Ievads silīcija karbīdā
Silīcija karbīds (SiC) ir salikts pusvadītāju materiāls, kas sastāv no oglekļa un silīcija, kas ir viens no ideāliem materiāliem augstas temperatūras, augstas frekvences, lieljaudas un augstsprieguma ierīču izgatavošanai.Salīdzinot ar tradicionālo silīcija materiālu (Si), silīcija karbīda joslas sprauga ir 3 reizes lielāka nekā silīcijam.Siltumvadītspēja ir 4-5 reizes lielāka nekā silīcija;Sadalījuma spriegums ir 8-10 reizes lielāks nekā silīcija;Elektroniskā piesātinājuma novirzes ātrums ir 2-3 reizes lielāks nekā silīcijam, kas atbilst mūsdienu rūpniecības vajadzībām pēc lielas jaudas, augsta sprieguma un augstas frekvences.To galvenokārt izmanto ātrgaitas, augstfrekvences, lieljaudas un gaismu izstarojošu elektronisko komponentu ražošanai.Pakārtotās pielietojuma jomas ietver viedo tīklu, jaunus enerģijas transportlīdzekļus, fotoelektrisko vēja enerģiju, 5G sakarus utt. Silīcija karbīda diodes un MOSFET ir izmantotas komerciāli.
Augstas temperatūras izturība.Silīcija karbīda joslas spraugas platums ir 2–3 reizes lielāks nekā silīcija, elektroni nav viegli pāriet augstā temperatūrā, un tie var izturēt augstāku darba temperatūru, un silīcija karbīda siltumvadītspēja ir 4–5 reizes lielāka nekā silīcijam, atvieglojot ierīces siltuma izkliedi un augstāku robeždarba temperatūru.Augstas temperatūras pretestība var ievērojami palielināt jaudas blīvumu, vienlaikus samazinot prasības dzesēšanas sistēmai, padarot termināli vieglāku un mazāku.
Izturēt augstu spiedienu.Silīcija karbīda elektriskā lauka stiprums ir 10 reizes lielāks nekā silīcija, kas var izturēt lielāku spriegumu un ir vairāk piemērots augstsprieguma ierīcēm.
Augstas frekvences pretestība.Silīcija karbīdam ir divreiz lielāks piesātināto elektronu dreifēšanas ātrums nekā silīcijam, kā rezultātā izslēgšanas procesā nav strāvas novirzes, kas var efektīvi uzlabot ierīces pārslēgšanas frekvenci un realizēt ierīces miniaturizāciju.
Zems enerģijas zudums.Salīdzinot ar silīcija materiālu, silīcija karbīdam ir ļoti zema pretestība un zemi zudumi.Tajā pašā laikā silīcija karbīda lielais joslas platums ievērojami samazina noplūdes strāvu un jaudas zudumus.Turklāt silīcija karbīda ierīcei izslēgšanas procesa laikā nav strāvas aizplūšanas parādības, un pārslēgšanas zudumi ir zemi.
Silīcija karbīda rūpniecības ķēde
Tas galvenokārt ietver substrātu, epitaksiju, ierīces dizainu, ražošanu, blīvējumu un tā tālāk.Silīcija karbīds no materiāla līdz pusvadītāju barošanas ierīcei piedzīvos monokristālu augšanu, stieņu sagriešanu, epitaksiālo augšanu, vafeļu dizainu, ražošanu, iepakošanu un citus procesus.Pēc silīcija karbīda pulvera sintēzes vispirms tiek izgatavots silīcija karbīda lietnis, un pēc tam silīcija karbīda substrāts tiek iegūts, sagriežot, slīpējot un pulējot, un epitaksiālo loksni iegūst ar epitaksiālo augšanu.Epitaksiālā plāksne ir izgatavota no silīcija karbīda, izmantojot litogrāfiju, kodināšanu, jonu implantāciju, metāla pasivāciju un citus procesus, vafele tiek sagriezta presformā, ierīce tiek iepakota, un ierīce tiek apvienota speciālā apvalkā un salikta modulī.
