Pengantar silikon karbida
Silikon karbida (SiC) adalah bahan semikonduktor senyawa yang terdiri dari karbon dan silikon, yang merupakan salah satu bahan ideal untuk membuat perangkat bersuhu tinggi, frekuensi tinggi, daya tinggi, dan tegangan tinggi. Dibandingkan dengan bahan silikon tradisional (Si), celah pita silikon karbida 3 kali lipat dari silikon. Konduktivitas termalnya 4-5 kali lipat silikon; Tegangan tembusnya 8-10 kali lipat dari silikon; Tingkat penyimpangan saturasi elektronik adalah 2-3 kali lipat dari silikon, yang memenuhi kebutuhan industri modern akan daya tinggi, tegangan tinggi, dan frekuensi tinggi. Hal ini terutama digunakan untuk produksi komponen elektronik berkecepatan tinggi, frekuensi tinggi, berdaya tinggi dan memancarkan 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 lipat dari silikon, elektron tidak mudah bertransisi pada suhu tinggi, dan dapat menahan suhu pengoperasian yang lebih tinggi, dan konduktivitas termal silikon karbida adalah 4-5 kali lipat dari silikon, membuat pembuangan panas perangkat lebih mudah dan batas suhu pengoperasian lebih tinggi. Ketahanan suhu tinggi dapat meningkatkan kepadatan daya secara signifikan sekaligus mengurangi kebutuhan pada sistem pendingin, menjadikan terminal lebih ringan dan lebih kecil.
Tahan tekanan tinggi. Kekuatan medan listrik tembus silikon karbida 10 kali lipat dari silikon, yang dapat menahan tegangan lebih tinggi dan lebih cocok untuk perangkat bertegangan tinggi.
Resistansi frekuensi tinggi. Silikon karbida memiliki laju penyimpangan elektron jenuh dua kali lipat dari silikon, sehingga tidak ada aliran arus selama proses pematian, yang secara efektif dapat meningkatkan frekuensi peralihan perangkat dan mewujudkan miniaturisasi perangkat.
Kehilangan energi yang rendah. Dibandingkan dengan bahan silikon, silikon karbida memiliki ketahanan yang sangat rendah dan kerugian yang 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 jejak arus selama proses pematian, dan kerugian peralihannya rendah.
Rantai industri silikon karbida
Ini terutama mencakup substrat, epitaksi, desain perangkat, manufaktur, penyegelan, dan sebagainya. Silikon karbida dari material ke perangkat listrik semikonduktor akan mengalami pertumbuhan kristal tunggal, pemotongan ingot, pertumbuhan epitaksi, desain wafer, manufaktur, pengemasan dan proses lainnya. Setelah sintesis bubuk silikon karbida, ingot silikon karbida dibuat terlebih dahulu, kemudian substrat silikon karbida diperoleh dengan cara diiris, digiling dan dipoles, dan lembaran epitaksi diperoleh dengan pertumbuhan epitaksi. Wafer epitaksi terbuat dari silikon karbida 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 penghubung proses inti
Substrat silikon karbida menyumbang sekitar 47% dari biaya perangkat silikon karbida, hambatan teknis manufaktur tertinggi, nilai terbesar, adalah inti dari industrialisasi SiC skala besar di masa depan.
