Wprowadzenie do węglika krzemu
Węglik krzemu (SiC) to złożony materiał półprzewodnikowy składający się z węgla i krzemu, który jest jednym z idealnych materiałów do produkcji urządzeń wysokotemperaturowych, wysokoczęstotliwościowych, wysokomocowych i wysokonapięciowych. W porównaniu z tradycyjnym materiałem krzemowym (Si), przerwa pasmowa węglika krzemu jest 3 razy większa niż krzemu. Przewodność cieplna jest 4-5 razy większa niż krzemu; Napięcie przebicia jest 8-10 razy większe niż krzemu; Szybkość dryftu nasycenia elektronicznego jest 2-3 razy większa niż krzemu, co zaspokaja potrzeby współczesnego przemysłu w zakresie dużej mocy, wysokiego napięcia i wysokiej częstotliwości. Jest on głównie wykorzystywany do produkcji szybkich, wysokoczęstotliwościowych, wysokomocowych i emitujących światło elementów elektronicznych. Dziedziny zastosowań downstream obejmują inteligentne sieci, nowe pojazdy energetyczne, fotowoltaiczną energię wiatrową, komunikację 5G itp. Diody z węglika krzemu i tranzystory MOSFET znalazły zastosowanie komercyjne.
Wysoka odporność na temperaturę. Szerokość przerwy energetycznej węglika krzemu jest 2-3 razy większa niż krzemu. Elektrony nie przechodzą łatwo w wysokich temperaturach i wytrzymują wyższe temperatury pracy. Przewodność cieplna węglika krzemu jest 4-5 razy większa niż krzemu, co ułatwia odprowadzanie ciepła i podnosi dopuszczalną temperaturę pracy. Wysoka odporność na temperaturę pozwala znacząco zwiększyć gęstość mocy, jednocześnie zmniejszając wymagania dotyczące układu chłodzenia, dzięki czemu terminal jest lżejszy i mniejszy.
Wytrzymuje wysokie ciśnienie. Wytrzymałość na przebicie pola elektrycznego węglika krzemu jest dziesięciokrotnie większa niż krzemu, co pozwala na wytrzymywanie wyższych napięć i jest bardziej odpowiednie do urządzeń wysokonapięciowych.
Rezystancja wysokoczęstotliwościowa. Węglik krzemu charakteryzuje się dwukrotnie wyższym dryftem elektronów nasyconych niż krzem, co skutkuje brakiem ogonowania prądu podczas wyłączania, co może skutecznie poprawić częstotliwość przełączania urządzenia i umożliwić jego miniaturyzację.
Niskie straty energii. W porównaniu z materiałem krzemowym, węglik krzemu charakteryzuje się bardzo niską rezystancją włączenia i stratami włączenia. Jednocześnie, szeroka przerwa energetyczna węglika krzemu znacznie zmniejsza prąd upływu i straty mocy. Ponadto, w urządzeniu z węglika krzemu nie występuje zjawisko spływania prądu podczas wyłączania, a straty przełączania są niskie.
Łańcuch przemysłowy węglika krzemu
Obejmuje ona głównie podłoże, epitaksję, projektowanie urządzeń, produkcję, uszczelnianie itd. Węglik krzemu, od materiału do półprzewodnikowego urządzenia mocy, będzie podlegał wzrostowi monokryształu, cięciu wlewków, wzrostowi epitaksjalnemu, projektowaniu płytek, produkcji, pakowaniu i innym procesom. Po syntezie proszku węglika krzemu, najpierw wytwarzany jest wlewek węglika krzemu, a następnie podłoże z węglika krzemu jest uzyskiwane przez cięcie, szlifowanie i polerowanie, a warstwa epitaksjalna jest uzyskiwana przez wzrost epitaksjalny. Płytka epitaksjalna jest wykonana z węglika krzemu poprzez litografię, trawienie, implantację jonów, pasywację metalu i inne procesy, płytka jest cięta na matrycę, urządzenie jest pakowane, a następnie urządzenie jest łączone w specjalną powłokę i montowane w moduł.
