Úvod do karbidu křemíku
Karbid křemíku (SiC) je složený polovodičový materiál složený z uhlíku a křemíku, který je jedním z ideálních materiálů pro výrobu vysokoteplotních, vysokofrekvenčních, výkonných a vysokonapěťových zařízení. Ve srovnání s tradičním křemíkovým materiálem (Si) je šířka zakázaného pásma karbidu křemíku třikrát větší než u křemíku. Tepelná vodivost je 4–5krát větší než u křemíku; průrazné napětí je 8–10krát větší než u křemíku; rychlost elektronického saturačního driftu je 2–3krát větší než u křemíku, což splňuje potřeby moderního průmyslu pro vysoký výkon, vysoké napětí a vysoké frekvence. Používá se hlavně k výrobě vysokorychlostních, vysokofrekvenčních, výkonných a světelně emitujících elektronických součástek. Mezi následné oblasti použití patří inteligentní sítě, vozidla pro nové zdroje energie, fotovoltaika a větrná energie, 5G komunikace atd. Komerčně se používají karbidové diody a MOSFETy.
Odolnost vůči vysokým teplotám. Šířka zakázaného pásu karbidu křemíku je 2–3krát větší než u křemíku, elektrony při vysokých teplotách snadno nepřecházejí a odolávají vyšším provozním teplotám. Tepelná vodivost karbidu křemíku je 4–5krát větší než u křemíku, což usnadňuje odvod tepla zařízením a zvyšuje provozní teplotu. Odolnost vůči vysokým teplotám může výrazně zvýšit hustotu výkonu a zároveň snížit požadavky na chladicí systém, čímž se terminál stane lehčím a menším.
Odolává vysokému tlaku. Průrazná síla elektrického pole karbidu křemíku je 10krát větší než u křemíku, který snáší vyšší napětí a je vhodnější pro vysokonapěťová zařízení.
Vysokofrekvenční odpor. Karbid křemíku má dvakrát vyšší rychlost driftu elektronů než křemík, což vede k absenci proudového ocasu během procesu vypínání, což může účinně zlepšit spínací frekvenci zařízení a dosáhnout jeho miniaturizace.
Nízké energetické ztráty. Ve srovnání s křemíkovými materiály má karbid křemíku velmi nízký odpor v sepnutí a nízké ztráty v sepnutí. Zároveň velká šířka zakázaného pásu karbidu křemíku výrazně snižuje svodový proud a ztráty výkonu. Kromě toho u karbidu křemíku nedochází k jevu protékání proudu během vypínání a ztráty při spínání jsou nízké.
Řetěz z karbidu křemíku v průmyslu
Zahrnuje především substrát, epitaxi, návrh zařízení, výrobu, těsnění a tak dále. Karbid křemíku, od materiálu k polovodičovému napájecímu zařízení, prochází růstem monokrystalů, řezáním ingotů, epitaxním růstem, návrhem destičky, výrobou, balením a dalšími procesy. Po syntéze práškového karbidu křemíku se nejprve vyrobí ingot z karbidu křemíku, poté se řezáním, broušením a leštěním získá substrát z karbidu křemíku a epitaxním růstem se získá epitaxní destička. Epitaxní destička se vyrábí z karbidu křemíku litografií, leptáním, iontovou implantací, pasivací kovu a dalšími procesy, destička se nařeže do matrice, zařízení se zabalí a zařízení se spojí do speciálního obalu a sestaví se do modulu.
Předchozí část průmyslového řetězce 1: substrát - růst krystalů je klíčovým procesním článkem
Substrát z karbidu křemíku tvoří přibližně 47 % nákladů na zařízení z karbidu křemíku, což představuje nejvyšší technické bariéry výroby a největší hodnotu a je jádrem budoucí rozsáhlé industrializace SiC.
