Inleiding tot siliciumcarbide
Siliciumcarbide (SiC) is een samengesteld halfgeleidermateriaal bestaande uit koolstof en silicium, een van de ideale materialen voor het maken van apparaten met hoge temperatuur, hoge frequentie, hoog vermogen en hoge spanning. Vergeleken met het traditionele siliciummateriaal (Si) is de bandafstand van siliciumcarbide drie keer zo groot als die van silicium. De thermische geleidbaarheid is 4-5 maal die van silicium; De doorslagspanning is 8-10 maal die van silicium; De elektronische verzadigingsdrift is 2-3 maal die van silicium, wat voldoet aan de behoeften van de moderne industrie op het gebied van hoog vermogen, hoge spanning en hoge frequentie. Het wordt voornamelijk gebruikt voor de productie van snelle, hoogfrequente, krachtige en lichtgevende elektronische componenten. De stroomafwaartse toepassingsgebieden omvatten smart grid, nieuwe energievoertuigen, fotovoltaïsche windenergie, 5G-communicatie, enz. Siliciumcarbidediodes en MOSFET's zijn commercieel toegepast.
Bestand tegen hoge temperaturen. De bandbreedte van de bandbreedte van siliciumcarbide is 2-3 keer die van silicium, de elektronen zijn niet gemakkelijk over te zetten bij hoge temperaturen en zijn bestand tegen hogere bedrijfstemperaturen, en de thermische geleidbaarheid van siliciumcarbide is 4-5 keer die van silicium, waardoor de warmteafvoer van het apparaat gemakkelijker wordt en de limiet bedrijfstemperatuur hoger. De hoge temperatuurbestendigheid kan de vermogensdichtheid aanzienlijk verhogen en tegelijkertijd de eisen aan het koelsysteem verminderen, waardoor de terminal lichter en kleiner wordt.
Bestand tegen hoge druk. De elektrische doorslagsterkte van siliciumcarbide is 10 keer die van silicium, dat hogere spanningen kan weerstaan en geschikter is voor hoogspanningsapparaten.
Hoogfrequente weerstand. Siliciumcarbide heeft een verzadigde elektronendriftsnelheid die tweemaal zo hoog is als die van silicium, wat resulteert in de afwezigheid van stroomstaartvorming tijdens het uitschakelproces, wat de schakelfrequentie van het apparaat effectief kan verbeteren en de miniaturisatie van het apparaat kan realiseren.
Laag energieverlies. Vergeleken met siliciummateriaal heeft siliciumcarbide een zeer lage aan-weerstand en een laag aan-verlies. Tegelijkertijd vermindert de grote bandbreedte van siliciumcarbide de lekstroom en het vermogensverlies aanzienlijk. Bovendien heeft het siliciumcarbideapparaat geen stroomachterstand tijdens het uitschakelproces en is het schakelverlies laag.
Siliciumcarbide-industrieketen
Het omvat voornamelijk substraat, epitaxie, apparaatontwerp, productie, afdichting enzovoort. Siliciumcarbide van het materiaal naar het halfgeleider-energieapparaat zal eenkristalgroei, het snijden van blokken, epitaxiale groei, wafelontwerp, productie, verpakking en andere processen ondergaan. Na de synthese van siliciumcarbidepoeder wordt eerst de siliciumcarbide-ingot gemaakt en vervolgens wordt het siliciumcarbidesubstraat verkregen door snijden, slijpen en polijsten, en wordt de epitaxiale plaat verkregen door epitaxiale groei. De epitaxiale wafel is gemaakt van siliciumcarbide door middel van lithografie, etsen, ionenimplantatie, metaalpassivering en andere processen, de wafel wordt in een matrijs gesneden, het apparaat wordt verpakt en het apparaat wordt gecombineerd tot een speciale schaal en geassembleerd tot een module.