W górę łańcucha przemysłowego 1: podłoże – wzrost kryształów stanowi główne ogniwo procesu
Podłoże z węglika krzemu stanowi około 47% kosztów urządzeń z węglika krzemu, najwyższe bariery techniczne w produkcji, największa wartość, jest podstawą przyszłej industrializacji SiC na dużą skalę.
Z punktu widzenia różnic we właściwościach elektrochemicznych, materiały z węglika krzemu stosowane jako podłoża można podzielić na podłoża przewodzące (zakres rezystywności 15–30 mΩ·cm) i podłoża półizolowane (rezystywność powyżej 105 Ω·cm). Te dwa rodzaje podłoży są wykorzystywane do produkcji urządzeń dyskretnych, takich jak urządzenia mocy i urządzenia radiowe, po epitaksji. Spośród nich, półizolowane podłoże z węglika krzemu jest wykorzystywane głównie do produkcji urządzeń RF z azotku galu, urządzeń fotoelektrycznych itp. Poprzez wytworzenie warstwy epitaksjalnej gan na półizolowanym podłożu SIC, powstaje płytka epitaksjalna SIC, którą można następnie przekształcić w urządzenia RF z izoazotku gan HEMT. Przewodzące podłoże z węglika krzemu jest wykorzystywane głównie do produkcji urządzeń mocy. W odróżnieniu od tradycyjnego procesu produkcji urządzeń energetycznych z krzemu, urządzenia energetyczne z węglika krzemu nie mogą być bezpośrednio wykonane na podłożu z węglika krzemu. Warstwa epitaksjalna węglika krzemu musi zostać wytworzona na podłożu przewodzącym, aby uzyskać warstwę epitaksjalną węglika krzemu. Warstwa epitaksjalna jest wytwarzana na diodach Schottky'ego, tranzystorach MOSFET, IGBT i innych urządzeniach energetycznych.
Proszek węglika krzemu został zsyntetyzowany z proszku węglowego o wysokiej czystości i proszku krzemowego o wysokiej czystości. Następnie wlewki węglika krzemu o różnych rozmiarach hodowano w specjalnym polu temperaturowym, a następnie w wyniku licznych procesów przetwórczych wytworzono podłoże z węglika krzemu. Główny proces obejmuje:
Synteza surowca: Proszek krzemu o wysokiej czystości + toner są mieszane zgodnie z recepturą, a reakcja jest przeprowadzana w komorze reakcyjnej w warunkach wysokiej temperatury powyżej 2000°C w celu syntezy cząstek węglika krzemu o określonym typie kryształu i wielkości cząstek. Następnie proces ten przechodzi przez kruszenie, przesiewanie, czyszczenie i inne procesy, aby spełnić wymagania dotyczące surowców w postaci proszku węglika krzemu o wysokiej czystości.
Wzrost kryształów to kluczowy proces produkcji podłoży z węglika krzemu, który decyduje o jego właściwościach elektrycznych. Obecnie głównymi metodami wzrostu kryształów są: fizyczny transfer z fazy gazowej (PVT), wysokotemperaturowe chemiczne osadzanie z fazy gazowej (HT-CVD) oraz epitaksja z fazy ciekłej (LPE). Spośród nich metoda PVT jest obecnie najpopularniejszą metodą komercyjnego wzrostu podłoży SiC, charakteryzującą się najwyższym poziomem zaawansowania technicznego i najszerszym zastosowaniem w inżynierii.
Przygotowanie podłoża SiC jest trudne, co przekłada się na jego wysoką cenę
Kontrola pola temperaturowego jest trudna: wzrost prętów krystalicznych SiC wymaga jedynie temperatury 1500°C, podczas gdy pręty krystaliczne SiC wymagają wzrostu w wysokiej temperaturze powyżej 2000°C. Istnieje ponad 250 izomerów SiC, ale główna struktura monokrystaliczna 4H-SiC do produkcji urządzeń elektroenergetycznych, jeśli nie będzie precyzyjnej kontroli, uzyska inne struktury krystaliczne. Ponadto gradient temperatury w tyglu determinuje szybkość transferu sublimacji SiC oraz rozmieszczenie i sposób wzrostu atomów gazowych na granicy faz kryształu, co wpływa na szybkość wzrostu i jakość kryształu, dlatego konieczne jest opracowanie systematycznej technologii kontroli pola temperaturowego. W porównaniu z materiałami Si, różnica w produkcji SiC polega również na procesach wysokotemperaturowych, takich jak implantacja jonów w wysokiej temperaturze, utlenianie w wysokiej temperaturze, aktywacja w wysokiej temperaturze oraz proces twardej maski wymagany w tych procesach wysokotemperaturowych.
