Įvadas į silicio karbidą
Silicio karbidas (SiC) yra sudėtinė puslaidininkinė medžiaga, sudaryta iš anglies ir silicio, kuri yra viena iš idealiausių medžiagų aukštos temperatūros, aukšto dažnio, didelės galios ir aukštos įtampos įtaisams gaminti. Palyginti su tradicine silicio medžiaga (Si), silicio karbido draudžiamoji zona yra 3 kartus didesnė nei silicio. Šilumos laidumas yra 4–5 kartus didesnis nei silicio; pramušimo įtampa yra 8–10 kartų didesnė nei silicio; elektroninio soties dreifo greitis yra 2–3 kartus didesnis nei silicio, todėl tai atitinka šiuolaikinės pramonės didelės galios, aukštos įtampos ir aukšto dažnio poreikius. Jis daugiausia naudojamas didelės spartos, aukšto dažnio, didelės galios ir šviesą skleidžiantiems elektroniniams komponentams gaminti. Tolesnės taikymo sritys apima išmaniuosius tinklus, naujos energijos transporto priemones, fotovoltinę vėjo energiją, 5G ryšį ir kt. Silicio karbido diodai ir MOSFET tranzistoriai buvo naudojami komerciniais tikslais.
Atsparumas aukštai temperatūrai. Silicio karbido draudžiamosios juostos plotis yra 2–3 kartus didesnis nei silicio, elektronai sunkiai pereina aukštoje temperatūroje ir gali atlaikyti aukštesnę darbinę temperatūrą, o silicio karbido šilumos laidumas yra 4–5 kartus didesnis nei silicio, todėl įrenginys lengviau išsklaido šilumą ir pasiekia aukštesnę darbinę temperatūrą. Atsparumas aukštai temperatūrai gali žymiai padidinti galios tankį, tuo pačiu sumažinant aušinimo sistemos reikalavimus, todėl terminalas tampa lengvesnis ir mažesnis.
Atlaiko aukštą slėgį. Silicio karbido elektrinio lauko stiprumas yra 10 kartų didesnis nei silicio, todėl jis gali atlaikyti aukštesnę įtampą ir labiau tinka aukštos įtampos įtaisams.
Aukšto dažnio varža. Silicio karbido sočiųjų elektronų dreifo greitis yra dvigubai didesnis nei silicio, todėl išjungimo proceso metu nėra srovės nuotėkio, o tai gali efektyviai pagerinti įrenginio perjungimo dažnį ir sumažinti įrenginį.
Maži energijos nuostoliai. Palyginti su silicio medžiaga, silicio karbidas pasižymi labai maža įjungimo varža ir mažais įjungimo nuostoliais. Tuo pačiu metu didelė silicio karbido draudžiama plotis labai sumažina nuotėkio srovę ir galios nuostolius. Be to, silicio karbido įtaisas išjungimo proceso metu neturi srovės slinkimo reiškinio, todėl perjungimo nuostoliai yra maži.
Silicio karbido pramonės grandinė
Tai daugiausia apima substratą, epitaksiją, įrenginio projektavimą, gamybą, sandarinimą ir kt. Silicio karbidas nuo medžiagos iki puslaidininkinio maitinimo įrenginio bus auginamas monokristalais, pjaustomas luitais, epitaksiškai auginamas, plokštelių projektuojamas, gaminamas, pakuojamas ir kitais procesais. Po silicio karbido miltelių sintezės pirmiausia pagaminamas silicio karbido luitas, o tada pjaustant, šlifuojant ir poliruojant gaunamas silicio karbido substratas, o epitaksiškai auginant gaunamas epitaksinis lakštas. Epitaksinė plokštelė gaminama iš silicio karbido litografijos, ėsdinimo, jonų implantavimo, metalo pasyvavimo ir kitais procesais, plokštelė supjaustoma į matricą, įrenginys supakuojamas, o įrenginys sujungiamas į specialų korpusą ir surenkamas į modulį.