Stroomopwaarts van de industriële keten 1: substraat-kristalgroei is de belangrijkste processchakel
Siliciumcarbidesubstraat is goed voor ongeveer 47% van de kosten van siliciumcarbide-apparaten, de hoogste technische productiebarrières, de grootste waarde, is de kern van de toekomstige grootschalige industrialisatie van SiC.
Vanuit het perspectief van verschillen in elektrochemische eigenschappen kunnen siliciumcarbidesubstraatmaterialen worden onderverdeeld in geleidende substraten (weerstandsgebied 15~30mΩ·cm) en halfgeïsoleerde substraten (weerstand hoger dan 105Ω·cm). Deze twee soorten substraten worden gebruikt om discrete apparaten te vervaardigen, zoals respectievelijk vermogensapparaten en radiofrequentieapparaten na epitaxiale groei. Onder hen wordt halfgeïsoleerd siliciumcarbidesubstraat voornamelijk gebruikt bij de vervaardiging van galliumnitride RF-apparaten, foto-elektrische apparaten, enzovoort. Door een epitaxiale laag op een semi-geïsoleerd SIC-substraat te laten groeien, wordt de sic epitaxiale plaat voorbereid, die verder kan worden voorbereid tot HEMT met iso-nitride RF-apparaten. Geleidend siliciumcarbidesubstraat wordt voornamelijk gebruikt bij de vervaardiging van elektrische apparaten. Anders dan bij het traditionele productieproces van siliciumkrachtapparaten, kan het siliciumcarbide-krachtapparaat niet rechtstreeks op het siliciumcarbidesubstraat worden gemaakt. De epitaxiale laag van siliciumcarbide moet op het geleidende substraat worden gegroeid om de epitaxiale plaat van siliciumcarbide te verkrijgen, en de epitaxiale laag van siliciumcarbide laag wordt vervaardigd op de Schottky-diode, MOSFET, IGBT en andere stroomapparaten.
Siliciumcarbidepoeder werd gesynthetiseerd uit zeer zuiver koolstofpoeder en zeer zuiver siliciumpoeder, en verschillende maten siliciumcarbide-staven werden gekweekt onder een speciaal temperatuurveld, en vervolgens werd siliciumcarbidesubstraat geproduceerd via meerdere verwerkingsprocessen. Het kernproces omvat:
Synthese van grondstoffen: het zeer zuivere siliciumpoeder + toner worden gemengd volgens de formule en de reactie wordt uitgevoerd in de reactiekamer onder hoge temperaturen boven 2000 ° C om de siliciumcarbidedeeltjes met een specifiek kristaltype en deeltje te synthetiseren maat. Vervolgens via het pletten, zeven, reinigen en andere processen om te voldoen aan de eisen van zeer zuivere siliciumcarbidepoedergrondstoffen.
Kristalgroei is het kernproces van de productie van siliciumcarbidesubstraten, dat de elektrische eigenschappen van siliciumcarbidesubstraat bepaalt. Momenteel zijn de belangrijkste methoden voor kristalgroei fysieke dampoverdracht (PVT), chemische dampafzetting bij hoge temperatuur (HT-CVD) en vloeistoffase-epitaxie (LPE). Onder hen is de PVT-methode momenteel de reguliere methode voor commerciële groei van SiC-substraat, met de hoogste technische volwassenheid en de meest gebruikte in de techniek.
De bereiding van SiC-substraat is moeilijk, wat leidt tot de hoge prijs ervan
Temperatuurveldcontrole is moeilijk: de groei van Si-kristalstaven heeft slechts 1500 ℃ nodig, terwijl SiC-kristalstaven moeten worden gekweekt bij een hoge temperatuur boven 2000 ℃, en er zijn meer dan 250 SiC-isomeren, maar de belangrijkste 4H-SiC-eenkristalstructuur voor de productie van energieapparaten zal, als er geen nauwkeurige controle is, andere kristalstructuren krijgen. Bovendien bepaalt de temperatuurgradiënt in de smeltkroes de snelheid van SiC-sublimatieoverdracht en de rangschikking en groeimodus van gasvormige atomen op het kristalgrensvlak, wat de kristalgroeisnelheid en kristalkwaliteit beïnvloedt, dus het is noodzakelijk om een systematisch temperatuurveld te vormen controle technologie. Vergeleken met Si-materialen zit het verschil in SiC-productie ook in processen bij hoge temperaturen, zoals ionenimplantatie bij hoge temperaturen, oxidatie bij hoge temperaturen, activering bij hoge temperaturen en het harde maskerproces dat vereist is voor deze processen bij hoge temperaturen.
