Уводзіны ў карбід крэмнію
Карбід крэмнію (SiC) — гэта паўправадніковы матэрыял, які складаецца з вугляроду і крэмнію і з'яўляецца адным з ідэальных матэрыялаў для вырабу высокатэмпературных, высокачастотных, магутнасных і высокавольтных прылад. У параўнанні з традыцыйным крэмніевым матэрыялам (Si), шырыня забароненай зоны карбіду крэмнію ў 3 разы большая, чым у крэмнію. Цеплаправоднасць у 4-5 разоў большая, чым у крэмнію; напружанне прабоя ў 8-10 разоў большае, чым у крэмнію; хуткасць дрэйфу электроннага насычэння ў 2-3 разы большая, чым у крэмнію, што задавальняе патрэбы сучаснай прамысловасці ў высокай магутнасці, высокім напружанні і высокай частаце. Ён у асноўным выкарыстоўваецца для вытворчасці высакахуткасных, высокачастотных, магутных і святлодыёдных электронных кампанентаў. Сферы прымянення ўключаюць разумныя сеткі, новыя энергетычныя транспартныя сродкі, фотаэлектрычную ветраэнергетыку, сувязь 5G і г.д. Дыёды з карбіду крэмнію і MOSFET знайшлі камерцыйнае прымяненне.
Высокатэмпературная ўстойлівасць. Шырыня забароненай зоны карбіду крэмнію ў 2-3 разы большая, чым у крэмнію, электроны не так лёгка пераходзяць пры высокіх тэмпературах і могуць вытрымліваць больш высокія рабочыя тэмпературы, а цеплаправоднасць карбіду крэмнію ў 4-5 разоў вышэйшая, чым у крэмнію, што палягчае рассейванне цяпла прыладай і павышае гранічную рабочую тэмпературу. Высокатэмпературная ўстойлівасць можа значна павялічыць шчыльнасць магутнасці, адначасова зніжаючы патрабаванні да сістэмы астуджэння, робячы клемму лягчэйшай і меншай па памеры.
Вытрымлівае высокі ціск. Напружанасць электрычнага поля прабою карбіду крэмнію ў 10 разоў вышэйшая, чым у крэмнію, які можа вытрымліваць больш высокія напружанні і лепш падыходзіць для высокавольтных прылад.
Высокачастотны супраціў. Карбід крэмнію мае хуткасць дрэйфу электронаў насычанага тыпу ўдвая вышэйшую, чым у крэмнію, што прыводзіць да адсутнасці хвастоў току падчас працэсу выключэння, што можа эфектыўна палепшыць частату пераключэння прылады і рэалізаваць мініяцюрызацыю прылады.
Нізкія страты энергіі. У параўнанні з крэмніем, карбід крэмнію мае вельмі нізкае супраціўленне ва ўключаным стане і нізкія страты ва ўключаным стане. У той жа час, вялікая шырыня забароненай зоны карбіду крэмнію значна зніжае ток уцечкі і страты магутнасці. Акрамя таго, у прыладзе з карбіду крэмнію няма з'явы затрымкі току падчас працэсу выключэння, і страты на пераключэнне нізкія.
Ланцуг карбіду крэмнію ў прамысловасці
У асноўным гэта ўключае падкладку, эпітаксію, распрацоўку прылад, вытворчасць, герметызацыю і гэтак далей. Карбід крэмнію ад матэрыялу да паўправадніковай сілавой прылады падвяргаецца росту монакрышталяў, нарэзцы зліткаў, эпітаксіяльнаму росту, распрацоўцы пласцін, вытворчасці, упакоўцы і іншым працэсам. Пасля сінтэзу парашка карбіду крэмнію спачатку вырабляецца злітак карбіду крэмнію, затым падкладка з карбіду крэмнію атрымліваецца шляхам нарэзкі, шліфоўкі і паліроўкі, а эпітаксіяльны ліст атрымліваецца шляхам эпітаксіяльнага росту. Эпітаксіяльная пласціна вырабляецца з карбіду крэмнію з дапамогай літаграфіі, травлення, іённай імплантацыі, пасівацыі металу і іншых працэсаў, пласціна разразаецца на крышталь, прылада ўпакоўваецца, а затым аб'ядноўваецца ў спецыяльную абалонку і збіраецца ў модуль.
