodljivoj podlozi kako bi se dobila epitaksijalna ploča od silicij-karbida, a epitaksijalni sloj se proizvodi na Schottky diodi, MOSFET-u, IGBT-u i drugim energetskim uređajima.
Prah silicijevog karbida sintetiziran je iz praha ugljika visoke čistoće i praha silicija visoke čistoće, a različite veličine ingota silicij karbida uzgajane su pod posebnim temperaturnim poljem, a zatim je supstrat silicij karbida proizveden višestrukim procesima obrade. Osnovni proces uključuje:
Sinteza sirovina: prah silicija visoke čistoće + toner miješaju se prema formuli, a reakcija se provodi u reakcijskoj komori pod uvjetima visoke temperature iznad 2000°C kako bi se sintetizirale čestice silicij karbida s određenim tipom kristala i čestica veličina. Zatim kroz drobljenje, prosijavanje, čišćenje i druge procese, kako bi se zadovoljili zahtjevi sirovina praha silicijevog karbida visoke čistoće.
Rast kristala je temeljni proces proizvodnje supstrata od silicij karbida, koji određuje električna svojstva supstrata od silicij karbida. Trenutno su glavne metode za rast kristala fizički prijenos pare (PVT), visokotemperaturno kemijsko taloženje parom (HT-CVD) i epitaksija tekuće faze (LPE). Među njima, PVT metoda trenutno je glavna metoda za komercijalni rast SiC supstrata, s najvećom tehničkom zrelošću i najviše se koristi u inženjerstvu.
Priprema SiC supstrata je teška, što dovodi do njegove visoke cijene
Kontrola temperaturnog polja je teška: rast kristalne šipke Si treba samo 1500 ℃, dok kristalna šipka SiC mora rasti na visokoj temperaturi iznad 2000 ℃, a postoji više od 250 izomera SiC, ali glavna monokristalna struktura 4H-SiC za proizvodnja energetskih uređaja, ako ne i preciznu kontrolu, dobit će druge kristalne strukture. Osim toga, temperaturni gradijent u lončiću određuje brzinu sublimacijskog prijenosa SiC te raspored i način rasta plinovitih atoma na površini kristala, što utječe na brzinu rasta kristala i kvalitetu kristala, pa je potrebno formirati sustavno temperaturno polje. kontrolna tehnologija. U usporedbi sa Si materijalima, razlika u proizvodnji SiC također je u visokotemperaturnim procesima kao što su visokotemperaturna ionska implantacija, visokotemperaturna oksidacija, visokotemperaturna aktivacija i proces tvrde maske koji zahtijevaju ti visokotemperaturni procesi.
Spori rast kristala: brzina rasta kristalne šipke od silicija može doseći 30 ~ 150 mm/h, a proizvodnja 1-3 m kristalne šipke od silicija traje samo oko 1 dan; SiC kristalna šipka s PVT metodom kao primjer, brzina rasta je oko 0,2-0,4 mm/h, 7 dana za rast manje od 3-6 cm, stopa rasta je manja od 1% silicij materijala, proizvodni kapacitet je izuzetno ograničeno.
Visoki parametri proizvoda i nisko iskorištenje: osnovni parametri SiC supstrata uključuju gustoću mikrotubula, gustoću dislokacija, otpornost, iskrivljenost, hrapavost površine itd. Složeni je sustav inženjeringa za raspoređivanje atoma u zatvorenoj visokotemperaturnoj komori i dovršetak rasta kristala, dok kontrolira indekse parametara.
Materijal ima visoku tvrdoću, visoku krtost, dugo vrijeme rezanja i veliko habanje: tvrdoća SiC Mohs od 9,25 je druga iza dijamanta, što dovodi do značajnog povećanja težine rezanja, brušenja i poliranja, a potrebno je približno 120 sati da izrežite 35-40 komada ingota debljine 3 cm. Osim toga, zbog visoke krtosti SiC-a, trošenje obrade pločica će biti veće, a omjer izlaza je samo oko 60%.
