Johdatus piikarbidiin
Piikarbidi (SiC) on hiilestä ja piistä koostuva yhdistetty puolijohdemateriaali, joka on yksi ihanteellisista materiaaleista korkean lämpötilan, korkeataajuisten, suurtehoisten ja korkeajännitteisten laitteiden valmistukseen. Perinteiseen piimateriaaliin (Si) verrattuna piikarbidin kaistaväli on kolminkertainen piihin verrattuna. Lämmönjohtavuus on 4–5 kertaa piihin verrattuna. Läpäisyjännite on 8–10 kertaa piihin verrattuna. Elektroninen saturaatioajonopeus on 2–3 kertaa piihin verrattuna, mikä vastaa nykyaikaisen teollisuuden tarpeisiin suurteho-, korkeajännite- ja korkeataajuuksien suhteen. Sitä käytetään pääasiassa suurnopeuksisten, suurtaajuisten, tehokkaiden ja valoa emittoivien elektronisten komponenttien valmistukseen. Loppupään sovellusalueita ovat älykkäät sähköverkot, uudet energialähteet, aurinkosähkö, 5G-viestintä jne. Piikarbididiodeja ja MOSFET-transistoreita on käytetty kaupallisesti.
Korkea lämmönkestävyys. Piikarbidin energiavälin leveys on 2–3 kertaa piin verrattuna, elektronit eivät siirry helposti korkeissa lämpötiloissa ja kestävät korkeampia käyttölämpötiloja. Piikarbidin lämmönjohtavuus on 4–5 kertaa piin verrattuna, mikä helpottaa laitteen lämmöntuottoa ja nostaa käyttölämpötilan rajaa. Korkean lämpötilan kestävyys voi merkittävästi lisätä tehotiheyttä ja samalla vähentää jäähdytysjärjestelmän vaatimuksia, mikä tekee liittimestä kevyemmän ja pienemmän.
Kestää korkeaa painetta. Piikarbidin läpilyöntikentän voimakkuus on 10 kertaa suurempi kuin piin, joten se kestää suurempia jännitteitä ja soveltuu paremmin korkeajännitteisiin laitteisiin.
Korkean taajuuden vastus. Piikarbidin kyllästyneiden elektronien ajautumisnopeus on kaksinkertainen piihin verrattuna, minkä seurauksena virran loppumista ei tapahdu sammutusprosessin aikana, mikä voi tehokkaasti parantaa laitteen kytkentätaajuutta ja toteuttaa laitteen pienentämisen.
Pieni energiahäviö. Piikarbidilla on erittäin pieni kytkentäresistanssi ja -häviö verrattuna piimateriaaliin. Samalla piikarbidin suuri energiaväli vähentää huomattavasti vuotovirtaa ja tehohäviötä. Lisäksi piikarbidilaitteessa ei ole virran jälkiilmiötä sammutusprosessin aikana, ja kytkentähäviö on pieni.
Piikarbiditeollisuuden ketju
Se sisältää pääasiassa substraatin, epitaksian, laitteen suunnittelun, valmistuksen, tiivistyksen ja niin edelleen. Piikarbidi materiaalista puolijohdeteholaitteeseen käy läpi yksittäisten kiteiden kasvun, harkon viipaloinnin, epitaksiaalisen kasvun, kiekon suunnittelun, valmistuksen, pakkaamisen ja muita prosesseja. Piikarbidijauheen synteesin jälkeen valmistetaan ensin piikarbidiharkko, ja sitten piikarbidisubstraatti saadaan viipaloimalla, jauhamalla ja kiillottamalla, ja epitaksiaalinen levy saadaan epitaksiaalisella kasvulla. Epitaksiaalinen kiekko valmistetaan piikarbidista litografian, syövytyksen, ioni-istutuksen, metallin passivoinnin ja muiden prosessien avulla, kiekko leikataan muotiksi, laite pakataan ja laite yhdistetään erityiseksi kuoreksi ja kootaan moduuliksi.
Teollisuusketjun 1 ylävirta: substraatti - kiteen kasvu on prosessin ydinosa
Piikarbidisubstraatti muodostaa noin 47 % piikarbidilaitteiden kustannuksista, ja sen suurimmat valmistustekniset esteet ja arvo ovat piikarbidin tulevan laajamittaisen teollistumisen ydin.