Powolny wzrost kryształów: szybkość wzrostu pręta krystalicznego Si może osiągnąć 30 ~ 150 mm/h, a produkcja pręta krystalicznego krzemu o długości 1-3 m trwa tylko około 1 dnia; na przykład pręt krystaliczny SiC z metodą PVT ma szybkość wzrostu około 0,2-0,4 mm/h, 7 dni, aby wyrosnąć mniej niż 3-6 cm, szybkość wzrostu wynosi mniej niż 1% materiału krzemowego, a zdolność produkcyjna jest bardzo ograniczona.
Wysokie parametry produktu i niska wydajność: podstawowe parametry podłoża SiC obejmują gęstość mikrotubul, gęstość dyslokacji, rezystywność, odkształcenia, chropowatość powierzchni itp. Ułożenie atomów w zamkniętej komorze wysokotemperaturowej i ukończenie wzrostu kryształu przy jednoczesnej kontroli wskaźników parametrów to złożony system inżynieryjny.
Materiał charakteryzuje się wysoką twardością, kruchością, długim czasem cięcia i wysoką odpornością na zużycie: twardość SiC w skali Mohsa wynosząca 9,25 ustępuje jedynie diamentowi, co znacznie utrudnia cięcie, szlifowanie i polerowanie. Wycięcie 35-40 sztuk wlewka o grubości 3 cm zajmuje około 120 godzin. Ponadto, ze względu na wysoką kruchość SiC, zużycie podczas obróbki płytek będzie większe, a współczynnik wydajności wynosi zaledwie około 60%.
Trend rozwoju: Wzrost rozmiaru + spadek ceny
Globalny rynek płytek SiC (SiC) w segmencie produkcji masowej 6-calowych płytek dojrzewa, a wiodące firmy weszły na rynek płytek 8-calowych. Krajowe projekty rozwojowe dotyczą głównie płytek 6-calowych. Obecnie, chociaż większość krajowych firm nadal bazuje na liniach produkcyjnych dla płytek 4-calowych, branża stopniowo rozszerza się na płytki 6-calowe. Wraz z rozwojem technologii urządzeń wspomagających dla płytek 6-calowych, krajowa technologia podłoży SiC również stopniowo się poprawia, co odzwierciedli korzyści skali dużych linii produkcyjnych, a obecny czas masowej produkcji płytek 6-calowych w kraju zmniejszył się do 7 lat. Większy rozmiar płytki może zwiększyć liczbę pojedynczych płytek, poprawić wydajność i zmniejszyć udział płytek krawędziowych, a koszty badań i rozwoju oraz strata wydajności zostaną utrzymane na poziomie około 7%, co poprawi wykorzystanie płytek.
W projektowaniu urządzeń nadal istnieje wiele trudności
Komercjalizacja diod SiC stopniowo się rozwija. Obecnie wielu krajowych producentów zaprojektowało produkty SiC SBD. Produkty SiC SBD średniego i wysokiego napięcia charakteryzują się dobrą stabilnością. W pojazdach OBC zastosowanie tranzystorów SiC SBD+SI IGBT pozwala na osiągnięcie stabilnej gęstości prądu. Obecnie w Chinach nie ma barier w zakresie patentowania produktów SiC SBD, a luka w porównaniu z innymi krajami jest niewielka.