Dari perspektif perbedaan sifat elektrokimia, bahan substrat silikon karbida dapat dibagi menjadi substrat konduktif (daerah resistivitas 15~30mΩ·cm) dan substrat semi-terisolasi (resistivitas lebih tinggi dari 105Ω·cm). Kedua jenis substrat ini masing-masing digunakan untuk memproduksi perangkat terpisah seperti perangkat listrik dan perangkat frekuensi radio setelah pertumbuhan epitaksi. Diantaranya, substrat silikon karbida semi-terisolasi terutama digunakan dalam pembuatan perangkat RF galium nitrida, perangkat fotolistrik, dan sebagainya. Dengan menumbuhkan lapisan epitaksi gan pada substrat SIC semi-terisolasi, pelat epitaksi sic disiapkan, yang selanjutnya dapat disiapkan menjadi perangkat RF iso-nitrida HEMT gan. Substrat silikon karbida konduktif terutama digunakan dalam pembuatan perangkat listrik. Berbeda dari proses pembuatan perangkat daya silikon tradisional, perangkat daya silikon karbida tidak dapat langsung dibuat pada substrat silikon karbida, lapisan epitaksi silikon karbida perlu ditanam pada substrat konduktif untuk mendapatkan lembaran epitaksi silikon karbida, dan epitaksi lapisan 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 ingot silikon karbida dengan ukuran berbeda ditanam di bawah medan suhu khusus, dan kemudian substrat silikon karbida diproduksi melalui berbagai proses pemrosesan. Proses inti meliputi:
Sintesis bahan baku: Bubuk silikon + toner dengan kemurnian tinggi dicampur sesuai formula, dan reaksi dilakukan di ruang reaksi pada kondisi suhu tinggi di atas 2000 °C untuk mensintesis partikel silikon karbida dengan jenis kristal dan partikel tertentu ukuran. Kemudian melalui proses penghancuran, penyaringan, pembersihan dan lainnya, untuk memenuhi persyaratan bahan baku bubuk silikon karbida dengan kemurnian tinggi.
Pertumbuhan kristal adalah proses inti pembuatan substrat silikon karbida, yang menentukan sifat listrik substrat silikon karbida. Saat ini, metode utama untuk pertumbuhan kristal adalah transfer uap fisik (PVT), deposisi uap kimia suhu tinggi (HT-CVD) dan epitaksi fase cair (LPE). Diantaranya, metode PVT adalah metode utama untuk pertumbuhan komersial substrat SiC saat ini, dengan kematangan teknis tertinggi dan paling banyak digunakan dalam bidang teknik.
Pembuatan substrat SiC sulit dilakukan, sehingga harganya mahal
Kontrol medan suhu sulit: pertumbuhan batang kristal Si hanya membutuhkan 1500℃, sedangkan batang kristal SiC perlu ditanam pada suhu tinggi di atas 2000℃, dan terdapat lebih dari 250 isomer SiC, tetapi struktur kristal tunggal 4H-SiC utama untuk produksi perangkat listrik, jika tidak dikontrol secara tepat, akan mendapatkan struktur kristal lainnya. Selain itu, gradien suhu dalam wadah menentukan laju transfer sublimasi SiC dan susunan serta mode pertumbuhan atom gas pada antarmuka kristal, yang mempengaruhi laju pertumbuhan kristal dan kualitas kristal, sehingga perlu dibentuk bidang suhu yang sistematis. teknologi kendali. Dibandingkan dengan bahan Si, perbedaan produksi SiC juga terletak pada proses suhu tinggi seperti implantasi ion suhu tinggi, oksidasi suhu tinggi, aktivasi suhu tinggi, dan proses hard mask yang diperlukan oleh proses suhu tinggi tersebut.
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 pertumbuhan sekitar 0,2-0,4 mm/jam, 7 hari tumbuh kurang dari 3-6cm, laju pertumbuhan kurang dari 1% bahan silikon, kapasitas produksi sangat besar terbatas.
Parameter produk tinggi dan hasil rendah: parameter inti substrat SiC meliputi kepadatan mikrotubulus, kepadatan dislokasi, resistivitas, lengkungan, kekasaran permukaan, dll. Ini adalah rekayasa sistem yang kompleks untuk mengatur atom dalam ruang suhu tinggi tertutup dan menyelesaikan pertumbuhan kristal, sambil mengontrol indeks parameter.