Sähkökemiallisten ominaisuuksien erojen näkökulmasta piikarbidisubstraattimateriaalit voidaan jakaa johtaviin substraatteihin (resistiivisyysalue 15–30 mΩ·cm) ja puolieristettyihin substraatteihin (resistiivisyys yli 105 Ω·cm). Näitä kahta substraattityyppiä käytetään erillisten laitteiden, kuten teholaitteiden ja radiotaajuuslaitteiden, valmistukseen epitaksiaalisen kasvatuksen jälkeen. Näistä puolieristettyä piikarbidisubstraattia käytetään pääasiassa galliumnitridi-RF-laitteiden, valosähköisten laitteiden jne. valmistuksessa. Kasvattamalla gan-epitaksiaalinen kerros puolieristetylle SIC-substraatille valmistetaan sic-epitaksiaalinen levy, jota voidaan edelleen valmistaa HEMT-gan-isonitridi-RF-laitteiksi. Johtavaa piikarbidisubstraattia käytetään pääasiassa teholaitteiden valmistuksessa. Toisin kuin perinteisessä piikarbiditeholaitteiden valmistusprosessissa, piikarbiditeholaitetta ei voida valmistaa suoraan piikarbidisubstraatille, piikarbidiepitaksiaalikerros on kasvatettava johtavalle substraatille piikarbidiepitaksiaalilevyn saamiseksi, ja epitaksiaalikerros valmistetaan Schottky-diodilla, MOSFETillä, IGBT:llä ja muilla teholaitteilla.
Piikarbidijauhe syntetisoitiin erittäin puhtaasta hiilijauheesta ja erittäin puhtaasta piijauheesta, ja erikokoisia piikarbidiharkkoja kasvatettiin erityisessä lämpötilakentässä, ja sitten piikarbidisubstraatti valmistettiin useiden prosessointiprosessien avulla. Ydinprosessi sisältää:
Raaka-aineiden synteesi: Erittäin puhdasta piijauhetta ja väriainetta sekoitetaan kaavan mukaisesti, ja reaktio suoritetaan reaktiokammiossa yli 2000 °C:n lämpötilassa tietyn kidetyypin ja hiukkaskoon omaavien piikarbidihiukkasten syntetisoimiseksi. Sitten murskaus, seulonta, puhdistus ja muut prosessit suoritetaan erittäin puhtaiden piikarbidijauheraaka-aineiden vaatimusten täyttämiseksi.
Kiteenkasvatus on piikarbidisubstraatin valmistuksen ydinprosessi, joka määrittää piikarbidisubstraatin sähköiset ominaisuudet. Tällä hetkellä tärkeimmät kiteenkasvatusmenetelmät ovat fysikaalinen höyrynsiirto (PVT), korkean lämpötilan kemiallinen höyrypinnoitus (HT-CVD) ja nestefaasiepitaksi (LPE). Näistä PVT-menetelmä on tällä hetkellä SiC-substraatin kaupallisen kasvun valtavirtamenetelmä, jolla on korkein tekninen kypsyysaste ja jota käytetään laajimmin tekniikassa.
SiC-substraatin valmistus on vaikeaa, mikä johtaa sen korkeaan hintaan
Lämpötilakentän hallinta on vaikeaa: Si-kidetangon kasvuun tarvitaan vain 1500 ℃, kun taas SiC-kidetangon kasvuun tarvitaan yli 2000 ℃:n lämpötila. SiC-isomeerejä on yli 250. Mutta teholaitteiden valmistuksessa käytettävä pääasiallinen 4H-SiC-yksittäiskiderakenne saa, ellei tarkkaa hallintaa tehdä, muita kiderakenteita. Lisäksi upokkaan lämpötilagradientti määrää SiC:n sublimaatiosiirtymän nopeuden sekä kaasumaisten atomien järjestelyn ja kasvutavan kiderajapinnalla, mikä vaikuttaa kiteen kasvunopeuteen ja kiteen laatuun. Siksi on tarpeen muodostaa systemaattinen lämpötilakentän hallintatekniikka. Si-materiaaleihin verrattuna SiC:n tuotannon ero on myös korkean lämpötilan prosesseissa, kuten korkean lämpötilan ioni-istutuksessa, korkean lämpötilan hapetuksessa, korkean lämpötilan aktivaatiossa ja näiden korkean lämpötilan prosessien vaatimassa kovan maskin prosessissa.