Augšpus nozares ķēdes 1: substrāts – kristāla augšana ir procesa galvenā saite
Silīcija karbīda substrāts veido aptuveni 47% no silīcija karbīda ierīču izmaksām, augstākās ražošanas tehniskās barjeras, lielākā vērtība ir nākotnes liela mēroga SiC industrializācijas pamatā.
No elektroķīmisko īpašību atšķirību viedokļa silīcija karbīda substrāta materiālus var iedalīt vadošos substrātos (pretestības apgabals 15–30 mΩ·cm) un daļēji izolētos substrātos (pretestība lielāka par 105Ω·cm).Šos divu veidu substrātus izmanto, lai ražotu atsevišķas ierīces, piemēram, barošanas ierīces un radiofrekvences ierīces, attiecīgi, pēc epitaksiālās augšanas.Starp tiem daļēji izolētu silīcija karbīda substrātu galvenokārt izmanto gallija nitrīda RF ierīču, fotoelektrisko ierīču un tā tālāk ražošanā.Audzējot gan epitaksiālo slāni uz daļēji izolēta SIC substrāta, tiek sagatavota sic epitaksiālā plāksne, kuru tālāk var sagatavot HEMT gan izo-nitrīda RF ierīcēs.Vadītspējīgu silīcija karbīda substrātu galvenokārt izmanto jaudas ierīču ražošanā.Atšķirībā no tradicionālā silīcija jaudas ierīces ražošanas procesa, silīcija karbīda barošanas ierīci nevar tieši izgatavot uz silīcija karbīda substrāta, silīcija karbīda epitaksiālais slānis ir jāaudzē uz vadoša substrāta, lai iegūtu silīcija karbīda epitaksiālo loksni un epitaksiālo loksni. slānis tiek ražots uz Šotkija diodes, MOSFET, IGBT un citām barošanas ierīcēm.
Silīcija karbīda pulveris tika sintezēts no augstas tīrības pakāpes oglekļa pulvera un augstas tīrības silīcija pulvera, un īpašā temperatūras laukā tika audzēti dažāda izmēra silīcija karbīda lietņi, un pēc tam silīcija karbīda substrāts tika ražots vairākos apstrādes procesos.Pamatprocesā ietilpst:
Izejvielu sintēze: augstas tīrības pakāpes silīcija pulveris + toneris tiek sajaukts saskaņā ar formulu, un reakcija tiek veikta reakcijas kamerā augstā temperatūrā virs 2000 ° C, lai sintezētu silīcija karbīda daļiņas ar noteiktu kristāla tipu un daļiņām. Izmērs.Pēc tam, izmantojot drupināšanas, sijāšanas, tīrīšanas un citus procesus, lai izpildītu augstas tīrības silīcija karbīda pulvera izejvielu prasības.
Kristālu augšana ir silīcija karbīda substrāta ražošanas pamatprocess, kas nosaka silīcija karbīda substrāta elektriskās īpašības.Pašlaik galvenās kristālu augšanas metodes ir fizikālā tvaiku pārnese (PVT), augstas temperatūras ķīmiskā tvaiku pārklāšana (HT-CVD) un šķidrās fāzes epitaksija (LPE).Tostarp PVT metode pašlaik ir galvenā SiC substrāta komerciālās audzēšanas metode, ar augstāko tehnisko briedumu un visplašāk izmantoto inženierzinātnēs.
SiC substrāta sagatavošana ir sarežģīta, kas izraisa tā augsto cenu
Temperatūras lauka kontrole ir sarežģīta: Si kristāla stieņa augšanai nepieciešams tikai 1500 ℃, savukārt SiC kristāla stienis ir jāaudzē augstā temperatūrā virs 2000 ℃, un ir vairāk nekā 250 SiC izomēru, bet galvenā 4H-SiC monokristālu struktūra jaudas ierīču ražošana, ja ne precīza vadība, iegūs citas kristāla struktūras.Turklāt temperatūras gradients tīģelī nosaka SiC sublimācijas pārneses ātrumu un gāzveida atomu izvietojumu un augšanas režīmu uz kristāla saskarnes, kas ietekmē kristāla augšanas ātrumu un kristāla kvalitāti, tāpēc ir nepieciešams veidot sistemātisku temperatūras lauku. kontroles tehnoloģija.Salīdzinot ar Si materiāliem, SiC ražošanas atšķirības ir arī augstas temperatūras procesos, piemēram, augstas temperatūras jonu implantācijā, augstas temperatūras oksidācijā, augstas temperatūras aktivācijā un cietās maskas procesā, kas nepieciešams šiem augstas temperatūras procesiem.