Trend razvoja: Povećanje veličine + smanjenje cijene
Globalno SiC tržište proizvodne linije od 6 inča sazrijeva, a vodeće tvrtke ušle su na tržište od 8 inča. Domaći razvojni projekti uglavnom su 6 inča. Trenutno, iako se većina domaćih tvrtki još uvijek temelji na 4-inčnim proizvodnim linijama, ali industrija se postupno širi na 6-inčne, sa zrelošću tehnologije potporne opreme od 6 inča, domaća tehnologija SiC supstrata također postupno poboljšava ekonomiju razmjer velikih proizvodnih linija će se odraziti, a trenutni domaći 6-inčni vremenski razmak masovne proizvodnje sužen je na 7 godina. Veća veličina pločice može dovesti do povećanja broja pojedinačnih čipova, poboljšati stopu prinosa i smanjiti udio rubnih čipova, a troškovi istraživanja i razvoja i gubitak prinosa ostat će na oko 7%, čime se poboljšava pločica korištenje.
Još uvijek postoje mnoge poteškoće u dizajnu uređaja
Komercijalizacija SiC diode postupno se poboljšava, trenutno je niz domaćih proizvođača dizajnirao SiC SBD proizvode, SiC SBD proizvodi srednjeg i visokog napona imaju dobru stabilnost, u vozilu OBC, korištenje SiC SBD+SI IGBT za postizanje stabilnog gustoća struje. Trenutačno ne postoje prepreke u patentnom dizajnu SiC SBD proizvoda u Kini, a razlika u odnosu na inozemstvo je mala.
SiC MOS još uvijek ima mnogo poteškoća, još uvijek postoji jaz između SiC MOS i inozemnih proizvođača, a relevantna proizvodna platforma još je u izradi. Trenutačno su ST, Infineon, Rohm i drugi SiC MOS od 600-1700 V postigli masovnu proizvodnju i potpisali i isporučili mnoge proizvodne industrije, dok je trenutni domaći SiC MOS dizajn u osnovi dovršen, brojni proizvođači dizajna rade s tvornicama na fazi protoka vafera, a kasnijoj verifikaciji kupaca još treba neko vrijeme, tako da je još dosta vremena do velike komercijalizacije.
Trenutno je planarna struktura glavni izbor, a tip rova će se naširoko koristiti u polju visokog tlaka u budućnosti. Planarna struktura SiC MOS proizvođača je mnogo, planarna struktura nije lako proizvesti lokalne probleme s kvarom u usporedbi s utorom, što utječe na stabilnost rada, na tržištu ispod 1200 V ima širok raspon vrijednosti primjene, a planarna struktura je relativno jednostavan u proizvodnji kraj, kako bi se zadovoljila proizvodnost i kontrola troškova dva aspekta. Uređaj s utorima ima prednosti iznimno niske parazitne induktivnosti, velike brzine prebacivanja, niskih gubitaka i relativno visokih performansi.
2--Novosti o SiC pločicama
Tržišna proizvodnja silicijevog karbida i rast prodaje, obratite pozornost na strukturnu neravnotežu između ponude i potražnje
S brzim rastom tržišne potražnje za visokofrekventnom i visokonaponskom energetskom elektronikom, usko grlo fizičkog ograničenja poluvodičkih uređaja na bazi silicija postupno je postalo istaknuto, a poluvodički materijali treće generacije koje predstavlja silicijev karbid (SiC) postupno su postali istaknuti postati industrijaliziran. Sa stajališta performansi materijala, silicij-karbid ima 3 puta veću širinu zabranjenog pojasa od silicija, 10 puta veću jačinu električnog polja kritičnog proboja, 3 puta veću toplinsku vodljivost, tako da su uređaji za napajanje od silicij-karbida prikladni za visoke frekvencije, visoki tlak, visoke temperature i druge primjene, pomažu u poboljšanju učinkovitosti i gustoće snage energetskih elektroničkih sustava.
Trenutačno su SiC diode i SiC MOSFET-ovi postupno prešli na tržište, a postoje i zreliji proizvodi, među kojima su SiC diode naširoko korištene umjesto dioda na bazi silicija u nekim područjima jer nemaju prednost obrnutog povratnog naboja; SiC MOSFET se također postupno koristi u automobilskoj industriji, pohrani energije, gomili za punjenje, fotonaponskim i drugim poljima; U području automobilskih primjena, trend modularizacije postaje sve istaknutiji, vrhunska izvedba SiC-a mora se oslanjati na napredne procese pakiranja kako bi se postigla, tehnički s relativno zrelim brtvljenjem školjke kao glavnom strujom, budućnost ili razvoj plastičnog brtvljenja , njegove prilagođene karakteristike razvoja prikladnije su za SiC module.