Hidas kiteen kasvu: piikidetangon kasvunopeus voi olla 30–150 mm/h, ja 1–3 m:n piikidetangon tuotanto kestää vain noin yhden päivän; esimerkiksi PVT-menetelmällä valmistetun piikarbidikidetangon kasvunopeus on noin 0,2–0,4 mm/h, alle 3–6 cm kasvuun kuluu 7 päivää, kasvunopeus on alle 1 % piimateriaalista, ja tuotantokapasiteetti on erittäin rajallinen.
Korkeat tuoteparametrit ja alhainen saanto: piikarbidi-substraatin ydinparametreja ovat mikrotubulusten tiheys, dislokaatiotiheys, resistiivisyys, vääntyminen, pinnan karheus jne. Atomien järjestäminen suljettuun korkean lämpötilan kammioon ja kiteen kasvun loppuun saattaminen samalla, kun parametri-indeksejä hallitaan, on monimutkainen järjestelmäsuunnittelu.
Materiaalilla on korkea kovuus, hauraus, pitkä leikkausaika ja korkea kulumiskestävyys: piikarbidin Mohsin kovuus 9,25 on toiseksi paras heti timantin jälkeen, mikä johtaa merkittävään leikkauksen, hiomisen ja kiillotuksen vaikeuden kasvuun. 3 cm paksun harkon 35–40 kappaleen leikkaaminen kestää noin 120 tuntia. Lisäksi piikarbidin korkean haurauden vuoksi kiekkojen prosessointikuluminen on suurempaa ja tuotantosuhde on vain noin 60 %.
Kehitystrendi: Koon kasvu + hinnan lasku
Maailmanlaajuisten piikarbidimarkkinoiden 6-tuumaisten tuotantolinjojen kypsyminen on käynnissä, ja johtavat yritykset ovat tulleet 8-tuumaisten markkinoille. Kotimaiset kehityshankkeet keskittyvät pääasiassa 6-tuumaisiin linjoihin. Tällä hetkellä useimmat kotimaiset yritykset käyttävät edelleen 4-tuumaisia tuotantolinjoja, mutta teollisuus laajenee vähitellen 6-tuumaisiin linjoihin. 6-tuumaisten tukilaitteiden teknologian kypsymisen myötä myös kotimainen piikarbidi-alustateknologia paranee vähitellen, mikä heijastuu suurten tuotantolinjojen mittakaavaetuihin, ja nykyinen kotimainen 6-tuumaisten massatuotantojen aikaero on kaventunut 7 vuoteen. Suurempi kiekkokoko voi lisätä yksittäisten sirujen määrää, parantaa saantoa ja vähentää reunasirujen osuutta. Tutkimus- ja kehityskustannukset sekä saantohäviöt pysyvät noin 7 prosentissa, mikä parantaa kiekkojen käyttöastetta.
Laitteiden suunnittelussa on edelleen paljon vaikeuksia
Piikarbidiodien kaupallistaminen on vähitellen parantunut, ja tällä hetkellä useat kotimaiset valmistajat ovat suunnitelleet piikarbidi-SBD-tuotteita. Keski- ja korkeajännitteisillä piikarbidi-SBD-tuotteilla on hyvä stabiilius. Ajoneuvojen OBC-järjestelmissä piikarbidi-SBD + SI IGBT -yhdistettä käytetään vakaan virrantiheyden saavuttamiseksi. Tällä hetkellä piikarbidi-SBD-tuotteiden patenttisuunnittelulle ei ole esteitä Kiinassa, ja ero ulkomaisiin maihin on pieni.