Вышэйшая частка прамысловага ланцужка 1: падкладка - рост крышталяў з'яўляецца асноўным звяном працэсу
Падкладка з карбіду крэмнію складае каля 47% кошту прылад з карбіду крэмнію, што з'яўляецца найвышэйшым тэхнічным бар'ерам у вытворчасці і найбольшай каштоўнасцю, і з'яўляецца асновай будучай маштабнай індустрыялізацыі SiC.
З пункту гледжання адрозненняў у электрахімічных уласцівасцях, матэрыялы падкладак з карбіду крэмнію можна падзяліць на праводзячыя падкладкі (вобласць удзельнага супраціўлення 15~30 мОм·см) і паўізаляваныя падкладкі (удзельнае супраціўленне вышэй за 105 Ом·см). Гэтыя два тыпы падкладак выкарыстоўваюцца для вырабу дыскрэтных прылад, такіх як сілавыя прылады і радыёчастотныя прылады адпаведна, пасля эпітаксіяльнага росту. Сярод іх паўізаляваная падкладка з карбіду крэмнію ў асноўным выкарыстоўваецца ў вытворчасці радыёчастотных прылад з нітрыду галію, фотаэлектрычных прылад і гэтак далей. Шляхам вырошчвання эпітаксіяльнага пласта gan на паўізаляванай падкладцы SIC атрымліваюць эпітаксіяльную пласціну sic, якую можна далей ператварыць у радыёчастотныя прылады HEMT з ізанітрыдам gan. Праводная падкладка з карбіду крэмнію ў асноўным выкарыстоўваецца ў вытворчасці сілавых прылад. У адрозненне ад традыцыйнага працэсу вырабу крэмніевых сілавых прылад, сілавая прылада з карбіду крэмнію не можа быць выраблена непасрэдна на падкладцы з карбіду крэмнію. Для атрымання эпітаксіяльнага ліста з карбіду крэмнію неабходна вырошчваць эпітаксіяльны пласт карбіду крэмнію на праводнай падкладцы, а эпітаксіяльны пласт вырабляецца на дыёдзе Шоткі, MOSFET, IGBT і іншых сілавых прыладах.
Парашок карбіду крэмнію быў сінтэзаваны з высакаякаснага вугляроднага парашка і высакаякаснага крэмніевага парашка, і розныя памеры зліткаў карбіду крэмнію былі вырашчаны ў спецыяльным тэмпературным полі, а затым падкладка з карбіду крэмнію была выраблена праз некалькі працэсаў апрацоўкі. Асноўны працэс уключае ў сябе:
Сінтэз сыравіны: Высокачысты парашок крэмнію і тонер змешваюцца ў адпаведнасці з рэцэптурай, і рэакцыя праводзіцца ў рэакцыйнай камеры пры высокай тэмпературы вышэй за 2000°C для сінтэзу часціц карбіду крэмнію з пэўным тыпам крышталяў і памерам часціц. Затым праз драбненне, прасейванне, ачыстку і іншыя працэсы, каб адпавядаць патрабаванням да высокачыстага парашка карбіду крэмнію сыравіны.
Рост крышталяў — гэта асноўны працэс вырабу падкладкі з карбіду крэмнію, які вызначае электрычныя ўласцівасці падкладкі з карбіду крэмнію. У цяперашні час асноўнымі метадамі росту крышталяў з'яўляюцца фізічны перанос з паравой фазы (PVT), высокатэмпературнае хімічнае асаджэнне з паравой фазы (HT-CVD) і вадкафазная эпітаксія (LPE). Сярод іх метад PVT з'яўляецца асноўным метадам камерцыйнага росту падкладкі з карбіду крэмнію ў цяперашні час, які мае найвышэйшую тэхнічную ступень і найбольш шырока выкарыстоўваецца ў тэхніцы.
Падрыхтоўка падкладкі з карбіду крэмнію складаная, што прыводзіць да яе высокай цаны.