Langzame kristalgroei: de groeisnelheid van Si-kristalstaven kan 30 ~ 150 mm / uur bereiken, en de productie van 1-3 m siliciumkristalstaven duurt slechts ongeveer 1 dag; SiC-kristalstaaf met PVT-methode als voorbeeld, de groeisnelheid is ongeveer 0,2-0,4 mm/u, 7 dagen om minder dan 3-6 cm te groeien, de groeisnelheid is minder dan 1% van het siliciummateriaal, de productiecapaciteit is extreem beperkt.
Hoge productparameters en lage opbrengst: de kernparameters van SiC-substraat omvatten dichtheid van microtubuli, dislocatiedichtheid, soortelijke weerstand, kromtrekken, oppervlakteruwheid, enz. Het is een complexe systeemtechniek om atomen in een gesloten hogetemperatuurkamer te rangschikken en de kristalgroei te voltooien, terwijl u parameterindexen bestuurt.
Het materiaal heeft een hoge hardheid, hoge brosheid, lange snijtijd en hoge slijtage: de SiC Mohs-hardheid van 9,25 komt op de tweede plaats na diamant, wat leidt tot een aanzienlijke toename van de moeilijkheidsgraad bij het snijden, slijpen en polijsten, en het duurt ongeveer 120 uur om Snijd 35-40 stukken van een 3 cm dikke staaf. Bovendien zal, vanwege de hoge brosheid van SiC, de slijtage van de waferverwerking groter zijn en bedraagt de outputverhouding slechts ongeveer 60%.
Ontwikkelingstrend: Maatvergroting + prijsdaling
De 6-inch volumeproductielijn op de mondiale SiC-markt wordt volwassen en toonaangevende bedrijven hebben de 8-inch-markt betreden. Binnenlandse ontwikkelingsprojecten zijn voornamelijk 6 inch. Hoewel de meeste binnenlandse bedrijven momenteel nog steeds gebaseerd zijn op 4-inch productielijnen, breidt de industrie zich geleidelijk uit naar 6-inch, met de volwassenheid van 6-inch ondersteunende apparatuurtechnologie, verbetert de binnenlandse SiC-substraattechnologie ook geleidelijk de economieën van De omvang van grootschalige productielijnen zal tot uiting komen, en het huidige tijdsverschil tussen de binnenlandse massaproductie van 15 cm is verkleind tot zeven jaar. De grotere wafelgrootte kan een toename van het aantal afzonderlijke chips teweegbrengen, de opbrengst verhogen en het aandeel randchips verminderen, en de kosten van onderzoek en ontwikkeling en opbrengstverlies zullen op ongeveer 7% worden gehandhaafd, waardoor de wafel wordt verbeterd. gebruik.
Er zijn nog steeds veel problemen bij het ontwerpen van apparaten
De commercialisering van SiC-dioden wordt geleidelijk verbeterd, momenteel heeft een aantal binnenlandse fabrikanten SiC SBD-producten ontworpen, SiC SBD-producten met midden- en hoogspanning hebben een goede stabiliteit, in de OBC van voertuigen, het gebruik van SiC SBD + SI IGBT om stabiel te bereiken huidige dichtheid. Momenteel zijn er geen belemmeringen voor het patentontwerp van SiC SBD-producten in China, en de kloof met het buitenland is klein.