Pramonės grandinės 1-oji grandis: substratas – kristalų augimas yra pagrindinė proceso grandis
Silicio karbido substratas sudaro apie 47 % silicio karbido įtaisų kainos, o didžiausios gamybos techninės kliūtys ir didžiausia vertė yra būsimos didelio masto SiC industrializacijos pagrindas.
Elektrocheminių savybių skirtumų požiūriu, silicio karbido substrato medžiagas galima suskirstyti į laidžius substratus (varžos sritis 15–30 mΩ·cm) ir pusiau izoliuotus substratus (varža didesnė nei 105 Ω·cm). Šie du substratų tipai naudojami atskiriems įrenginiams, tokiems kaip galios įtaisai ir radijo dažnių įtaisai, gaminti po epitaksinio auginimo. Iš jų pusiau izoliuotas silicio karbido substratas daugiausia naudojamas galio nitrido RF įtaisų, fotoelektrinių įtaisų ir kt. gamyboje. Auginant gano epitaksinį sluoksnį ant pusiau izoliuoto SIC pagrindo, paruošiama SIC epitaksinė plokštė, kuri gali būti toliau apdorojama į HEMT gano izonitrido RF įtaisus. Laidus silicio karbido substratas daugiausia naudojamas galios įtaisų gamyboje. Skirtingai nuo tradicinio silicio galios įtaisų gamybos proceso, silicio karbido galios įtaisas negali būti tiesiogiai pagamintas ant silicio karbido pagrindo, silicio karbido epitaksinis sluoksnis turi būti auginamas ant laidžiojo pagrindo, kad būtų gautas silicio karbido epitaksinis sluoksnis, o epitaksinis sluoksnis gaminamas ant Schottky diodo, MOSFET, IGBT ir kitų galios įtaisų.
Silicio karbido milteliai buvo susintetinti iš didelio grynumo anglies miltelių ir didelio grynumo silicio miltelių, o skirtingo dydžio silicio karbido luitai buvo auginami specialioje temperatūros aplinkoje, o tada keliais apdorojimo procesais buvo pagamintas silicio karbido substratas. Pagrindinis procesas apima:
Žaliavos sintezė: didelio grynumo silicio milteliai ir dažai sumaišomi pagal formulę, o reakcija vykdoma reakcijos kameroje aukštoje temperatūroje, aukštesnėje nei 2000 °C, kad būtų susintetintos specifinio kristalų tipo ir dalelių dydžio silicio karbido dalelės. Tada smulkinimo, sijojimo, valymo ir kitais procesais siekiama atitikti didelio grynumo silicio karbido miltelių žaliavų reikalavimus.
Kristalų auginimas yra pagrindinis silicio karbido substrato gamybos procesas, kuris lemia silicio karbido substrato elektrines savybes. Šiuo metu pagrindiniai kristalų auginimo metodai yra fizikinis garų perdavimas (PVT), aukštos temperatūros cheminis garų nusodinimas (HT-CVD) ir skystosios fazės epitaksija (LPE). Iš jų PVT metodas šiuo metu yra pagrindinis komercinio SiC substrato auginimo metodas, pasižymintis aukščiausiu techniniu brandumu ir plačiausiai naudojamas inžinerijoje.
SiC substrato paruošimas yra sudėtingas, todėl jo kaina yra didelė.
Temperatūros lauko valdymas yra sudėtingas: Si kristalų strypams auginti reikia tik 1500 ℃, o SiC kristalams auginti reikia aukštesnės nei 2000 ℃ temperatūros, ir yra daugiau nei 250 SiC izomerų, tačiau pagrindinė 4H-SiC monokristalo struktūra, skirta galios įtaisų gamybai, jei netiksliai kontroliuojama, įgaus kitas kristalines struktūras. Be to, temperatūros gradientas tiglyje lemia SiC sublimacijos perdavimo greitį ir dujinių atomų išsidėstymą bei augimo režimą kristalo sąsajoje, o tai turi įtakos kristalo augimo greičiui ir kristalo kokybei, todėl būtina sukurti sistemingą temperatūros lauko valdymo technologiją. Palyginti su Si medžiagomis, SiC gamybos skirtumas taip pat yra aukštos temperatūros procesuose, tokiuose kaip aukštos temperatūros jonų implantavimas, aukštos temperatūros oksidacija, aukštos temperatūros aktyvinimas ir kietos kaukės procesas, reikalingas šiems aukštos temperatūros procesams.
