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 dari silikon. Konduktivitas termal adalah 4-5 kali lipat dari silikon; Tegangan tembus adalah 8-10 kali lipat dari silikon; Laju pergeseran saturasi elektronik adalah 2-3 kali lipat dari 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 adalah 2-3 kali lebih lebar dari silikon, elektron tidak mudah bertransisi pada suhu tinggi, dan dapat menahan suhu operasi yang lebih tinggi, dan konduktivitas termal silikon karbida adalah 4-5 kali lebih besar dari silikon, sehingga pembuangan panas perangkat lebih mudah dan suhu operasi batas lebih tinggi. Tahan suhu tinggi dapat meningkatkan kerapatan daya secara signifikan sekaligus mengurangi persyaratan pada sistem pendingin, sehingga terminal menjadi lebih ringan dan lebih kecil.
Tahan tekanan tinggi. Kekuatan medan listrik tembus silikon karbida adalah 10 kali lipat dari silikon, yang dapat menahan tegangan lebih tinggi dan lebih cocok untuk perangkat bertegangan tinggi.
Resistansi frekuensi tinggi. Karbida silikon memiliki laju aliran elektron jenuh dua kali lipat dari silikon, sehingga tidak ada arus yang mengalir 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 kehilangan aktif yang sangat rendah. Pada saat yang sama, lebar celah pita silikon karbida yang tinggi sangat mengurangi arus bocor dan kehilangan daya. Selain itu, perangkat silikon karbida tidak memiliki fenomena arus yang tertinggal selama proses penghentian, dan kehilangan pengalihan rendah.
Rantai industri silikon karbida
Ini terutama mencakup substrat, epitaksi, desain perangkat, manufaktur, penyegelan dan sebagainya. Karbida silikon dari material ke perangkat daya semikonduktor akan mengalami pertumbuhan kristal tunggal, pemotongan ingot, pertumbuhan epitaxial, desain wafer, manufaktur, pengemasan dan proses lainnya. Setelah sintesis bubuk karbida silikon, ingot karbida silikon dibuat terlebih dahulu, dan kemudian substrat karbida silikon diperoleh dengan mengiris, menggiling dan memoles, dan lembaran epitaxial diperoleh dengan pertumbuhan epitaxial. Wafer epitaxial terbuat dari karbida silikon melalui litografi, etsa, implantasi ion, pasivasi logam dan proses lainnya, wafer dipotong menjadi cetakan, perangkat dikemas, dan perangkat digabungkan menjadi cangkang khusus dan dirakit menjadi modul.
Hulu rantai industri 1: pertumbuhan substrat - kristal adalah inti proses penghubung
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, bahan substrat silikon karbida dapat dibagi menjadi substrat konduktif (wilayah 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 masing-masing setelah pertumbuhan epitaksial. Di antara mereka, 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 disiapkan menjadi perangkat RF iso-nitrida gan HEMT. 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.
Bubuk silikon karbida disintesis dari bubuk karbon dengan kemurnian tinggi dan bubuk silikon dengan kemurnian tinggi, dan berbagai ukuran ingot silikon karbida ditumbuhkan di bawah suhu khusus, dan kemudian substrat silikon karbida diproduksi melalui beberapa proses pemrosesan. Proses inti meliputi:
Sintesis bahan baku: Bubuk silikon + toner dengan kemurnian tinggi dicampur sesuai dengan formula, dan reaksi dilakukan di ruang reaksi pada kondisi 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 dengan kemurnian tinggi.
Pertumbuhan kristal merupakan proses inti dari pembuatan substrat silikon karbida, yang menentukan sifat listrik substrat silikon karbida. Saat ini, metode utama untuk pertumbuhan kristal adalah transfer uap fisik (PVT), pengendapan uap kimia suhu tinggi (HT-CVD) dan epitaksi fase cair (LPE). Di antara metode tersebut, metode PVT merupakan metode utama untuk pertumbuhan substrat SiC secara komersial saat ini, dengan kematangan teknis tertinggi dan paling banyak digunakan dalam rekayasa.
Persiapan substrat SiC sulit dilakukan, 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 berukuran 1-3m hanya membutuhkan waktu sekitar 1 hari; Batang kristal SiC dengan metode PVT sebagai contoh, laju pertumbuhannya sekitar 0,2-0,4mm/jam, membutuhkan waktu 7 hari untuk tumbuh kurang dari 3-6cm, laju pertumbuhannya kurang dari 1% dari bahan silikon, sehingga 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 sistem rekayasa 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 pemrosesan wafer akan lebih banyak, dan rasio output hanya sekitar 60%.
Tren perkembangan: 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-proyek pengembangan domestik sebagian besar adalah 6 inci. Saat ini, meskipun sebagian besar perusahaan domestik masih berbasis 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 serta kehilangan hasil akan dipertahankan sekitar 7%, dengan demikian meningkatkan pemanfaatan wafer.
Masih banyak kesulitan dalam desain perangkat
Komersialisasi dioda SiC secara bertahap ditingkatkan, saat ini, sejumlah produsen dalam negeri telah merancang produk SiC SBD, produk SiC SBD tegangan menengah dan tinggi memiliki stabilitas yang baik, dalam 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 kecil.