Lēna kristāla augšana: Si kristāla stieņa augšanas ātrums var sasniegt 30 ~ 150 mm / h, un 1-3 m silīcija kristāla stieņa ražošana aizņem tikai apmēram 1 dienu;SiC kristāla stienis ar PVT metodi, piemēram, augšanas ātrums ir aptuveni 0,2–0,4 mm/h, 7 dienas, lai augt mazāk nekā 3–6 cm, augšanas ātrums ir mazāks par 1% no silīcija materiāla, ražošanas jauda ir ārkārtīgi liela. ierobežots.
Augsti produkta parametri un zema raža: SiC substrāta pamatparametri ietver mikrotubulu blīvumu, dislokācijas blīvumu, pretestību, deformāciju, virsmas raupjumu utt. Tā ir sarežģīta sistēmas inženierija, lai sakārtotu atomus slēgtā augstas temperatūras kamerā un pabeigtu kristālu augšanu. vienlaikus kontrolējot parametru indeksus.
Materiālam ir augsta cietība, augsts trauslums, ilgs griešanas laiks un liels nodilums: SiC Mosa cietība 9,25 ir otrā pēc dimanta, kas ievērojami palielina griešanas, slīpēšanas un pulēšanas grūtības, un tas aizņem apmēram 120 stundas. sagriež 35-40 gabalus no 3 cm bieza lietņa.Turklāt SiC lielā trausluma dēļ vafeļu apstrādes nodilums būs lielāks, un izlaides attiecība ir tikai aptuveni 60%.
Attīstības tendence: Izmēru pieaugums + cenas samazinājums
Pasaules SiC tirgus 6 collu tilpuma ražošanas līnija nobriest, un vadošie uzņēmumi ir ienākuši 8 collu tirgū.Iekšzemes attīstības projekti galvenokārt ir 6 collas.Patlaban, lai gan lielākā daļa vietējo uzņēmumu joprojām balstās uz 4 collu ražošanas līnijām, bet nozare pakāpeniski paplašinās līdz 6 collām, līdz ar 6 collu atbalsta iekārtu tehnoloģijas briedumu, vietējā SiC substrāta tehnoloģija arī pakāpeniski uzlabo ekonomiku tiks atspoguļots liela izmēra ražošanas līniju mērogs, un pašreizējā vietējā 6 collu masveida ražošanas laika atšķirība ir samazinājusies līdz 7 gadiem.Lielāks vafeles izmērs var palielināt atsevišķu mikroshēmu skaitu, uzlabot ienesīguma līmeni un samazināt malu čipsu īpatsvaru, un pētniecības un izstrādes izmaksas un ražas zudumi tiks saglabāti aptuveni 7% apmērā, tādējādi uzlabojot vafeles. izmantošana.
Ierīces dizainā joprojām ir daudz grūtību
SiC diodes komercializācija tiek pakāpeniski uzlabota, pašlaik vairāki vietējie ražotāji ir izstrādājuši SiC SBD produktus, vidēja un augsta sprieguma SiC SBD izstrādājumiem ir laba stabilitāte, transportlīdzekļa OBC, SiC SBD + SI IGBT izmantošana, lai panāktu stabilu. strāvas blīvums.Pašlaik Ķīnā nav šķēršļu SiC SBD produktu patentēšanai, un atšķirība no ārvalstīm ir neliela.