Lėtas kristalų augimas: Si kristalo strypo augimo greitis gali siekti 30–150 mm/h, o 1–3 m silicio kristalo strypo pagaminimas trunka tik apie 1 dieną; pavyzdžiui, SiC kristalo strypo, pagaminto PVT metodu, augimo greitis yra apie 0,2–0,4 mm/h, o mažiau nei 3–6 cm užauga per 7 dienas, augimo greitis yra mažesnis nei 1 % silicio medžiagos, o gamybos pajėgumai yra labai riboti.
Aukšti produkto parametrai ir mažas išeiga: pagrindiniai SiC substrato parametrai yra mikrovamzdelių tankis, dislokacijų tankis, varža, deformacija, paviršiaus šiurkštumas ir kt. Atomų išdėstymas uždaroje aukštos temperatūros kameroje ir visiškas kristalų augimas, tuo pačiu kontroliuojant parametrų indeksus, yra sudėtinga sistemų inžinerija.
Medžiaga pasižymi dideliu kietumu, trapumu, ilgu pjovimo laiku ir dideliu nusidėvėjimu: SiC kietumas pagal Mohsą, siekiantis 9,25, nusileidžia tik deimantui, todėl jį gerokai apsunkina pjovimas, šlifavimas ir poliravimas, o 3 cm storio luito 35–40 vienetų išpjovimas trunka maždaug 120 valandų. Be to, dėl didelio SiC trapumo plokštelių apdirbimo metu jos labiau nusidėvės, o našumo santykis siekia tik apie 60 %.
Vystymosi tendencija: Dydžio padidėjimas + kainos sumažėjimas
Pasaulinės SiC rinkos 6 colių tūrio gamybos linija bręsta, o pirmaujančios įmonės įžengė į 8 colių rinką. Vietiniai plėtros projektai daugiausia skirti 6 coliams. Šiuo metu, nors dauguma vietinių įmonių vis dar naudoja 4 colių gamybos linijas, pramonė palaipsniui plečiasi iki 6 colių. Tobulėjant 6 colių pagalbinės įrangos technologijai, palaipsniui gerėja ir vietinių SiC substratų technologija, atsispindės didelių gamybos linijų masto ekonomija, o dabartinis vietinės 6 colių masinės gamybos laiko tarpas sumažėjo iki 7 metų. Didesnis plokštelių dydis gali padidinti pavienių lustų skaičių, pagerinti išeigą ir sumažinti kraštinių lustų dalį, o mokslinių tyrimų ir plėtros išlaidos bei išeigos nuostoliai išliks apie 7 %, taip pagerinant plokštelių panaudojimą.
Įrenginių projektavimas vis dar kelia daug sunkumų
SiC diodų komercializavimas palaipsniui gerėja, šiuo metu nemažai vietinių gamintojų sukūrė SiC SBD gaminius, vidutinės ir aukštos įtampos SiC SBD gaminiai pasižymi geru stabilumu, transporto priemonių OBC naudojamas SiC SBD + SI IGBT, siekiant stabilaus srovės tankio. Šiuo metu Kinijoje nėra jokių kliūčių patentuoti SiC SBD gaminius, o atotrūkis nuo užsienio šalių yra nedidelis.