Кантроль тэмпературнага поля складаны: для росту крышталічных стрыжняў Si патрабуецца толькі 1500℃, у той час як крышталічныя стрыжні SiC трэба вырошчваць пры высокай тэмпературы вышэй за 2000℃, і існуе больш за 250 ізамераў SiC, але асноўная монакрышталічная структура 4H-SiC для вытворчасці энергетычных прылад, калі не кантраляваць дакладна, атрымае іншыя крышталічныя структуры. Акрамя таго, градыент тэмпературы ў тыглі вызначае хуткасць сублімацыйнага пераносу SiC і размяшчэнне і спосаб росту газападобных атамаў на крышталічнай мяжы, што ўплывае на хуткасць росту крышталяў і якасць крышталяў, таму неабходна распрацаваць сістэматычную тэхналогію кантролю тэмпературнага поля. У параўнанні з матэрыяламі Si, розніца ў вытворчасці SiC заключаецца таксама ў высокатэмпературных працэсах, такіх як высокатэмпературная іённая імплантацыя, высокатэмпературнае акісленне, высокатэмпературная актывацыя і працэс цвёрдай маскі, неабходныя для гэтых высокатэмпературных працэсаў.
Павольны рост крышталяў: хуткасць росту крышталічнага стрыжня Si можа дасягаць 30 ~ 150 мм/г, а вытворчасць крышталічнага стрыжня з крэмнію даўжынёй 1-3 м займае ўсяго каля 1 дня; напрыклад, крышталічны стрыжань з карбіду крэмнію, выраблены метадам PVT, мае хуткасць росту каля 0,2-0,4 мм/г, за 7 дзён вырастае менш за 3-6 см, хуткасць росту складае менш за 1% ад агульнай колькасці крэмнію, вытворчыя магутнасці вельмі абмежаваныя.
Высокія параметры прадукту і нізкі выхад: асноўныя параметры падложкі з карбіду крэмнію ўключаюць шчыльнасць мікратрубачак, шчыльнасць дыслакацый, супраціўленне, дэфармацыю, шурпатасць паверхні і г.д. Размяшчэнне атамаў у замкнёнай высокатэмпературнай камеры і поўны рост крышталя, кантралюючы пры гэтым паказчыкі параметраў, з'яўляецца складанай сістэмнай інжынерыяй.
Матэрыял мае высокую цвёрдасць, высокую далікатнасць, працяглы час рэзкі і высокі знос: цвёрдасць SiC па Моосу 9,25 саступае толькі алмазу, што прыводзіць да значнага павелічэння складанасці рэзкі, шліфоўкі і паліроўкі, і для выразання 35-40 кавалкаў злітка таўшчынёй 3 см патрабуецца прыблізна 120 гадзін. Акрамя таго, з-за высокай далікатнасці SiC знос пры апрацоўцы пласцін будзе большым, а каэфіцыент выхаду складае ўсяго каля 60%.
Тэндэнцыя развіцця: Павелічэнне памеру + зніжэнне цаны
Сусветны рынак 6-цалевых аб'ёмных вытворчых ліній з карбіду крэмнію (SC) развіваецца, і вядучыя кампаніі выйшлі на рынак 8-цалевых. Айчынныя распрацоўчыя праекты ў асноўным тычацца 6-цалевых. У цяперашні час, хоць большасць айчынных кампаній усё яшчэ выкарыстоўваюць 4-цалевыя вытворчыя лініі, галіна паступова пашыраецца на 6-цалевыя. З развіццём тэхналогіі абсталявання для падтрымкі 6-цалевых пласцін, айчынная тэхналогія падкладак SiC таксама паступова паляпшаецца, што адлюструецца ў эканоміі маштабу буйных вытворчых ліній, і бягучы разрыў у часе масавай вытворчасці 6-цалевых пласцін скараціўся да 7 гадоў. Большы памер пласціны можа прывесці да павелічэння колькасці асобных чыпаў, павышэння выхаду прадукцыі і зніжэння долі чыпаў на краях, а выдаткі на даследаванні і распрацоўкі і страты выхаду будуць падтрымлівацца на ўзроўні каля 7%, тым самым паляпшаючы выкарыстанне пласцін.
У распрацоўцы прылад усё яшчэ існуе шмат цяжкасцей
Камерцыялізацыя SiC-дыёдаў паступова ўдасканальваецца, і ў цяперашні час шэраг айчынных вытворцаў распрацавалі прадукты SiC SBD. Прадукты SiC SBD сярэдняга і высокага напружання маюць добрую стабільнасць. У аўтамабільных бортах кіравання выкарыстоўваецца SiC SBD+SI IGBT для дасягнення стабільнай шчыльнасці току. У цяперашні час у Кітаі няма перашкод для патэнтавага дызайну прадуктаў SiC SBD, і разрыў з замежнымі краінамі невялікі.