Piikarbidi-MOS:lla on edelleen monia vaikeuksia, piikarbidi-MOS:n ja ulkomaisten valmistajien välillä on edelleen kuilu, ja asiaankuuluva valmistusalusta on vielä rakenteilla. Tällä hetkellä ST, Infineon, Rohm ja muut 600–1700 V:n piikarbidi-MOS:t ovat saavuttaneet massatuotannon ja allekirjoittaneet ja toimittaneet sopimuksia monille valmistaville teollisuudenaloille, kun taas nykyinen kotimainen piikarbidi-MOS:n suunnittelu on pohjimmiltaan valmis, useat suunnitteluvalmistajat työskentelevät kiekkojen virtausvaiheessa olevien tehtaiden kanssa, ja myöhempi asiakasvahvistus vie vielä jonkin aikaa, joten laajamittaiseen kaupallistamiseen on vielä pitkä aika.
Tällä hetkellä tasomainen rakenne on valtavirtavalinta, ja tulevaisuudessa uratyyppiä käytetään laajalti korkeapainekentässä. Tasomaisen SiC MOS -rakenteen valmistajia on paljon, mutta tasomainen rakenne ei ole helposti tuotettava paikallisia rikkoutumisongelmia verrattuna uramaiseen rakenteeseen, mikä vaikuttaa työn vakauteen. Alle 1200 V:n markkinoilla sillä on laaja sovellusalue, ja tasomainen rakenne on suhteellisen yksinkertainen valmistuksen kannalta, mikä täyttää kaksi valmistettavuus- ja kustannushallintavaatimusta. Uramallin etuna on erittäin alhainen loisinduktanssi, nopea kytkentänopeus, pieni häviö ja suhteellisen korkea suorituskyky.
2--SiC-kiekkojen uutiset
Piikarbidimarkkinoiden tuotannon ja myynnin kasvu, kiinnitä huomiota tarjonnan ja kysynnän väliseen rakenteelliseen epätasapainoon
Korkeataajuisten ja suuritehoisten tehoelektroniikan markkinoiden kysynnän nopean kasvun myötä piipohjaisten puolijohdelaitteiden fyysinen pullonkaula on vähitellen tullut näkyväksi, ja piikarbidin (SiC) edustamat kolmannen sukupolven puolijohdemateriaalit ovat vähitellen teollistuneet. Materiaalin suorituskyvyn kannalta piikarbidilla on kolminkertainen energiaväli piimateriaaliin verrattuna, 10-kertainen kriittinen läpilyöntikentän voimakkuus ja kolminkertainen lämmönjohtavuus, joten piikarbiditeholaitteet soveltuvat korkeataajuisiin, korkeapaineisiin, korkeisiin lämpötiloihin ja muihin sovelluksiin, ja ne auttavat parantamaan tehoelektroniikkajärjestelmien hyötysuhdetta ja tehotiheyttä.
Tällä hetkellä piikarbidiodit ja piikarbidi-MOSFETit ovat vähitellen siirtyneet markkinoille, ja on olemassa kypsempiä tuotteita, joista piikarbidiodit ovat laajalti käytössä piipohjaisten diodien sijaan joillakin aloilla, koska niillä ei ole käänteisen palautuslatauksen etua. Piikarbidi-MOSFETiä käytetään myös vähitellen autoteollisuudessa, energian varastoinnissa, latauspaaluissa, aurinkosähkössä ja muilla aloilla. Autoteollisuuden sovelluksissa modularisoinnin trendi on yhä selvempi, ja piikarbidin erinomaisen suorituskyvyn saavuttamiseksi on perustuttava edistyneisiin pakkausprosesseihin. Teknisesti suhteellisen kypsä kuoren tiivistys on yhtä suosittu kuin valtavirran, tulevaisuuden tai muovitiivisteiden kehitys, ja sen räätälöidyt kehitysominaisuudet sopivat paremmin piikarbidimoduuleille.
Piikarbidin hinnan laskunopeus tai mielikuvituksen ulkopuolella
Piikarbidilaitteiden käyttöä rajoittaa pääasiassa korkea hinta. Samalla tasolla piikarbidi-MOSFETin hinta on neljä kertaa korkeampi kuin piipohjaisen IGBT:n. Tämä johtuu piikarbidin monimutkaisesta prosessista, jossa yksittäisten kiteiden kasvu ja epitaksiaalinen prosessi ovat ympäristöystävällisiä, ja kasvuvauhti on hidas. Yksittäisten kiteiden käsittely substraatiksi vaatii leikkaus- ja kiillotusprosessin. Materiaalin ominaisuuksien ja kehittymättömän prosessointitekniikan ansiosta kotimaisen substraatin saanto on alle 50 %, ja useat tekijät johtavat korkeisiin substraatti- ja epitaksiaalisiin hintoihin.