Bahan tersebut memiliki kekerasan tinggi, kerapuhan tinggi, waktu pemotongan yang lama, dan keausan yang tinggi: Kekerasan SiC Mohs sebesar 9,25 berada di urutan kedua setelah berlian, yang menyebabkan peningkatan yang signifikan dalam kesulitan pemotongan, penggilingan, dan pemolesan, dan dibutuhkan sekitar 120 jam untuk menyelesaikannya. potong 35-40 lembar batangan setebal 3cm. Selain itu, karena tingginya kerapuhan SiC, keausan pemrosesan wafer akan lebih besar, dan rasio keluaran hanya sekitar 60%.
Tren perkembangan: Peningkatan ukuran + penurunan harga
Lini produksi volume 6 inci di pasar SiC global sudah matang, dan perusahaan-perusahaan terkemuka telah memasuki pasar 8 inci. Proyek pembangunan dalam negeri sebagian besar berukuran 6 inci. Saat ini, meskipun sebagian besar perusahaan dalam negeri masih berbasis pada jalur produksi 4 inci, namun industri secara bertahap berkembang menjadi 6 inci, dengan kematangan teknologi peralatan pendukung 6 inci, teknologi substrat SiC dalam negeri juga secara bertahap meningkatkan perekonomian. skala lini produksi berukuran besar akan tercermin, dan kesenjangan waktu produksi massal domestik 6 inci saat ini telah menyempit menjadi 7 tahun. Ukuran wafer yang lebih besar dapat meningkatkan jumlah chip tunggal, meningkatkan tingkat hasil, dan mengurangi proporsi chip tepi, dan biaya penelitian dan pengembangan serta kehilangan hasil akan dipertahankan sekitar 7%, sehingga meningkatkan wafer pemanfaatan.
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, pada kendaraan OBC, penggunaan SiC SBD+SI IGBT untuk mencapai kestabilan kepadatan arus. Saat ini, tidak ada hambatan dalam desain paten produk SiC SBD di Tiongkok, dan kesenjangan dengan luar negeri juga kecil.
SiC MOS masih mengalami banyak kesulitan, masih terdapat kesenjangan antara SiC MOS dan pabrikan luar negeri, dan platform manufaktur terkait masih dalam pembangunan. Saat ini, ST, Infineon, Rohm dan SiC MOS 600-1700V lainnya telah mencapai produksi massal dan ditandatangani serta dikirim dengan banyak industri manufaktur, sementara desain SiC MOS dalam negeri saat ini pada dasarnya telah selesai, sejumlah produsen desain bekerja sama dengan pabrik di tahap aliran wafer, dan verifikasi pelanggan selanjutnya masih memerlukan waktu, sehingga masih lama untuk komersialisasi skala besar.
Saat ini, struktur planar menjadi pilihan utama, dan tipe parit banyak digunakan di bidang bertekanan tinggi di masa depan. Struktur planar Produsen SiC MOS banyak, struktur planar tidak mudah menghasilkan masalah kerusakan lokal dibandingkan dengan alur, mempengaruhi stabilitas pekerjaan, di pasaran di bawah 1200V memiliki rentang nilai aplikasi yang luas, dan struktur planar relatif sederhana di bagian akhir produksi, untuk memenuhi dua aspek kemampuan manufaktur dan pengendalian biaya. Perangkat alur memiliki keunggulan induktansi parasit yang sangat rendah, kecepatan peralihan yang cepat, kerugian yang 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 menjadi lebih menonjol. menjadi industri. Dari sudut pandang kinerja material, silikon karbida memiliki lebar celah pita 3 kali lipat dari bahan silikon, kekuatan medan listrik kerusakan kritis 10 kali lipat, dan 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 pasar, dan terdapat produk yang lebih matang, di antaranya dioda SiC banyak digunakan daripada dioda berbasis silikon di beberapa bidang karena tidak memiliki keunggulan biaya pemulihan terbalik; SiC MOSFET juga secara bertahap digunakan di bidang otomotif, penyimpanan energi, tiang pengisi daya, fotovoltaik, dan bidang lainnya; Di bidang aplikasi otomotif, tren modularisasi menjadi semakin menonjol, kinerja SiC yang unggul perlu mengandalkan proses pengemasan yang canggih untuk mencapainya, 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.