SiC MOS heeft nog steeds veel problemen, er is nog steeds een kloof tussen SiC MOS en buitenlandse fabrikanten, en het relevante productieplatform is nog in aanbouw. Momenteel hebben ST, Infineon, Rohm en andere 600-1700V SiC MOS massaproductie bereikt en ondertekend en verzonden met veel productie-industrieën, terwijl het huidige binnenlandse SiC MOS-ontwerp feitelijk is voltooid, werken een aantal ontwerpfabrikanten samen met fabrieken op de fase van de wafelstroom en de latere klantverificatie hebben nog enige tijd nodig, dus het duurt nog lang voordat grootschalige commercialisering plaatsvindt.
Momenteel is de vlakke structuur de reguliere keuze, en het sleuftype zal in de toekomst op grote schaal worden gebruikt in het hogedrukveld. Planaire structuur Er zijn veel SiC MOS-fabrikanten, de vlakke structuur is niet eenvoudig om lokale doorslagproblemen te veroorzaken in vergelijking met de groef, wat de stabiliteit van het werk beïnvloedt, op de markt onder 1200V heeft een breed scala aan toepassingswaarde, en de vlakke structuur is relatief eenvoudig in de productie, om te voldoen aan de twee aspecten van maakbaarheid en kostenbeheersing. Het groefapparaat heeft de voordelen van een extreem lage parasitaire inductie, hoge schakelsnelheid, laag verlies en relatief hoge prestaties.
2--SiC-wafelnieuws
Siliciumcarbide marktproductie en omzetgroei, let op het structurele onevenwicht tussen vraag en aanbod
Met de snelle groei van de marktvraag naar hoogfrequente en krachtige vermogenselektronica is het fysieke grensknelpunt van op silicium gebaseerde halfgeleiderapparaten geleidelijk prominenter geworden, en zijn de halfgeleidermaterialen van de derde generatie, vertegenwoordigd door siliciumcarbide (SiC), geleidelijk aan prominenter geworden. geïndustrialiseerd raken. Vanuit het oogpunt van materiaalprestaties heeft siliciumcarbide 3 keer de bandbreedte van siliciummateriaal, 10 keer de kritische elektrische veldsterkte, 3 keer de thermische geleidbaarheid, dus siliciumcarbide vermogensapparaten zijn geschikt voor hoge frequentie, hoge druk, hoge temperaturen en andere toepassingen helpen de efficiëntie en vermogensdichtheid van vermogenselektronische systemen te verbeteren.
Momenteel zijn SiC-diodes en SiC-MOSFET's geleidelijk op de markt gekomen, en er zijn meer volwassen producten, waaronder SiC-diodes op sommige gebieden op grote schaal worden gebruikt in plaats van op silicium gebaseerde diodes, omdat ze niet het voordeel hebben van omgekeerde herstellading; SiC MOSFET wordt ook geleidelijk gebruikt in de automobielsector, energieopslag, laadpalen, fotovoltaïsche en andere velden; Op het gebied van automobieltoepassingen wordt de trend van modularisering steeds prominenter; de superieure prestaties van SiC moeten afhankelijk zijn van geavanceerde verpakkingsprocessen om, technisch gezien met relatief volwassen schaalafdichtingen als mainstream, de toekomst te bereiken of de ontwikkeling van kunststofafdichtingen te bereiken , zijn de op maat gemaakte ontwikkelingskenmerken meer geschikt voor SiC-modules.
Siliciumcarbide prijsdaling snelheid of onvoorstelbaar
De toepassing van siliciumcarbide-apparaten wordt voornamelijk beperkt door de hoge kosten. De prijs van SiC MOSFET onder hetzelfde niveau is 4 keer hoger dan die van op Si gebaseerde IGBT. Dit komt omdat het proces van siliciumcarbide complex is, waarbij de groei van eenkristal en epitaxiaal zijn niet alleen schadelijk voor het milieu, maar de groeisnelheid is ook traag en de verwerking van een enkel kristal in het substraat moet het snij- en polijstproces doorlopen. Op basis van de eigen materiaaleigenschappen en de onvolwassen verwerkingstechnologie bedraagt de opbrengst van binnenlands substraat minder dan 50%, en verschillende factoren leiden tot hoge substraat- en epitaxiale prijzen.