Piikarbidilaitteiden ja piipohjaisten laitteiden kustannuskoostumus on kuitenkin täysin päinvastainen: etukanavan substraatti- ja epitaksiaalikustannukset muodostavat 47 % ja 23 % koko laitteesta, yhteensä noin 70 %. Takakanavan laitesuunnittelu, valmistus ja tiivistyslinkit muodostavat vain 30 %. Piipohjaisten laitteiden tuotantokustannukset keskittyvät pääasiassa takakanavan kiekkojen valmistukseen, noin 50 %, ja substraattikustannukset ovat vain 7 %. Piikarbiditeollisuuden ketjun arvon ylösalaisin kääntyminen tarkoittaa, että ylävirran substraatti-epitaksiaalivalmistajilla on keskeinen puheoikeus, mikä on avain kotimaisten ja ulkomaisten yritysten suunnitteluun.
Markkinoiden dynaamisesta näkökulmasta piikarbidin kustannusten alentaminen piikarbidin pitkien kiteiden ja viipalointiprosessin parantamisen lisäksi laajentaa kiekkojen kokoa, mikä on myös ollut puolijohdekehityksen kypsä polku aiemmin. Wolfspeedin tiedot osoittavat, että piikarbidisubstraatin päivittäminen 6 tuumasta 8 tuumaan voi lisätä pätevien sirujen tuotantoa 80–90 % ja parantaa saantoa. Yhdistettyjä yksikkökustannuksia voidaan alentaa 50 %.
Vuosi 2023 tunnetaan nimellä "8-tuumainen piikarbidi" (SiC) -ensimmäinen vuosi". Tänä vuonna kotimaiset ja ulkomaiset piikarbidivalmistajat kiihdyttävät 8-tuumaisen piikarbidin asettelua. Esimerkiksi Wolfspeed investoi mielettömästi 14,55 miljardia Yhdysvaltain dollaria piikarbidituotannon laajentamiseen. Tärkeä osa tästä on 8-tuumaisen piikarbidisubstraattitehtaan rakentaminen. Varmistaakseen 200 mm:n piikarbidipaljaan metallin toimitukset useille yrityksille tulevaisuudessa, myös kotimaiset Tianyue Advanced ja Tianke Heda ovat allekirjoittaneet pitkäaikaiset sopimukset Infineonin kanssa 8-tuumaisten piikarbidisubstraattien toimittamisesta tulevaisuudessa.
Piikarbidin paksuuden odotetaan kasvavan tästä vuodesta alkaen 6 tuumasta 8 tuumaan. Wolfspeed odottaa, että vuoteen 2024 mennessä 8 tuuman alustan yksikköhinta laskee yli 60 % verrattuna 6 tuuman alustan yksikköhintaan vuonna 2022. Ji Bond Consultingin tutkimustietojen mukaan kustannusten lasku avaa sovellusmarkkinoita entisestään. 8 tuuman tuotteiden nykyinen markkinaosuus on alle 2 %, ja markkinaosuuden odotetaan kasvavan noin 15 prosenttiin vuoteen 2026 mennessä.
Itse asiassa piikarbidisubstraatin hinnan laskuvauhti saattaa ylittää monien ihmisten mielikuvituksen. 6-tuumaisen substraatin nykyinen markkinatarjonta on 4000–5000 yuania/kpl. Vuoden alkuun verrattuna hinta on laskenut paljon ja sen odotetaan laskevan alle 4000 yuanin ensi vuonna. On syytä huomata, että jotkut valmistajat ovat päästäkseen ensimmäisille markkinoille laskeneet myyntihintaa kustannusrajan alapuolelle. Hintakilpailun avausmalli keskittyi pääasiassa piikarbidisubstraatin tarjontaan, joka on ollut suhteellisen riittävä pienjännitealalla. Kotimaiset ja ulkomaiset valmistajat laajentavat tuotantokapasiteettiaan aggressiivisesti tai antavat piikarbidisubstraatin ylitarjonnan kehittyä aiemmin kuin on kuviteltu.
Julkaisun aika: 19. tammikuuta 2024