У вытворчасці SiC МАП усё яшчэ шмат праблем, існуе разрыў паміж SiC МАП і замежнымі вытворцамі, а адпаведная вытворчая платформа ўсё яшчэ знаходзіцца ў стадыі распрацоўкі. У цяперашні час ST, Infineon, Rohm і іншыя SiC МАП на 600-1700 В дасягнулі масавай вытворчасці, падпісалі кантракты і пастаўляюць іх многім вытворчым галінам, у той час як бягучая айчынная распрацоўка SiC МАП ужо ў асноўным завершана, шэраг вытворцаў супрацоўнічаюць з заводамі на этапе патоку пласцін, і пазнейшая праверка кліентамі патрабуе пэўнага часу, таму да маштабнай камерцыялізацыі яшчэ далёка.
У цяперашні час планарная структура з'яўляецца асноўным выбарам, а ў будучыні траншэйны тып шырока выкарыстоўваецца ў галіне высокага ціску. Вытворцаў планарных карбід-крэмніевых МАП-транзістараў шмат, і ў параўнанні з пазамі планарная структура не так простая ў стварэнні лакальных праблем з прабоем, што ўплывае на стабільнасць працы. На рынку ніжэй за 1200 В яна мае шырокі дыяпазон прымянення, а планарная структура адносна простая ў вытворчасці, што адпавядае двум аспектам тэхналагічнасці і кантролю выдаткаў. Пазы маюць перавагі надзвычай нізкай паразітнай індуктыўнасці, высокай хуткасці пераключэння, нізкіх страт і адносна высокай прадукцыйнасці.
2--Навіны пра пласціны SiC
Рост вытворчасці і продажаў на рынку карбіду крэмнію, звярніце ўвагу на структурны дысбаланс паміж попытам і прапановай
З хуткім ростам попыту на рынку высокачастотнай і магутнай сілавой электронікі, фізічныя абмежаванні паўправадніковых прылад на аснове крэмнію паступова сталі відавочнымі, і паўправадніковыя матэрыялы трэцяга пакалення, прадстаўленыя карбідам крэмнію (SiC), паступова сталі прамысловымі. З пункту гледжання характарыстык матэрыялу, карбід крэмнію мае ў 3 разы большую шырыню забароненай зоны, чым крэмніевы матэрыял, у 10 разоў большую крытычную напружанасць электрычнага поля прабою і ў 3 разы большую цеплаправоднасць, таму сілавыя прылады на аснове карбіду крэмнію падыходзяць для высокачастотных, высокаціскных, высокатэмпературных і іншых ужыванняў, дапамагаючы павысіць эфектыўнасць і шчыльнасць магутнасці сілавых электронных сістэм.
У цяперашні час на рынак паступова выходзяць SiC-дыёды і SiC-MOSFET, і з'яўляюцца больш сталыя прадукты, сярод якіх SiC-дыёды шырока выкарыстоўваюцца замест крэмніевых дыёдаў у некаторых галінах, паколькі яны не маюць перавагі зваротнага аднаўлення зарада; SiC-MOSFET таксама паступова выкарыстоўваецца ў аўтамабільнай прамысловасці, назапашванні энергіі, зарадных батарэях, фотаэлектрыцы і іншых галінах; у галіне аўтамабільных прымяненняў тэндэнцыя да мадулярызацыі становіцца ўсё больш і больш прыкметнай, для дасягнення найвышэйшай прадукцыйнасці SiC неабходна абапірацца на перадавыя працэсы ўпакоўкі, тэхнічна адносна сталая герметызацыя абалонкі ў якасці асноўнага кірунку, будучыня або распрацоўка пластыкавай герметызацыі, яе індывідуальныя характарыстыкі распрацоўкі больш падыходзяць для SiC-модуляў.
Хуткасць падзення коштаў на карбід крэмнію ці неўяўленне
Ужыванне прылад на аснове карбіду крэмнію ў асноўным абмежавана высокім коштам. Кошт MOSFET-транзістара SiC у 4 разы вышэйшы за кошт IGBT-транзістара на аснове Si. Гэта звязана са складанасцю працэсу вытворчасці карбіду крэмнію, пры якім рост монакрышталяў і эпітаксіяльных матэрыялаў не толькі негатыўна ўплывае на навакольнае асяроддзе, але і хуткасць росту павольная, а апрацоўка монакрышталяў у падкладку павінна праходзіць праз працэс рэзкі і паліроўкі. З-за характарыстык матэрыялу і няспелай тэхналогіі апрацоўкі выхад айчыннай падкладкі складае менш за 50%, і розныя фактары прыводзяць да высокіх коштаў на падкладку і эпітаксіяльныя матэрыялы.