Technologia SiC MOS wciąż napotyka wiele trudności, istnieje luka między SiC MOS a producentami zagranicznymi, a odpowiednia platforma produkcyjna jest nadal w budowie. Obecnie ST, Infineon, Rohm i inne firmy produkujące SiC MOS o napięciu 600–1700 V weszły do masowej produkcji i podpisały umowy z wieloma firmami produkcyjnymi. Podczas gdy obecny projekt krajowej technologii SiC MOS został zasadniczo ukończony, wielu producentów współpracuje z fabrykami na etapie produkcji wafli, a późniejsza weryfikacja przez klienta wymaga jeszcze czasu, co oznacza, że do komercjalizacji na dużą skalę wciąż jest daleko.
Obecnie najpopularniejszym wyborem jest struktura planarna, a typ rowkowy będzie w przyszłości szeroko stosowany w instalacjach wysokociśnieniowych. Producenci tranzystorów SiC MOS o strukturze planarnej są liczni. Struktura planarna nie jest tak podatna na lokalne przebicia w porównaniu z rowkową, co wpływa na stabilność pracy. Struktura planarna znajduje szerokie zastosowanie na rynku poniżej 1200 V, a jej produkcja jest stosunkowo prosta, co pozwala na osiągnięcie dwóch celów: łatwości produkcji i kontroli kosztów. Układ rowkowy charakteryzuje się wyjątkowo niską indukcyjnością pasożytniczą, dużą szybkością przełączania, niskimi stratami i stosunkowo wysoką wydajnością.
2--Nowości dotyczące płytek SiC
Wzrost produkcji i sprzedaży na rynku węglika krzemu, zwróć uwagę na strukturalną nierównowagę między podażą a popytem
Wraz z gwałtownym wzrostem zapotrzebowania rynku na elektronikę mocy wysokiej częstotliwości i dużej mocy, wąskie gardło fizycznych ograniczeń układów półprzewodnikowych na bazie krzemu stopniowo stawało się coraz bardziej widoczne, a materiały półprzewodnikowe trzeciej generacji, reprezentowane przez węglik krzemu (SiC), stopniowo zyskiwały na popularności. Z punktu widzenia właściwości materiałowych, węglik krzemu charakteryzuje się trzykrotnie większą szerokością przerwy energetycznej niż krzem, dziesięciokrotnie większą wytrzymałością na przebicie pola elektrycznego i trzykrotnie wyższą przewodnością cieplną, dzięki czemu układy mocy z węglika krzemu nadają się do zastosowań wymagających wysokiej częstotliwości, wysokiego ciśnienia, wysokiej temperatury i innych, przyczyniając się do poprawy sprawności i gęstości mocy układów elektroniki mocy.
Obecnie diody SiC i tranzystory MOSFET SiC stopniowo pojawiają się na rynku, a na rynku dostępne są bardziej dojrzałe produkty, wśród których diody SiC są szeroko stosowane zamiast diod krzemowych w niektórych dziedzinach, ponieważ nie mają zalet ładowania zwrotnego; tranzystory MOSFET SiC są stopniowo wykorzystywane również w motoryzacji, magazynowaniu energii, stosach ładowania, fotowoltaice i innych dziedzinach; w zastosowaniach motoryzacyjnych trend modularyzacji staje się coraz bardziej widoczny, a lepsza wydajność SiC wymaga zaawansowanych procesów pakowania, aby ją osiągnąć. Technicznie rzecz biorąc, przy stosunkowo dojrzałym uszczelnieniu powłoki jako głównym nurcie, w przyszłości lub w rozwoju uszczelnień z tworzyw sztucznych, jego dostosowane cechy rozwoju są bardziej odpowiednie dla modułów SiC.
Szybkość spadku cen węglika krzemu przekracza wyobraźnię
Zastosowanie elementów z węglika krzemu jest ograniczone głównie wysokimi kosztami. Cena tranzystora MOSFET SiC na tym samym poziomie jest czterokrotnie wyższa niż tranzystora IGBT na bazie krzemu. Wynika to ze złożonego procesu produkcji węglika krzemu, w którym wzrost monokryształu i epitaksjalny jest nie tylko szkodliwy dla środowiska, ale również charakteryzuje się wolnym tempem wzrostu, a obróbka monokryształu w podłoże wymaga cięcia i polerowania. Biorąc pod uwagę właściwości materiału i niedopracowaną technologię przetwarzania, wydajność krajowych podłoży wynosi mniej niż 50%, a różne czynniki wpływają na wysokie ceny podłoży i epitaksjalnych.