De kostensamenstelling van siliciumcarbide-apparaten en op silicium gebaseerde apparaten is echter diametraal tegengesteld: de substraat- en epitaxiale kosten van het frontkanaal vertegenwoordigen respectievelijk 47% en 23% van het gehele apparaat, in totaal ongeveer 70%, het apparaatontwerp, de productie en afdichtingsverbindingen van het backchannel vertegenwoordigen slechts 30%, de productiekosten van op silicium gebaseerde apparaten zijn voornamelijk geconcentreerd in de wafelproductie van het backchannel, ongeveer 50%, en de substraatkosten vertegenwoordigen slechts 7%. Het fenomeen van de waarde van de keten van de siliciumcarbide-industrie op zijn kop betekent dat upstream-fabrikanten van substraatepitaxie het kernrecht hebben om te spreken, wat de sleutel is tot de lay-out van binnenlandse en buitenlandse ondernemingen.
Vanuit dynamisch oogpunt op de markt betekent het verlagen van de kosten van siliciumcarbide, naast het verbeteren van het lange kristal- en snijproces van siliciumcarbide, het vergroten van de wafelgrootte, wat ook het volwassen pad is van de ontwikkeling van halfgeleiders in het verleden. Gegevens van Wolfspeed laten zien dat het siliciumcarbidesubstraat wordt opgewaardeerd van 6 inch naar 8 inch, de gekwalificeerde chipproductie kan met 80% -90% toenemen en de opbrengst helpen verbeteren. Kan de gecombineerde eenheidskosten met 50% verlagen.
2023 staat bekend als het "8-inch SiC eerste jaar", dit jaar versnellen binnenlandse en buitenlandse siliciumcarbidefabrikanten de lay-out van 8-inch siliciumcarbide, zoals Wolfspeed gekke investering van 14,55 miljard dollar voor uitbreiding van de productie van siliciumcarbide, een belangrijk onderdeel daarvan is de bouw van een 8-inch SiC-substraatfabriek, om de toekomstige levering van 200 mm SiC blank metaal aan een aantal bedrijven te garanderen; Het binnenlandse Tianyue Advanced en Tianke Heda hebben ook langetermijnovereenkomsten getekend met Infineon voor de levering van 8-inch siliciumcarbidesubstraten in de toekomst.
Vanaf dit jaar zal siliciumcarbide versnellen van 6 inch naar 8 inch. Wolfspeed verwacht dat tegen 2024 de chipkosten per eenheid van 8 inch substraat vergeleken met de chipkosten per eenheid van 6 inch substraat in 2022 met meer dan 60% zullen zijn verlaagd , en de kostendaling zal de applicatiemarkt verder openstellen, zo benadrukken de onderzoeksgegevens van Ji Bond Consulting. Het huidige marktaandeel van 8-inch producten bedraagt minder dan 2% en de verwachting is dat dit marktaandeel in 2026 zal groeien tot ongeveer 15%.
In feite kan de snelheid waarmee de prijs van siliciumcarbidesubstraat daalt de verbeelding van veel mensen te boven gaan, het huidige marktaanbod van 6-inch substraat bedraagt 4000-5000 yuan / stuk, vergeleken met het begin van het jaar is het veel gedaald, is verwacht volgend jaar onder de 4000 yuan te vallen, het is vermeldenswaard dat sommige fabrikanten, om de eerste markt te veroveren, de verkoopprijs hebben verlaagd tot de onderstaande kostenlijn, het model van de prijzenoorlog hebben geopend, voornamelijk geconcentreerd in het siliciumcarbidesubstraat het aanbod op laagspanningsgebied relatief voldoende is geweest, binnenlandse en buitenlandse fabrikanten breiden hun productiecapaciteit agressief uit, of laten het overaanbod van het siliciumcarbidesubstraat eerder optreden dan gedacht.
Posttijd: 19 januari 2024