Pengantar silikon karbida
Silikon karbida (SiC) adalah bahan semikonduktor majemuk yang terdiri dari karbon dan silikon, yang merupakan salah satu bahan ideal untuk membuat perangkat suhu tinggi, frekuensi tinggi, daya tinggi dan tegangan tinggi. Dibandingkan dengan bahan silikon tradisional (Si), celah pita silikon karbida adalah 3 kali lipat silikon. Konduktivitas termal adalah 4-5 kali lipat silikon; Tegangan tembus adalah 8-10 kali lipat silikon; Laju drift saturasi elektronik adalah 2-3 kali lipat silikon, yang memenuhi kebutuhan industri modern untuk daya tinggi, tegangan tinggi dan frekuensi tinggi. Ini terutama digunakan untuk produksi komponen elektronik berkecepatan tinggi, frekuensi tinggi, daya tinggi dan pemancar cahaya. Bidang aplikasi hilir meliputi jaringan pintar, kendaraan energi baru, tenaga angin fotovoltaik, komunikasi 5G, dll. Dioda silikon karbida dan MOSFET telah diterapkan secara komersial.
Tahan suhu tinggi. Lebar celah pita silikon karbida 2-3 kali lipat silikon, elektron tidak mudah bertransisi pada suhu tinggi, dan dapat menahan suhu operasi yang lebih tinggi. Konduktivitas termal silikon karbida 4-5 kali lipat silikon, sehingga memudahkan pembuangan panas perangkat dan suhu operasi batas lebih tinggi. Tahan suhu tinggi dapat meningkatkan kerapatan daya secara signifikan sekaligus mengurangi kebutuhan sistem pendingin, sehingga terminal menjadi lebih ringan dan kecil.
Tahan tekanan tinggi. Kekuatan medan listrik tembus silikon karbida 10 kali lipat lebih tinggi daripada silikon, sehingga dapat menahan tegangan lebih tinggi dan lebih cocok untuk perangkat bertegangan tinggi.
Resistansi frekuensi tinggi. Karbida silikon memiliki laju pergeseran elektron jenuh dua kali lipat dari silikon, sehingga tidak ada arus berlebih selama proses penghentian, yang secara efektif dapat meningkatkan frekuensi pengalihan perangkat dan mewujudkan miniaturisasi perangkat.
Kehilangan energi rendah. Dibandingkan dengan material silikon, silikon karbida memiliki resistansi aktif dan rugi-rugi aktif yang sangat rendah. Di saat yang sama, lebar celah pita silikon karbida yang tinggi sangat mengurangi arus bocor dan rugi-rugi daya. Selain itu, perangkat silikon karbida tidak mengalami fenomena trailing arus selama proses shutdown, dan rugi-rugi switching pun rendah.
Rantai industri silikon karbida
Proses utamanya meliputi substrat, epitaksi, desain perangkat, manufaktur, penyegelan, dan sebagainya. Karbida silikon dari material hingga perangkat daya semikonduktor akan mengalami pertumbuhan kristal tunggal, pemotongan ingot, pertumbuhan epitaksial, desain wafer, manufaktur, pengemasan, dan proses lainnya. Setelah sintesis bubuk karbida silikon, ingot karbida silikon dibuat terlebih dahulu, kemudian substrat karbida silikon diperoleh dengan pemotongan, penggilingan, dan pemolesan, kemudian lembaran epitaksial diperoleh dengan pertumbuhan epitaksial. Wafer epitaksial terbuat dari karbida silikon melalui proses litografi, etsa, implantasi ion, pasivasi logam, dan proses lainnya. Wafer dipotong menjadi cetakan, perangkat dikemas, dan perangkat digabungkan ke dalam cangkang khusus dan dirakit menjadi modul.
Hulu rantai industri 1: pertumbuhan substrat - kristal adalah tautan proses inti
Substrat silikon karbida menyumbang sekitar 47% dari biaya perangkat silikon karbida, hambatan teknis manufaktur tertinggi, nilai terbesar, merupakan inti dari industrialisasi SiC skala besar di masa depan.
Dari perspektif perbedaan sifat elektrokimia, material substrat silikon karbida dapat dibagi menjadi substrat konduktif (resistivitas 15~30mΩ·cm) dan substrat semi-terisolasi (resistivitas lebih tinggi dari 105Ω·cm). Kedua jenis substrat ini digunakan untuk memproduksi perangkat diskrit seperti perangkat daya dan perangkat frekuensi radio setelah pertumbuhan epitaksial. Di antara keduanya, substrat silikon karbida semi-terisolasi terutama digunakan dalam pembuatan perangkat RF galium nitrida, perangkat fotolistrik, dan sebagainya. Dengan menumbuhkan lapisan epitaksial gan pada substrat SIC semi-terisolasi, pelat epitaksial sic disiapkan, yang selanjutnya dapat diolah menjadi perangkat RF HEMT gan iso-nitrida. Substrat silikon karbida konduktif terutama digunakan dalam pembuatan perangkat daya. Berbeda dengan proses pembuatan perangkat daya silikon tradisional, perangkat daya silikon karbida tidak dapat dibuat langsung pada substrat silikon karbida, lapisan epitaksial silikon karbida perlu ditumbuhkan pada substrat konduktif untuk mendapatkan lembaran epitaksial silikon karbida, dan lapisan epitaksial diproduksi pada dioda Schottky, MOSFET, IGBT, dan perangkat daya lainnya.