Jednakże struktura kosztów urządzeń z węglika krzemu i urządzeń na bazie krzemu jest diametralnie różna: koszty podłoża i epitaksji kanału przedniego stanowią odpowiednio 47% i 23% całego urządzenia, co daje łącznie około 70%, koszty projektu, produkcji i uszczelnienia kanału tylnego stanowią jedynie 30%, koszty produkcji urządzeń na bazie krzemu koncentrują się głównie na produkcji płytek tylnego kanału (około 50%), a koszty podłoża stanowią zaledwie 7%. Zjawisko odwrócenia wartości łańcucha przemysłowego węglika krzemu oznacza, że producenci epitaksji podłoża na wyższym szczeblu mają prawo głosu, co jest kluczowe dla układu przedsiębiorstw krajowych i zagranicznych.
Z dynamicznego punktu widzenia rynku, obniżenie kosztów węglika krzemu, oprócz usprawnienia procesu produkcji długich kryształów węglika krzemu i cięcia, ma na celu zwiększenie rozmiaru wafli, co było również dojrzałą ścieżką rozwoju półprzewodników w przeszłości. Dane Wolfspeed pokazują, że modernizacja podłoża z węglika krzemu z 6 do 8 cali (ok. 15,7 cm) pozwala na zwiększenie produkcji kwalifikowanych chipów o 80-90% i poprawę wydajności. Łączny koszt jednostkowy może zostać obniżony o 50%.
Rok 2023 jest znany jako „pierwszy rok 8-calowego węglika krzemu”. W tym roku krajowi i zagraniczni producenci węglika krzemu przyspieszają rozwój 8-calowego węglika krzemu. Przykładem jest szalona inwestycja firmy Wolfspeed o wartości 14,55 miliarda dolarów amerykańskich w rozbudowę produkcji węglika krzemu. Ważnym elementem tej inwestycji jest budowa zakładu produkującego 8-calowe podłoża SiC. Aby zapewnić przyszłe dostawy 200-milimetrowego gołego metalu SiC dla wielu firm, krajowe firmy Tianyue Advanced i Tianke Heda podpisały również długoterminowe umowy z firmą Infineon na dostawę 8-calowych podłoży z węglika krzemu w przyszłości.
Począwszy od tego roku, węglik krzemu przyspieszy z 6 do 8 cali. Wolfspeed przewiduje, że do 2024 roku koszt jednostkowy chipa o podłożu 8-calowym w porównaniu z kosztem jednostkowym chipa o podłożu 6-calowym w 2022 roku spadnie o ponad 60%, a spadek kosztów jeszcze bardziej otworzy rynek aplikacji, jak wskazują dane badawcze Ji Bond Consulting. Obecny udział w rynku produktów 8-calowych wynosi mniej niż 2% i oczekuje się, że do 2026 roku wzrośnie do około 15%.
W rzeczywistości tempo spadku ceny podłoża z węglika krzemu może przekroczyć wyobrażenia wielu osób. Obecna oferta rynkowa 6-calowego podłoża wynosi 4000-5000 juanów/sztukę. W porównaniu z początkiem roku znacznie spadła. Oczekuje się, że w przyszłym roku spadnie poniżej 4000 juanów. Warto zauważyć, że niektórzy producenci, aby zdobyć pierwszy rynek, obniżyli cenę sprzedaży do poniższej linii kosztów. Otworzył to model wojny cenowej, skoncentrowanej głównie na podaży podłoża z węglika krzemu. W dziedzinie niskiego napięcia było stosunkowo wystarczająco dużo dostawców krajowych i zagranicznych. Producenci krajowi i zagraniczni agresywnie zwiększają moce produkcyjne lub pozwalają, aby nadpodaż podłoża z węglika krzemu wystąpiła wcześniej, niż przewidywano.
Czas publikacji: 19-01-2024