Z hlediska rozdílů v elektrochemických vlastnostech lze substráty z karbidu křemíku rozdělit na vodivé substráty (oblast rezistivity 15~30 mΩ·cm) a poloizolované substráty (rezistivita vyšší než 105 Ω·cm). Tyto dva druhy substrátů se používají k výrobě diskrétních zařízení, jako jsou výkonová zařízení a radiofrekvenční zařízení, po epitaxním růstu. Poloizolovaný substrát z karbidu křemíku se používá hlavně při výrobě RF zařízení z nitridu galia, fotoelektrických zařízení atd. Růstem epitaxní vrstvy gan na poloizolovaném substrátu SIC se připraví epitaxní deska sic, kterou lze dále připravit na HEMT gan iso-nitridová RF zařízení. Vodivý substrát z karbidu křemíku se používá hlavně při výrobě výkonových zařízení. Na rozdíl od tradičního výrobního procesu křemíkových výkonových zařízení nelze výkonová zařízení z karbidu křemíku vyrobit přímo na substrátu z karbidu křemíku. Pro získání epitaxní vrstvy z karbidu křemíku je nutné na vodivém substrátu nanést epitaxní vrstvu z karbidu křemíku. Tato epitaxní vrstva se vyrábí na Schottkyho diodě, MOSFETu, IGBT a dalších výkonových zařízeních.
Prášek karbidu křemíku byl syntetizován z vysoce čistého uhlíkového prášku a vysoce čistého křemíkového prášku. Různé velikosti ingotů karbidu křemíku byly pěstovány za speciálního teplotního pole a poté byl pomocí několika procesů zpracování vyroben substrát z karbidu křemíku. Základní proces zahrnuje:
Syntéza suroviny: Vysoce čistý křemíkový prášek a toner se smíchají podle receptury a reakce se provádí v reakční komoře za vysoké teploty nad 2000 °C za účelem syntézy částic karbidu křemíku se specifickým typem krystalů a velikostí částic. Poté se provede drcení, prosévání, čištění a další procesy, aby se splnily požadavky na vysoce čistý karbid křemíkový prášek jako surovinu.
Růst krystalů je základním procesem výroby substrátů z karbidu křemíku, který určuje elektrické vlastnosti substrátu z karbidu křemíku. V současné době jsou hlavními metodami růstu krystalů fyzikální přenos par (PVT), vysokoteplotní chemická depozice z par (HT-CVD) a epitaxe v kapalné fázi (LPE). Mezi nimi je metoda PVT v současnosti hlavní metodou pro komerční růst substrátů SiC s nejvyšší technickou vyspělostí a nejrozšířenějším využitím ve strojírenství.
Příprava substrátu SiC je obtížná, což vede k jeho vysoké ceně.
Řízení teplotního pole je obtížné: růst krystalických tyčinek Si vyžaduje pouze 1500 °C, zatímco krystalické tyčinky SiC je nutné pěstovat při vysoké teplotě nad 2000 °C. Existuje více než 250 izomerů SiC. Hlavní monokrystalická struktura 4H-SiC pro výrobu výkonových zařízení, pokud není přesně řízena, získá další krystalové struktury. Teplotní gradient v kelímku navíc určuje rychlost sublimačního přenosu SiC a uspořádání a způsob růstu plynných atomů na krystalovém rozhraní, což ovlivňuje rychlost růstu krystalů a kvalitu krystalů, takže je nutné vytvořit systematickou technologii řízení teplotního pole. Ve srovnání s materiály Si spočívá rozdíl při výrobě SiC také ve vysokoteplotních procesech, jako je vysokoteplotní iontová implantace, vysokoteplotní oxidace, vysokoteplotní aktivace a proces tvrdé masky, který tyto vysokoteplotní procesy vyžadují.
Pomalý růst krystalů: rychlost růstu křemíkové krystalické tyčinky může dosáhnout 30 ~ 150 mm/h a výroba 1-3 m křemíkové krystalické tyčinky trvá pouze asi 1 den; například u křemíkové krystalické tyčinky vyrobené metodou PVT je rychlost růstu asi 0,2-0,4 mm/h, 7 dní k růstu pod 3-6 cm, rychlost růstu je menší než 1 % křemíkového materiálu, výrobní kapacita je extrémně omezená.
Vysoké parametry produktu a nízký výtěžek: mezi základní parametry substrátu SiC patří hustota mikrotubulů, hustota dislokací, měrný odpor, deformace, drsnost povrchu atd. Uspořádání atomů v uzavřené vysokoteplotní komoře a dokončení růstu krystalů za současného řízení indexů parametrů je složité systémové inženýrství.
Materiál má vysokou tvrdost, vysokou křehkost, dlouhou dobu řezání a vysoké opotřebení: Mohsova tvrdost SiC 9,25 je druhá hned po diamantu, což vede k výraznému zvýšení obtížnosti řezání, broušení a leštění a nařezání 35–40 kusů ingotu o tloušťce 3 cm trvá přibližně 120 hodin. Kromě toho je kvůli vysoké křehkosti SiC opotřebení při zpracování destiček větší a výstupní poměr je pouze asi 60 %.