SiC MOS vis dar susiduria su daugybe sunkumų, vis dar yra atotrūkis tarp SiC MOS ir užsienio gamintojų, o atitinkama gamybos platforma vis dar kuriama. Šiuo metu ST, Infineon, Rohm ir kiti 600–1700 V SiC MOS pasiekė masinę gamybą ir pasirašė bei tiekė daugeliui gamybos pramonės šakų, o dabartinis vietinis SiC MOS dizainas iš esmės yra baigtas, nemažai dizaino gamintojų dirba su gamyklomis plokštelių srauto etape, o vėlesniam klientų patikrinimui dar reikia šiek tiek laiko, todėl iki didelio masto komercializavimo dar reikia daug laiko.
Šiuo metu plokštuminė struktūra yra pagrindinis pasirinkimas, o ateityje tranšėjinis tipas bus plačiai naudojamas aukšto slėgio srityje. Plokščios struktūros SiC MOS gamintojų yra daug, plokštuminė struktūra nesukelia vietinių gedimų, palyginti su grioveliniu, o tai turi įtakos darbo stabilumui. Rinkoje, esant žemesnei nei 1200 V įtampai, ji turi platų pritaikymo spektrą, o plokštuminė struktūra yra gana paprasta gamybos požiūriu, kad atitiktų du gamybos ir sąnaudų kontrolės aspektus. Griovelio įtaisas turi itin mažo parazitinio induktyvumo, greito perjungimo greičio, mažų nuostolių ir gana didelio našumo privalumus.
2. SiC plokštelių naujienos
Silicio karbido rinkos gamybos ir pardavimų augimas, atkreipkite dėmesį į struktūrinį pasiūlos ir paklausos disbalansą
Sparčiai augant aukšto dažnio ir didelės galios galios elektronikos rinkos paklausai, silicio pagrindu pagamintų puslaidininkinių įtaisų fizinės ribos palaipsniui išryškėjo, o trečiosios kartos puslaidininkinės medžiagos, kurias reprezentuoja silicio karbidas (SiC), palaipsniui tapo industrializuotos. Kalbant apie medžiagų eksploatacines savybes, silicio karbidas turi 3 kartus didesnį draudžiamosios juostos plotį nei silicio medžiaga, 10 kartų didesnį kritinio pramušimo elektrinio lauko stiprį ir 3 kartus didesnį šilumos laidumą, todėl silicio karbido galios įtaisai tinka aukšto dažnio, aukšto slėgio, aukštos temperatūros ir kitoms reikmėms, padeda pagerinti galios elektronikos sistemų efektyvumą ir galios tankį.
Šiuo metu SiC diodai ir SiC MOSFET tranzistoriai palaipsniui pateko į rinką, atsirado brandesnių produktų, tarp kurių kai kuriose srityse SiC diodai plačiai naudojami vietoj silicio diodų, nes jie neturi atvirkštinio įkrovimo pranašumo; SiC MOSFET tranzistorius taip pat palaipsniui naudojamas automobilių pramonėje, energijos kaupimo, įkrovimo, fotovoltinių ir kitose srityse; automobilių pramonėje vis labiau ryškėja modularizacijos tendencija, o norint pasiekti geresnį SiC našumą, reikia pagrįsti pažangiais pakavimo procesais, techniškai su gana brandžiu korpuso sandarinimu, kuris yra pagrindinis, ateities ar plastikinių sandariklių kūrimo etapas, o jo individualiai pritaikytos kūrimo charakteristikos labiau tinka SiC moduliams.
Silicio karbido kainos kritimo greitis arba ne tik įsivaizduojamas
Silicio karbido įtaisų taikymą daugiausia riboja didelė kaina, SiC MOSFET kaina tame pačiame lygyje yra 4 kartus didesnė nei Si pagrindu pagamintų IGBT. Taip yra dėl sudėtingo silicio karbido proceso, kuriame monokristalo augimas ir epitaksinis efektas yra ne tik kenksmingi aplinkai, bet ir lėtas augimo greitis, o monokristalo perdirbimas į substratą turi būti pjaustomas ir poliruojamas. Atsižvelgiant į pačios medžiagos savybes ir nesubrendusią apdorojimo technologiją, vietinio substrato išeiga yra mažesnė nei 50 %, o įvairūs veiksniai lemia dideles substrato ir epitaksinio efekto kainas.