Serbuk silikon karbida disintesis dari serbuk karbon dengan kemurnian tinggi dan serbuk silikon dengan kemurnian tinggi. Ingot silikon karbida dengan berbagai ukuran ditumbuhkan di bawah suhu khusus, kemudian substrat silikon karbida diproduksi melalui berbagai proses pemrosesan. Proses inti meliputi:
Sintesis bahan baku: Bubuk silikon kemurnian tinggi + toner dicampur sesuai formula, dan reaksi dilakukan di ruang reaksi pada suhu tinggi di atas 2000°C untuk mensintesis partikel silikon karbida dengan jenis kristal dan ukuran partikel tertentu. Kemudian, melalui proses penghancuran, penyaringan, pembersihan, dan proses lainnya, untuk memenuhi persyaratan bahan baku bubuk silikon karbida kemurnian tinggi.
Pertumbuhan kristal merupakan proses inti dalam pembuatan substrat silikon karbida, yang menentukan sifat listrik substrat silikon karbida. Saat ini, metode utama pertumbuhan kristal adalah transfer uap fisik (PVT), deposisi uap kimia suhu tinggi (HT-CVD), dan epitaksi fase cair (LPE). Di antara metode-metode tersebut, metode PVT merupakan metode utama untuk pertumbuhan substrat SiC komersial saat ini, dengan tingkat kematangan teknis tertinggi dan paling banyak digunakan dalam rekayasa.
Persiapan substrat SiC sulit, sehingga harganya mahal
Kontrol medan suhu sulit: pertumbuhan batang kristal Si hanya membutuhkan 1500℃, sedangkan batang kristal SiC perlu tumbuh pada suhu tinggi di atas 2000℃, dan ada lebih dari 250 isomer SiC, tetapi struktur kristal tunggal 4H-SiC utama untuk produksi perangkat daya, jika tidak kontrol yang tepat, akan mendapatkan struktur kristal lainnya. Selain itu, gradien suhu dalam wadah peleburan menentukan laju transfer sublimasi SiC dan pengaturan dan mode pertumbuhan atom gas pada antarmuka kristal, yang memengaruhi laju pertumbuhan kristal dan kualitas kristal, sehingga perlu untuk membentuk teknologi kontrol medan suhu yang sistematis. Dibandingkan dengan bahan Si, perbedaan dalam produksi SiC juga dalam proses suhu tinggi seperti implantasi ion suhu tinggi, oksidasi suhu tinggi, aktivasi suhu tinggi, dan proses masker keras yang diperlukan oleh proses suhu tinggi ini.
Pertumbuhan kristal lambat: laju pertumbuhan batang kristal Si dapat mencapai 30 ~ 150mm/jam, dan produksi batang kristal silikon 1-3m hanya membutuhkan waktu sekitar 1 hari; Batang kristal SiC dengan metode PVT sebagai contoh, laju pertumbuhannya sekitar 0,2-0,4mm/jam, 7 hari untuk tumbuh kurang dari 3-6cm, laju pertumbuhannya kurang dari 1% dari bahan silikon, kapasitas produksinya sangat terbatas.
Parameter produk tinggi dan hasil rendah: parameter inti substrat SiC meliputi kerapatan mikrotubulus, kerapatan dislokasi, resistivitas, kelengkungan, kekasaran permukaan, dll. Ini adalah rekayasa sistem kompleks untuk menyusun atom dalam ruang tertutup bersuhu tinggi dan menyelesaikan pertumbuhan kristal, sambil mengendalikan indeks parameter.
Material ini memiliki kekerasan tinggi, kerapuhan tinggi, waktu pemotongan lama, dan keausan tinggi: kekerasan SiC Mohs sebesar 9,25 hanya kalah dari berlian, yang menyebabkan peningkatan signifikan dalam kesulitan pemotongan, penggilingan, dan pemolesan, dan dibutuhkan sekitar 120 jam untuk memotong 35-40 lembar ingot setebal 3 cm. Selain itu, karena kerapuhan SiC yang tinggi, keausan akibat pemrosesan wafer akan lebih tinggi, dan rasio output hanya sekitar 60%.