SiC MOS masih memiliki banyak kesulitan, masih ada kesenjangan antara SiC MOS dan produsen luar negeri, dan platform manufaktur yang relevan masih dalam tahap pembangunan. Saat ini, ST, Infineon, Rohm dan SiC MOS 600-1700V lainnya telah mencapai produksi massal dan ditandatangani serta dikirim ke banyak industri manufaktur, sementara desain SiC MOS domestik saat ini pada dasarnya telah selesai, sejumlah produsen desain bekerja dengan pabrik pada tahap aliran wafer, dan verifikasi pelanggan selanjutnya masih memerlukan waktu, jadi masih ada waktu yang lama dari komersialisasi skala besar.
Saat ini, struktur planar merupakan pilihan utama, dan tipe parit banyak digunakan di bidang bertekanan tinggi di masa mendatang. Produsen SiC MOS struktur planar banyak, struktur planar tidak mudah menimbulkan masalah kerusakan lokal dibandingkan dengan alur, yang memengaruhi stabilitas pekerjaan, di pasaran di bawah 1200V memiliki rentang nilai aplikasi yang luas, dan struktur planar relatif sederhana di bagian akhir pembuatan, untuk memenuhi dua aspek kemampuan manufaktur dan pengendalian biaya. Perangkat alur memiliki keunggulan induktansi parasit yang sangat rendah, kecepatan pengalihan yang cepat, kerugian 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 batas fisik perangkat semikonduktor berbasis silikon secara bertahap menjadi menonjol, dan bahan semikonduktor generasi ketiga yang diwakili oleh silikon karbida (SiC) secara bertahap telah diindustrialisasi. Dari sudut pandang kinerja material, silikon karbida memiliki lebar celah pita 3 kali lipat dari bahan silikon, kekuatan medan listrik tembus kritis 10 kali lipat, konduktivitas termal 3 kali lipat, sehingga perangkat daya silikon karbida cocok untuk frekuensi tinggi, tekanan tinggi, suhu tinggi, dan aplikasi lainnya, 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 tinggi, harga MOSFET SiC di bawah level yang sama 4 kali lebih tinggi daripada IGBT berbasis Si, ini karena proses silikon karbida rumit, di mana pertumbuhan kristal tunggal dan epitaksial tidak hanya keras terhadap lingkungan, tetapi juga laju pertumbuhannya lambat, dan pemrosesan kristal tunggal menjadi substrat harus melalui proses pemotongan dan pemolesan. Berdasarkan karakteristik materialnya sendiri dan teknologi pemrosesan yang belum matang, hasil substrat domestik kurang dari 50%, dan berbagai faktor menyebabkan harga substrat dan epitaksial yang tinggi.
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, pembuatan dan penyegelan tautan saluran belakang hanya mencapai 30%, biaya produksi perangkat berbasis silikon sebagian besar 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, adalah memperluas ukuran wafer, yang juga merupakan jalur pengembangan semikonduktor yang matang di masa lalu, data Wolfspeed menunjukkan bahwa peningkatan substrat silikon karbida dari 6 inci menjadi 8 inci, produksi chip yang memenuhi syarat dapat meningkat hingga 80%-90%, dan membantu meningkatkan hasil. Dapat mengurangi biaya unit gabungan hingga 50%.
Tahun 2023 dikenal sebagai "tahun pertama SiC 8 inci", tahun ini, produsen karbida silikon dalam dan luar negeri tengah mempercepat tata letak karbida silikon 8 inci, seperti investasi gila-gilaan Wolfspeed sebesar 14,55 miliar dolar AS untuk perluasan produksi karbida silikon, yang salah satu bagian pentingnya adalah pembangunan pabrik pembuatan substrat SiC 8 inci, guna memastikan pasokan logam polos SiC 200 mm di masa mendatang ke sejumlah perusahaan; Tianyue Advanced dan Tianke Heda di dalam negeri juga telah menandatangani perjanjian jangka panjang dengan Infineon untuk memasok substrat karbida silikon 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 unit substrat 8 inci dibandingkan dengan biaya chip unit substrat 6 inci pada tahun 2022 akan berkurang lebih dari 60%, dan penurunan biaya akan semakin membuka pasar aplikasi, data penelitian Ji Bond Consulting menunjukkan. Pangsa pasar produk 8 inci saat ini kurang dari 2%, dan pangsa pasar diperkirakan akan tumbuh menjadi sekitar 15% pada tahun 2026.
Faktanya, laju penurunan harga substrat silikon karbida mungkin melampaui imajinasi banyak orang. Penawaran pasar saat ini untuk substrat 6 inci adalah 4.000-5.000 yuan/buah. Dibandingkan dengan awal tahun, telah turun drastis. Diperkirakan akan turun di bawah 4.000 yuan tahun depan. Perlu dicatat bahwa beberapa produsen, untuk mendapatkan pasar pertama, telah mengurangi harga jual ke garis biaya di bawahnya. Membuka model perang harga, terutama terkonsentrasi pada pasokan substrat silikon karbida yang relatif mencukupi 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