Tačiau silicio karbido įtaisų ir silicio pagrindu pagamintų įtaisų sąnaudų sudėtis yra diametraliai priešinga: priekinio kanalo substrato ir epitaksijos sąnaudos sudaro atitinkamai 47 % ir 23 % viso įrenginio, iš viso apie 70 %, įrenginio projektavimas, gamyba ir galinio kanalo sandarinimo jungčių sąnaudos sudaro tik 30 %, silicio pagrindu pagamintų įtaisų gamybos sąnaudos daugiausia sutelktos galinio kanalo plokštelių gamyboje – apie 50 %, o substrato sąnaudos sudaro tik 7 %. Silicio karbido pramonės grandinės vertės apvertimo reiškinys reiškia, kad pradinės grandies substrato epitaksijos gamintojai turi pagrindinę teisę pasisakyti, o tai yra raktas į vietinių ir užsienio įmonių išdėstymą.
Dinamiškai žvelgiant iš rinkos perspektyvos, silicio karbido kainos mažinimas, be silicio karbido ilgųjų kristalų ir pjaustymo proceso tobulinimo, reiškia plokštelių dydžio padidinimą, kuris taip pat yra brandus puslaidininkių vystymosi kelias praeityje. „Wolfspeed“ duomenys rodo, kad atnaujinus silicio karbido substratą nuo 6 colių iki 8 colių, kvalifikuotų lustų gamyba gali padidėti 80–90 %, o tai gali padėti pagerinti derlių. Bendra vieneto kaina gali sumažėti 50 %.
2023-ieji yra žinomi kaip „8 colių SiC pirmieji metai“. Šiais metais vietiniai ir užsienio silicio karbido gamintojai spartina 8 colių silicio karbido išdėstymą, pavyzdžiui, „Wolfspeed“ investavo 14,55 mlrd. JAV dolerių į silicio karbido gamybos plėtrą, kurios svarbi dalis yra 8 colių SiC substrato gamyklos statyba. Siekiant užtikrinti būsimą 200 mm SiC pliko metalo tiekimą daugeliui įmonių, „Tianyue Advanced“ ir „Tianke Heda“ taip pat pasirašė ilgalaikes sutartis su „Infineon“ dėl 8 colių silicio karbido substratų tiekimo ateityje.
„Ji Bond Consulting“ tyrimų duomenys rodo, kad nuo šių metų silicio karbido storis padidės nuo 6 colių iki 8 colių. „Wolfspeed“ tikisi, kad iki 2024 m. 8 colių pagrindo vieneto lustų kaina, palyginti su 6 colių pagrindo vieneto lustų kaina 2022 m., sumažės daugiau nei 60 %, o kainų mažėjimas dar labiau atvers taikymo rinką. Dabartinė 8 colių gaminių rinkos dalis yra mažesnė nei 2 %, o tikimasi, kad iki 2026 m. rinkos dalis išaugs iki maždaug 15 %.
Iš tiesų, silicio karbido substrato kainos mažėjimo tempas gali pranokti daugelio žmonių vaizduotę, dabartinė 6 colių substrato rinkos pasiūla yra 4000–5000 juanių už vienetą, palyginti su metų pradžia, ji labai sumažėjo, tikimasi, kad kitais metais ji nukris žemiau 4000 juanių. Verta paminėti, kad kai kurie gamintojai, siekdami patekti į pirmąją rinką, sumažino pardavimo kainą iki žemiau nurodytos savikainos linijos. Pradėjo kainų karo modelį, daugiausia dėmesio skiriant silicio karbido substrato pasiūlai, kuri žemos įtampos srityje buvo gana pakankama, o vietiniai ir užsienio gamintojai agresyviai plečia gamybos pajėgumus arba leidžia silicio karbido substrato pertekliui susidaryti anksčiau nei tikėtasi.
Įrašo laikas: 2024 m. sausio 19 d.