Tren pengembangan: Peningkatan ukuran + penurunan harga
Lini produksi volume 6 inci di pasar SiC global semakin matang, dan perusahaan-perusahaan terkemuka telah memasuki pasar 8 inci. Proyek pengembangan domestik sebagian besar adalah 6 inci. Saat ini, meskipun sebagian besar perusahaan domestik masih didasarkan pada lini produksi 4 inci, tetapi industri ini secara bertahap berkembang menjadi 6 inci, dengan kematangan teknologi peralatan pendukung 6 inci, teknologi substrat SiC domestik juga secara bertahap meningkatkan skala ekonomi lini produksi ukuran besar akan tercermin, dan kesenjangan waktu produksi massal 6 inci domestik saat ini telah menyempit menjadi 7 tahun. Ukuran wafer yang lebih besar dapat menghasilkan peningkatan jumlah chip tunggal, meningkatkan tingkat hasil, dan mengurangi proporsi chip tepi, dan biaya penelitian dan pengembangan dan kehilangan hasil akan dipertahankan sekitar 7%, dengan demikian meningkatkan pemanfaatan wafer.
Masih banyak kesulitan dalam desain perangkat
Komersialisasi dioda SiC secara bertahap membaik. Saat ini, sejumlah produsen dalam negeri telah merancang produk SiC SBD. Produk SiC SBD tegangan menengah dan tinggi memiliki stabilitas yang baik. Pada OBC kendaraan, penggunaan SiC SBD+SI IGBT untuk mencapai kerapatan arus yang stabil. Saat ini, tidak ada hambatan dalam desain paten produk SiC SBD di Tiongkok, dan kesenjangan dengan negara-negara asing pun kecil.
SiC MOS masih menghadapi banyak kesulitan. Masih terdapat kesenjangan antara SiC MOS dan produsen luar negeri, dan platform manufaktur terkait masih dalam tahap pembangunan. Saat ini, ST, Infineon, Rohm, dan produsen SiC MOS 600-1700V lainnya telah mencapai produksi massal dan ditandatangani serta dikirimkan ke banyak industri manufaktur. Desain SiC MOS domestik saat ini pada dasarnya telah selesai. Sejumlah produsen desain sedang bekerja sama dengan pabrik pada tahap wafer flow. Verifikasi pelanggan selanjutnya masih membutuhkan waktu, sehingga komersialisasi skala besar masih membutuhkan waktu yang lama.
Saat ini, struktur planar merupakan pilihan utama, dan tipe parit akan banyak digunakan di bidang bertekanan tinggi di masa mendatang. Banyak produsen SiC MOS berstruktur planar. Struktur planar tidak mudah mengalami kerusakan lokal dibandingkan dengan struktur alur, sehingga memengaruhi stabilitas pekerjaan. Nilai aplikasinya pun luas di pasaran di bawah 1200V. Struktur planar relatif sederhana dalam proses manufaktur, sehingga memenuhi dua aspek, yaitu kemampuan manufaktur dan pengendalian biaya. Perangkat alur memiliki keunggulan induktansi parasit yang sangat rendah, kecepatan switching yang cepat, rugi-rugi rendah, dan kinerja yang relatif tinggi.
2--Berita wafer SiC
Pertumbuhan produksi dan penjualan pasar silikon karbida, perhatikan ketidakseimbangan struktural antara penawaran dan permintaan
Dengan pesatnya pertumbuhan permintaan pasar untuk elektronika daya frekuensi tinggi dan daya tinggi, hambatan fisik perangkat semikonduktor berbasis silikon secara bertahap menjadi jelas, dan material semikonduktor generasi ketiga yang diwakili oleh silikon karbida (SiC) secara bertahap telah terindustrialisasi. Dari sudut pandang kinerja material, silikon karbida memiliki lebar celah pita 3 kali lipat dari material silikon, kekuatan medan listrik tembus kritis 10 kali lipat, dan konduktivitas termal 3 kali lipat, sehingga perangkat daya silikon karbida cocok untuk aplikasi frekuensi tinggi, tekanan tinggi, suhu tinggi, dan lainnya, serta membantu meningkatkan efisiensi dan kepadatan daya sistem elektronika daya.
Saat ini, dioda SiC dan MOSFET SiC secara bertahap telah berpindah ke pasaran, dan ada produk yang lebih matang, di antaranya dioda SiC banyak digunakan sebagai pengganti dioda berbasis silikon di beberapa bidang karena tidak memiliki keuntungan dari pengisian pemulihan terbalik; MOSFET SiC juga secara bertahap digunakan dalam otomotif, penyimpanan energi, tumpukan pengisian daya, fotovoltaik dan bidang lainnya; Di bidang aplikasi otomotif, tren modularisasi menjadi semakin menonjol, kinerja SiC yang unggul perlu bergantung pada proses pengemasan yang canggih untuk dicapai, secara teknis dengan penyegelan cangkang yang relatif matang sebagai arus utama, masa depan atau pengembangan penyegelan plastik, karakteristik pengembangannya yang disesuaikan lebih cocok untuk modul SiC.