Trend vývoje: Zvětšení velikosti + pokles ceny
Globální trh s 6palcovými výrobními linkami SiC dozrává a přední společnosti vstoupily na trh s 8palcovými destičkami. Domácí vývojové projekty se zaměřují především na 6palcové destičky. V současné době se sice většina domácích společností stále opírá o 4palcové výrobní linky, ale odvětví se postupně rozšiřuje na 6palcové destičky. S rozvojem technologie podpůrného zařízení pro 6palcové destičky se postupně zlepšuje i domácí technologie SiC substrátů, což se projeví v úsporách z rozsahu velkovýrobních linek a současný časový rozdíl mezi domácí hromadnou výrobou 6palcových destiček se zkrátil na 7 let. Větší velikost destičky může vést ke zvýšení počtu jednotlivých čipů, zlepšení výtěžnosti a snížení podílu hranových čipů. Náklady na výzkum a vývoj a ztráty výtěžnosti se udrží na přibližně 7 %, čímž se zlepší využití destiček.
S konstrukcí zařízení stále existuje mnoho problémů
Komercializace SiC diod se postupně zlepšuje a v současné době řada domácích výrobců navrhla produkty SiC SBD. Produkty SiC SBD pro střední a vysoké napětí mají dobrou stabilitu. V palubním brzdovém systému vozidel se pomocí SiC SBD+SI IGBT dosahuje stabilní proudové hustoty. V současné době neexistují v Číně žádné překážky v patentovém designu produktů SiC SBD a rozdíly se zahraničím jsou malé.
SiC MOS stále čelí mnoha problémům, stále existuje mezera mezi SiC MOS a zahraničními výrobci a příslušná výrobní platforma je stále ve výstavbě. V současné době ST, Infineon, Rohm a další 600-1700V SiC MOS dosáhly masové výroby a podepsaly a dodávají smlouvy s mnoha výrobními odvětvími, zatímco současný návrh SiC MOS v tuzemsku je v podstatě dokončen, řada výrobců spolupracuje s továrnami ve fázi výroby destiček a pozdější ověření zákazníky stále vyžaduje nějaký čas, takže do velké komercializace zbývá ještě dlouhá doba.
V současné době je planární struktura hlavní volbou a v budoucnu se v oblasti vysokého tlaku široce používá příkopový typ. Výrobců planárních SiC MOS tranzistorů je mnoho, planární struktura ve srovnání s drážkou nevede k lokálním problémům s průrazem, což ovlivňuje stabilitu práce. Na trhu s napětím pod 1200 V má široké spektrum uplatnění a planární struktura je relativně jednoduchá z hlediska výroby, což splňuje dva aspekty výroby a kontroly nákladů. Drážkové zařízení má výhody extrémně nízké parazitní indukčnosti, vysoké rychlosti spínání, nízkých ztrát a relativně vysokého výkonu.
2--Novinky o SiC destičkách
Růst produkce a prodeje karbidu křemíku na trhu, věnujte pozornost strukturální nerovnováze mezi nabídkou a poptávkou
S rychlým růstem poptávky po vysokofrekvenční a výkonové elektronice se postupně objevily fyzické limity v podobě úzkého hrdla polovodičových součástek na bázi křemíku a polovodičové materiály třetí generace, reprezentované karbidem křemíku (SiC), se postupně industrializovaly. Z hlediska materiálových vlastností má karbid křemíku třikrát větší šířku zakázaného pásu než křemíkový materiál, desetkrát větší kritickou intenzitu elektrického pole a třikrát větší tepelnou vodivost, takže výkonové součástky z karbidu křemíku jsou vhodné pro vysokofrekvenční, vysokotlaké, vysokoteplotní a další aplikace a pomáhají zlepšit účinnost a hustotu výkonu výkonových elektronických systémů.
V současné době se na trhu postupně objevují SiC diody a SiC MOSFETy a existují vyspělejší produkty, mezi nimiž se SiC diody v některých oblastech široce používají místo křemíkových diod, protože nemají výhodu zpětného nabíjení; SiC MOSFET se také postupně používá v automobilovém průmyslu, skladování energie, nabíjecích článkech, fotovoltaice a dalších oblastech; v oblasti automobilových aplikací se stále více projevuje trend modularizace a pro dosažení vynikajícího výkonu SiC je nutné spoléhat se na pokročilé procesy balení. Technicky s relativně vyspělým těsněním pláště jako hlavním proudem je budoucnost vývoje plastového těsnění, jehož individuální vývojové vlastnosti jsou vhodnější pro SiC moduly.