Penurunan harga silikon karbida sangat cepat atau melampaui imajinasi
Penerapan perangkat silikon karbida terutama dibatasi oleh biaya tinggi, harga SiC MOSFET di bawah level yang sama adalah 4 kali lebih tinggi dibandingkan IGBT berbasis Si, hal ini karena proses silikon karbida rumit, di mana pertumbuhan kristal tunggal dan epitaksi tidak hanya berbahaya bagi lingkungan, tetapi juga laju pertumbuhannya lambat, dan pemrosesan kristal tunggal ke dalam substrat harus melalui proses pemotongan dan pemolesan. Berdasarkan karakteristik materialnya sendiri dan teknologi pemrosesan yang belum matang, hasil substrat dalam negeri kurang dari 50%, dan berbagai faktor menyebabkan tingginya harga substrat dan epitaksi.
Namun, komposisi biaya perangkat silikon karbida dan perangkat berbasis silikon sangat bertolak belakang, biaya substrat dan epitaksi saluran depan masing-masing menyumbang 47% dan 23% dari keseluruhan perangkat, dengan total sekitar 70%, desain perangkat, manufaktur dan tautan penyegelan saluran belakang hanya menyumbang 30%, biaya produksi perangkat berbasis silikon terutama terkonsentrasi pada pembuatan wafer saluran belakang sekitar 50%, dan biaya substrat hanya menyumbang 7%. Fenomena terbaliknya nilai rantai industri silikon karbida membuat produsen epitaksi substrat hulu mempunyai hak inti untuk berbicara, yang merupakan kunci tata letak perusahaan dalam dan luar negeri.
Dari sudut pandang dinamis di pasar, mengurangi biaya silikon karbida, selain meningkatkan proses kristal panjang dan pemotongan silikon karbida, juga memperluas ukuran wafer, yang juga merupakan jalur matang pengembangan semikonduktor di masa lalu. Data Wolfspeed menunjukkan bahwa substrat silikon karbida ditingkatkan dari 6 inci menjadi 8 inci, produksi chip yang memenuhi syarat dapat meningkat sebesar 80%-90%, dan membantu meningkatkan hasil. Dapat mengurangi biaya unit gabungan sebesar 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, seperti investasi gila-gilaan Wolfspeed sebesar 14,55 miliar dolar AS untuk perluasan produksi silikon karbida, bagian penting di antaranya adalah pembangunan pabrik pembuatan substrat SiC 8 inci, Untuk memastikan pasokan bare metal SiC 200 mm di masa depan ke sejumlah perusahaan; Tianyue Advanced dan Tianke Heda dalam negeri juga telah menandatangani perjanjian jangka panjang dengan Infineon untuk memasok substrat silikon karbida 8 inci di masa depan.
Mulai tahun ini, silikon karbida akan meningkat dari 6 inci menjadi 8 inci, Wolfspeed memperkirakan bahwa pada tahun 2024, biaya satuan chip substrat 8 inci dibandingkan dengan biaya satuan chip 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 tersebut diperkirakan akan tumbuh sekitar 15% pada tahun 2026.
Faktanya, tingkat penurunan harga substrat silikon karbida mungkin melebihi imajinasi banyak orang. Tawaran pasar saat ini untuk substrat 6 inci adalah 4000-5000 yuan/buah, dibandingkan dengan awal tahun telah turun banyak, adalah diperkirakan akan turun di bawah 4000 yuan tahun depan, perlu dicatat bahwa beberapa produsen untuk mendapatkan pasar pertama, telah menurunkan harga jual ke garis biaya di bawah, Membuka model perang harga, terutama terkonsentrasi di silikon Pasokan substrat karbida 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 Januari 2024