Аднак склад выдаткаў прылад з карбіду крэмнію і прылад на аснове крэмнію дыяметральна супрацьлеглы: выдаткі на падкладку і эпітаксіяльную тэхніку пярэдняга канала складаюць адпаведна 47% і 23% ад усёй прылады, што ў агульнай складанасці складае каля 70%, на распрацоўку, выраб і герметызацыю задняга канала прыпадае толькі 30%, сабекошт вытворчасці прылад на аснове крэмнію ў асноўным сканцэнтраваны на вытворчасці пласцін задняга канала каля 50%, а кошт падкладкі складае толькі 7%. З'ява перавернутага ланцужка кошту ў прамысловасці карбіду крэмнію азначае, што вытворцы эпітаксіяльнай тэхнікі падкладак маюць асноўнае права гаварыць, што з'яўляецца ключом да размяшчэння айчынных і замежных прадпрыемстваў.
З дынамічнага пункту гледжання рынку, зніжэнне кошту карбіду крэмнію, акрамя паляпшэння працэсу нарэзкі і апрацоўкі доўгіх крышталяў карбіду крэмнію, азначае пашырэнне памеру пласцін, што таксама з'яўляецца сталым шляхам развіцця паўправаднікоў у мінулым. Дадзеныя Wolfspeed паказваюць, што павелічэнне даўжыні падкладкі карбіду крэмнію з 6 да 8 цаляў можа павялічыць вытворчасць кваліфікаваных чыпаў на 80-90%, што дапаможа палепшыць выхад прадукцыі. Гэта можа знізіць агульны кошт адзінкі на 50%.
2023 год вядомы як «першы год 8-цалевага карбіду крэмнію». У гэтым годзе айчынныя і замежныя вытворцы карбіду крэмнію паскараюць распрацоўку 8-цалевых карбіду крэмнію. Напрыклад, кампанія Wolfspeed уклала 14,55 мільярда долараў ЗША ў пашырэнне вытворчасці карбіду крэмнію, важнай часткай чаго з'яўляецца будаўніцтва завода па вытворчасці 8-цалевых карбід-крэмніевых падкладак. Каб забяспечыць будучыя пастаўкі 200-міліметровага металу карбіду крэмнію шэрагу кампаній, кампаніі Domestic Tianyue Advanced і Tianke Heda таксама падпісалі доўгатэрміновыя пагадненні з Infineon на пастаўку 8-цалевых карбід-крэмніевых падкладак у будучыні.
Пачынаючы з гэтага года, карбід крэмнію паскорыцца з 6 да 8 цаляў. Wolfspeed прагназуе, што да 2024 года кошт адзінкі 8-цалевай падложкі ў параўнанні з коштам адзінкі 6-цалевай падложкі ў 2022 годзе знізіцца больш чым на 60%, і гэта зніжэнне выдаткаў яшчэ больш адкрые рынак прымянення, паказваюць дадзеныя даследавання Ji Bond Consulting. Бягучая доля рынку 8-цалевых прадуктаў складае менш за 2%, і чакаецца, што да 2026 года яна вырасце прыкладна да 15%.
Насамрэч, тэмпы зніжэння коштаў на падкладкі з карбіду крэмнію могуць пераўзысці ўяўленне многіх людзей. У цяперашні час прапанова 6-цалёвай падкладкі на рынку складае 4000-5000 юаняў за штуку, што значна знізілася ў параўнанні з пачаткам года, і чакаецца, што ў наступным годзе яна ўпадзе ніжэй за 4000 юаняў. Варта адзначыць, што некаторыя вытворцы, каб заняць першыя пазіцыі на рынку, знізілі цану продажу да ўзроўню сабекошту. Гэта адкрыла мадэль цэнавай вайны, у асноўным сканцэнтравана на пастаўках падкладак з карбіду крэмнію, якія адносна дастаткова прапанаваны ў галіне нізкавольтнага абсталявання. Айчынныя і замежныя вытворцы актыўна пашыраюць вытворчыя магутнасці або дапускаюць перавышэнне прапановы падкладак з карбіду крэмнію раней, чым меркавалася.
Час публікацыі: 19 студзеня 2024 г.