Rychlost poklesu ceny karbidu křemíku, nebo za hranicemi představivosti
Použití součástek z karbidu křemíku je omezeno především vysokou cenou. Cena SiC MOSFETu na stejné úrovni je čtyřikrát vyšší než cena IGBT na bázi křemíku. Je to proto, že proces výroby karbidu křemíku je složitý. Růst monokrystalů a epitaxe je nejen negativní pro životní prostředí, ale také pomalý. Zpracování monokrystalů do substrátu musí projít procesem řezání a leštění. Vzhledem k vlastnostem materiálu a nezralé technologii zpracování je výtěžnost domácího substrátu nižší než 50 % a různé faktory vedou k vysokým cenám substrátů a epitaxe.
Složení nákladů u zařízení z karbidu křemíku a zařízení na bázi křemíku je však diametrálně odlišné. Náklady na substrát a epitaxní systém předního kanálu tvoří 47 %, respektive 23 % z celkové ceny zařízení, celkem tedy přibližně 70 %. Náklady na konstrukci, výrobu a těsnění zadního kanálu tvoří pouze 30 %. Výrobní náklady na zařízení na bázi křemíku se s přibližně 50 % soustředí hlavně na výrobu destiček zadního kanálu a náklady na substrát tvoří pouze 7 %. Fenomén obrácené hodnoty řetězce v průmyslu karbidu křemíku znamená, že výrobci epitaxních substrátů mají hlavní slovo, což je klíčem k uspořádání domácích i zahraničních podniků.
Z dynamického hlediska trhu vede snížení nákladů na karbid křemíku, kromě zlepšení procesu dlouhých krystalů a řezání karbidu křemíku, k rozšíření velikosti destičky, což je v minulosti také zralá cesta vývoje polovodičů. Data společnosti Wolfspeed ukazují, že upgrade substrátu karbidu křemíku z 6 palců na 8 palců může zvýšit produkci kvalifikovaných čipů o 80–90 % a pomoci zlepšit výtěžnost. Může snížit kombinované jednotkové náklady o 50 %.
Rok 2023 je známý jako „první rok 8palcového karbidu křemíku“. V tomto roce domácí i zahraniční výrobci karbidu křemíku urychlují plánování 8palcových karbidů křemíku. Například společnost Wolfspeed investovala 14,55 miliardy amerických dolarů do rozšíření výroby karbidu křemíku. Důležitou součástí je výstavba závodu na výrobu 8palcových substrátů SiC. Aby byla zajištěna budoucí dodávka holého kovu SiC o tloušťce 200 mm pro řadu společností, společnosti Domestic Tianyue Advanced a Tianke Heda také podepsaly dlouhodobé smlouvy se společností Infineon na dodávky 8palcových substrátů z karbidu křemíku v budoucnu.
Podle výzkumných dat společnosti Ji Bond Consulting se od letošního roku zrychlí růst karbidu křemíku z 6 palců na 8 palců. Společnost Wolfspeed očekává, že do roku 2024 se cena jednotkového čipu pro 8palcový substrát sníží o více než 60 % v porovnání s cenou jednotkového čipu pro 6palcový substrát v roce 2022 a tento pokles dále otevře trh s aplikacemi. Současný tržní podíl 8palcových produktů je méně než 2 % a očekává se, že do roku 2026 vzroste na přibližně 15 %.
Ve skutečnosti tempo poklesu ceny substrátu z karbidu křemíku může překonat představivost mnoha lidí. Současná tržní nabídka 6palcového substrátu je 4 000–5 000 juanů za kus, což ve srovnání se začátkem roku výrazně kleslo a očekává se, že v příštím roce klesne pod 4 000 juanů. Stojí za zmínku, že někteří výrobci, aby se dostali na první místo na trhu, snížili prodejní cenu na úroveň nákladů. Zahájili tak model cenové války, která se soustředí především na dodávky substrátů z karbidu křemíku, které jsou relativně dostatečné v oblasti nízkého napětí. Domácí i zahraniční výrobci agresivně rozšiřují výrobní kapacitu nebo naopak dovolují, aby substráty z karbidu křemíku byly přeplněné dříve, než si představovali.
Čas zveřejnění: 19. ledna 2024