SiC MOS joprojām ir daudz grūtību, joprojām pastāv plaisa starp SiC MOS un ārzemju ražotājiem, un attiecīgā ražošanas platforma joprojām tiek veidota.Pašlaik ST, Infineon, Rohm un citi 600–1700 V SiC MOS ir sasnieguši masveida ražošanu un parakstījuši un piegādāti daudzām ražošanas nozarēm, savukārt pašreizējais vietējais SiC MOS dizains būtībā ir pabeigts, vairāki dizaina ražotāji strādā ar fab. vafeļu plūsmas posmā, un vēlāk klientu pārbaudei vēl ir vajadzīgs zināms laiks, tāpēc līdz liela mēroga komercializācijai vēl ir daudz laika.
Pašlaik plakanā konstrukcija ir galvenā izvēle, un tranšejas veids nākotnē tiek plaši izmantots augstspiediena laukā.Plakanās struktūras SiC MOS ražotāju ir daudz, plakanajai struktūrai nav viegli radīt lokālas pārrāvuma problēmas, salīdzinot ar rievu, kas ietekmē darba stabilitāti, tirgū zem 1200 V ir plašs pielietojuma vērtību diapazons, un plakanā struktūra ir relatīvi. vienkāršs ražošanas beigās, lai apmierinātu izgatavojamību un izmaksu kontroli diviem aspektiem.Rievu ierīcei ir ārkārtīgi zemas parazitārās induktivitātes priekšrocības, ātrs pārslēgšanas ātrums, mazi zudumi un salīdzinoši augsta veiktspēja.
2--SiC vafeļu jaunumi
Silīcija karbīda tirgus ražošanas un pārdošanas apjoma pieaugums, pievērsiet uzmanību strukturālajai nelīdzsvarotībai starp piedāvājumu un pieprasījumu
Strauji pieaugot tirgus pieprasījumam pēc augstfrekvences un lieljaudas jaudas elektronikas, silīcija pusvadītāju ierīču fiziskais ierobežojums pakāpeniski ir kļuvis pamanāms, un trešās paaudzes pusvadītāju materiāli, ko pārstāv silīcija karbīds (SiC) kļūt industrializētam.No materiāla veiktspējas viedokļa silīcija karbīdam ir 3 reizes lielāks joslas spraugas platums nekā silīcija materiālam, 10 reizes lielāks par kritisko sadalījuma elektriskā lauka stiprumu, 3 reizes lielāks siltumvadītspējas koeficients, tāpēc silīcija karbīda jaudas ierīces ir piemērotas augstfrekvences, augsta spiediena, augsta temperatūra un citi lietojumi, palīdz uzlabot jaudas elektronisko sistēmu efektivitāti un jaudas blīvumu.
Pašlaik SiC diodes un SiC MOSFET ir pakāpeniski nonākuši tirgū, un ir vairāk nobriedušu produktu, starp kuriem dažās jomās SiC diodes tiek plaši izmantotas silīcija diožu vietā, jo tām nav reversās reģenerācijas maksas priekšrocības;SiC MOSFET tiek pakāpeniski izmantots arī automobiļu rūpniecībā, enerģijas uzglabāšanā, uzlādes kaudzes, fotoelementu un citās jomās;Automobiļu lietojumu jomā modularizācijas tendence kļūst arvien pamanāmāka, SiC labākajai veiktspējai ir jāpaļaujas uz progresīviem iepakošanas procesiem, lai sasniegtu tehniski salīdzinoši nobriedušu apvalku blīvējumu kā galveno, nākotnes vai plastmasas blīvējuma izstrādi. , tā pielāgotās izstrādes īpašības ir vairāk piemērotas SiC moduļiem.
Silīcija karbīda cenas krituma ātrums vai ārpus iztēles
Silīcija karbīda ierīču pielietojumu galvenokārt ierobežo augstās izmaksas, SiC MOSFET cena zem tāda paša līmeņa ir 4 reizes augstāka nekā SiC bāzes IGBT cena, jo silīcija karbīda process ir sarežģīts, kurā palielinās monokristāls un epitaksiāls ir ne tikai skarbs videi, bet arī augšanas ātrums ir lēns, un monokristālu apstrādei substrātā ir jāveic griešanas un pulēšanas process.Pamatojoties uz materiāla īpašībām un nenobriedušu apstrādes tehnoloģiju, vietējā substrāta raža ir mazāka par 50%, un dažādi faktori izraisa augstas substrāta un epitaksiālās cenas.