Kecepatan penurunan harga silikon karbida atau di luar imajinasi
Aplikasi perangkat silikon karbida terutama dibatasi oleh biaya yang tinggi. Harga MOSFET SiC pada level yang sama 4 kali lebih tinggi daripada IGBT berbasis Si. Hal ini disebabkan oleh proses pembuatan silikon karbida yang kompleks. Pertumbuhan kristal tunggal dan epitaksial tidak hanya berdampak buruk bagi lingkungan, tetapi juga laju pertumbuhannya lambat. Pengolahan kristal tunggal menjadi substrat harus melalui proses pemotongan dan pemolesan. Berdasarkan karakteristik materialnya sendiri dan teknologi pengolahan yang belum matang, rendemen substrat domestik kurang dari 50%, dan berbagai faktor menyebabkan tingginya harga substrat dan epitaksial.
Namun, komposisi biaya perangkat silikon karbida dan perangkat berbasis silikon sangat bertolak belakang, biaya substrat dan epitaxial saluran depan masing-masing mencapai 47% dan 23% dari keseluruhan perangkat, dengan total sekitar 70%, desain perangkat, manufaktur dan tautan penyegelan saluran belakang hanya mencapai 30%, biaya produksi perangkat berbasis silikon terutama terkonsentrasi pada pembuatan wafer saluran belakang sekitar 50%, dan biaya substrat hanya mencapai 7%. Fenomena nilai rantai industri silikon karbida terbalik berarti bahwa produsen epitaxial substrat hulu memiliki hak inti untuk berbicara, yang merupakan kunci tata letak perusahaan domestik dan asing.
Dari sudut pandang dinamis di pasar, pengurangan biaya silikon karbida, selain meningkatkan kristal panjang silikon karbida dan proses pemotongan, juga dilakukan dengan memperluas ukuran wafer. Hal ini juga merupakan jalur pengembangan semikonduktor yang matang di masa lalu. Data Wolfspeed menunjukkan bahwa peningkatan substrat silikon karbida dari 6 inci menjadi 8 inci dapat meningkatkan produksi chip berkualitas hingga 80%-90%, dan membantu meningkatkan hasil. Biaya unit gabungan dapat dikurangi hingga 50%.
Tahun 2023 dikenal sebagai "tahun pertama SiC 8 inci". Tahun ini, produsen silikon karbida dalam dan luar negeri sedang mempercepat tata letak silikon karbida 8 inci. Wolfspeed misalnya, telah menginvestasikan dana sebesar 14,55 miliar dolar AS untuk ekspansi produksi silikon karbida. Salah satu bagian penting dari ekspansi ini adalah pembangunan pabrik pembuatan substrat SiC 8 inci. Hal ini dilakukan untuk menjamin pasokan logam polos SiC 200 mm ke sejumlah perusahaan di masa mendatang. Tianyue Advanced dan Tianke Heda dari dalam negeri juga telah menandatangani perjanjian jangka panjang dengan Infineon untuk memasok substrat silikon karbida 8 inci di masa mendatang.
Mulai tahun ini, silikon karbida akan meningkat dari 6 inci menjadi 8 inci. Wolfspeed memperkirakan bahwa pada tahun 2024, biaya chip per unit substrat 8 inci akan berkurang lebih dari 60% dibandingkan dengan biaya chip per unit substrat 6 inci pada tahun 2022. Penurunan biaya ini akan semakin membuka pasar aplikasi, menurut data riset Ji Bond Consulting. Pangsa pasar produk 8 inci saat ini kurang dari 2%, dan diperkirakan akan tumbuh menjadi sekitar 15% pada tahun 2026.
Faktanya, laju penurunan harga substrat silikon karbida mungkin melampaui imajinasi banyak orang, tawaran pasar saat ini untuk substrat 6 inci adalah 4000-5000 yuan/potong, dibandingkan dengan awal tahun telah turun banyak, diperkirakan akan turun di bawah 4000 yuan tahun depan, perlu dicatat bahwa beberapa produsen untuk mendapatkan pasar pertama, telah mengurangi harga jual ke garis biaya di bawah, Membuka model perang harga, terutama terkonsentrasi pada pasokan substrat silikon karbida yang relatif cukup di bidang tegangan rendah, produsen dalam dan luar negeri secara agresif memperluas kapasitas produksi, atau membiarkan tahap kelebihan pasokan substrat silikon karbida lebih awal dari yang dibayangkan.
Waktu posting: 19-Jan-2024