Brzina pada cijena silicijevog karbida nadilazi maštu
Primjena uređaja od silicij-karbida uglavnom je ograničena visokom cijenom, cijena SiC MOSFET-a ispod iste razine je 4 puta veća od one IGBT-a na bazi Si, to je zato što je proces silicij-karbida složen, u kojem rast monokristal i epitaksijalni ne samo da su oštri za okoliš, već je i stopa rasta spora, a obrada monokristala u podlogu mora proći kroz proces rezanja i poliranja. Na temelju vlastitih karakteristika materijala i nezrele tehnologije obrade, iskorištenje domaćeg supstrata je manje od 50%, a različiti čimbenici dovode do visokih cijena supstrata i epitaksija.
Međutim, troškovni sastav uređaja od silicij-karbida i uređaja na bazi silicija je dijametralno suprotan, supstrat i epitaksijalni troškovi prednjeg kanala čine 47% odnosno 23% cjelokupnog uređaja, ukupno oko 70%, dizajn uređaja, proizvodnja i veze za brtvljenje stražnjeg kanala čine samo 30%, troškovi proizvodnje uređaja na bazi silicija uglavnom su koncentrirani u proizvodnji pločica od oko 50%, a troškovi supstrata čine samo 7%. Fenomen vrijednosti lanca industrije silicijevog karbida naopačke znači da proizvođači epitaksije supstrata uzvodno imaju glavno pravo govoriti, što je ključ za izgled domaćih i stranih poduzeća.
S dinamičke točke gledišta na tržištu, smanjenje troškova silicij karbida, uz poboljšanje dugog kristala silicij karbida i procesa rezanja, je povećanje veličine pločice, što je također zreli put razvoja poluvodiča u prošlosti, Wolfspeed podaci pokazuju da se nadogradnja supstrata od silicij-karbida sa 6 inča na 8 inča, kvalificirana proizvodnja čipova može povećati za 80%-90% i pomoći u poboljšanju prinosa. Može smanjiti kombinirani jedinični trošak za 50%.
2023. poznata je kao "prva godina 8-inčnog SiC-a", ove godine domaći i strani proizvođači silicij-karbida ubrzavaju izgled 8-inčnog silicij-karbida, kao što je Wolfspeed ludo ulaganje od 14,55 milijardi američkih dolara za proširenje proizvodnje silicij-karbida, čiji je važan dio izgradnja 8-inčnog pogona za proizvodnju SiC supstrata, kako bi se osigurala buduća opskrba 200 mm SiC golog metala za brojne tvrtke; Domaći Tianyue Advanced i Tianke Heda također su potpisali dugoročne ugovore s Infineonom za isporuku 8-inčnih supstrata od silicij karbida u budućnosti.
Počevši od ove godine, silicijev karbid će se ubrzati sa 6 inča na 8 inča, Wolfspeed očekuje da će do 2024. jedinični trošak čipa za supstrat od 8 inča u usporedbi s troškom jediničnog čipa za supstrat od 6 inča 2022. biti smanjen za više od 60% , a pad troškova dodatno će otvoriti tržište aplikacija, ističu podaci istraživanja Ji Bond Consultinga. Trenutačni tržišni udio 8-inčnih proizvoda manji je od 2%, a očekuje se da će tržišni udio narasti na oko 15% do 2026. godine.
Zapravo, stopa pada cijene supstrata od silicij karbida može nadmašiti maštu mnogih ljudi, trenutna tržišna ponuda supstrata od 6 inča je 4000-5000 juana/komad, u usporedbi s početkom godine dosta je pala, Očekuje se da će sljedeće godine pasti ispod 4000 juana, vrijedi napomenuti da su neki proizvođači, kako bi dobili prvo tržište, smanjili prodajnu cijenu na liniju troškova ispod, Otvoren model cjenovnog rata, uglavnom koncentriran u podlozi od silicij karbida Opskrba je bila relativno dovoljna u niskonaponskom polju, domaći i strani proizvođači agresivno proširuju proizvodne kapacitete ili puštaju silicijev karbid supstrat u prethodnu fazu ranije nego što se zamislilo.
Vrijeme objave: 19. siječnja 2024