Tomēr silīcija karbīda ierīču un uz silīcija bāzes ražotu ierīču izmaksu sastāvs ir diametrāli pretējs, priekšējā kanāla substrāta un epitaksiālās izmaksas veido attiecīgi 47% un 23% no visas ierīces, kopā aptuveni 70%, ierīces dizains, ražošana. un aizmugurējā kanāla blīvējuma saites veido tikai 30%, uz silīciju balstītu ierīču ražošanas izmaksas galvenokārt koncentrējas aizmugurējā kanāla plāksnīšu ražošanā, un substrāta izmaksas veido tikai 7%.Silīcija karbīda nozares ķēdes vērtības parādība, kas ir apgriezta otrādi, nozīmē, ka augšējos substrātu epitaksijas ražotājiem ir galvenās tiesības runāt, kas ir iekšzemes un ārvalstu uzņēmumu izkārtojuma atslēga.
No tirgus dinamiskā viedokļa silīcija karbīda izmaksu samazināšana papildus silīcija karbīda garo kristālu un sagriešanas procesa uzlabošanai ir arī vafeļu izmēra paplašināšana, kas ir arī nobriedis pusvadītāju attīstības ceļš pagātnē, Wolfspeed dati liecina, ka silīcija karbīda substrāta jauninājums no 6 collām uz 8 collām, kvalificētu mikroshēmu ražošana var palielināties par 80–90%, un tas palīdz uzlabot ražu.Var samazināt kopējās vienības izmaksas par 50%.
2023. gads ir pazīstams kā "8 collu SiC pirmais gads", šogad vietējie un ārvalstu silīcija karbīda ražotāji paātrina 8 collu silīcija karbīda izkārtojumu, piemēram, Wolfspeed neprātīgi investē 14,55 miljardus ASV dolāru silīcija karbīda ražošanas paplašināšanai, kuras svarīga sastāvdaļa ir 8 collu SiC substrāta ražotnes izbūve, Nodrošināt turpmāko 200 mm SiC plikmetāla piegādi vairākiem uzņēmumiem;Vietējās Tianyue Advanced un Tianke Heda arī ir parakstījušas ilgtermiņa līgumus ar Infineon par 8 collu silīcija karbīda substrātu piegādi nākotnē.
Sākot ar šo gadu, silīcija karbīds paātrinās no 6 collām līdz 8 collām, Wolfspeed sagaida, ka līdz 2024. gadam 8 collu substrāta vienības mikroshēmas izmaksas salīdzinājumā ar 6 collu substrāta vienības mikroshēmas izmaksām 2022. gadā tiks samazinātas par vairāk nekā 60%. , un izmaksu samazināšanās vēl vairāk atvērs lietojumprogrammu tirgu, norādīja Ji Bond Consulting pētījuma dati.Pašreizējā 8 collu izstrādājumu tirgus daļa ir mazāka par 2%, un paredzams, ka līdz 2026. gadam tirgus daļa pieaugs līdz aptuveni 15%.
Faktiski silīcija karbīda substrāta cenas krituma temps var pārsniegt daudzu cilvēku iztēli, pašreizējais 6 collu substrāta tirgus piedāvājums ir 4000-5000 juaņa/gab., salīdzinot ar gada sākumu, ir krietni samazinājies. Paredzams, ka nākamgad tas samazināsies zem 4000 juaņām, ir vērts atzīmēt, ka daži ražotāji, lai iegūtu pirmo tirgu, ir samazinājuši pārdošanas cenu līdz zemākajai izmaksu līnijai, atvēra cenu kara modeli, galvenokārt koncentrējoties uz silīcija karbīda substrātu. zemsprieguma jomā piegāde ir bijusi salīdzinoši pietiekama, vietējie un ārvalstu ražotāji agresīvi paplašina ražošanas jaudu vai ļauj silīcija karbīda substrātam pārsniegt agrāk nekā iedomāties.
Izlikšanas laiks: 19. janvāris 2024. gada laikā