Einführung in Siliziumkarbid
Siliziumkarbid (SiC) ist ein Verbindungshalbleitermaterial aus Kohlenstoff und Silizium, das eines der idealen Materialien für die Herstellung von Hochtemperatur-, Hochfrequenz-, Hochleistungs- und Hochspannungsgeräten ist. Im Vergleich zum herkömmlichen Siliziummaterial (Si) ist die Bandlücke von Siliziumkarbid dreimal so groß wie die von Silizium. Die Wärmeleitfähigkeit beträgt das 4- bis 5-fache der von Silizium; Die Durchbruchspannung beträgt das 8- bis 10-fache der von Silizium; Die elektronische Sättigungsdriftrate ist zwei- bis dreimal so hoch wie die von Silizium, was den Anforderungen der modernen Industrie an hohe Leistung, hohe Spannung und hohe Frequenz entspricht. Es wird hauptsächlich für die Herstellung von Hochgeschwindigkeits-, Hochfrequenz-, Hochleistungs- und lichtemittierenden elektronischen Bauteilen verwendet. Zu den nachgelagerten Anwendungsfeldern gehören Smart Grid, neue Energiefahrzeuge, Photovoltaik-Windenergie, 5G-Kommunikation usw. Siliziumkarbiddioden und MOSFETs wurden kommerziell eingesetzt.
Hohe Temperaturbeständigkeit. Die Bandlückenbreite von Siliziumkarbid beträgt das 2- bis 3-fache der von Silizium, die Elektronen können bei hohen Temperaturen nicht leicht übertragen werden und können höheren Betriebstemperaturen standhalten. Die Wärmeleitfähigkeit von Siliziumkarbid beträgt das 4- bis 5-fache der von Silizium. Dadurch wird die Wärmeableitung des Geräts erleichtert und die Grenzbetriebstemperatur erhöht. Durch die hohe Temperaturbeständigkeit lässt sich die Leistungsdichte deutlich erhöhen und gleichzeitig die Anforderungen an das Kühlsystem reduzieren, wodurch das Terminal leichter und kleiner wird.
Hohem Druck standhalten. Die elektrische Durchschlagsfeldstärke von Siliziumkarbid ist zehnmal so hoch wie die von Silizium, das höheren Spannungen standhält und besser für Hochspannungsgeräte geeignet ist.
Hochfrequenzwiderstand. Siliziumkarbid hat eine gesättigte Elektronendriftrate, die doppelt so hoch ist wie die von Silizium, was dazu führt, dass während des Abschaltvorgangs kein Stromschwund auftritt, was die Schaltfrequenz des Geräts effektiv verbessern und die Miniaturisierung des Geräts realisieren kann.
Geringer Energieverlust. Im Vergleich zu Siliziummaterial weist Siliziumkarbid einen sehr niedrigen Einschaltwiderstand und einen geringen Einschaltverlust auf. Gleichzeitig reduziert die hohe Bandlückenbreite von Siliziumkarbid den Leckstrom und den Leistungsverlust erheblich. Darüber hinaus kommt es bei der Siliziumkarbid-Vorrichtung während des Abschaltvorgangs nicht zu einem Stromrückgang, und der Schaltverlust ist gering.
Industriekette für Siliziumkarbid
Es umfasst hauptsächlich Substrat, Epitaxie, Gerätedesign, Herstellung, Versiegelung usw. Siliziumkarbid wird vom Material bis zum Halbleiter-Leistungsbauelement Einkristallwachstum, Blockschneiden, Epitaxiewachstum, Waferdesign, Herstellung, Verpackung und andere Prozesse durchlaufen. Nach der Synthese von Siliziumkarbidpulver wird zuerst der Siliziumkarbidbarren hergestellt, dann wird das Siliziumkarbidsubstrat durch Schneiden, Schleifen und Polieren erhalten, und die Epitaxieschicht wird durch epitaktisches Wachstum erhalten. Der epitaktische Wafer wird durch Lithographie, Ätzen, Ionenimplantation, Metallpassivierung und andere Prozesse aus Siliziumkarbid hergestellt, der Wafer wird in Form geschnitten, das Gerät wird verpackt und das Gerät wird in einer speziellen Hülle kombiniert und zu einem Modul zusammengebaut.
Vor der Industriekette 1: Substrat-Kristallwachstum ist das zentrale Prozessglied
Siliziumkarbid-Substrat macht etwa 47 % der Kosten von Siliziumkarbid-Geräten aus, die höchsten technischen Hürden bei der Herstellung, der größte Wert, ist der Kern der zukünftigen groß angelegten Industrialisierung von SiC.
Aus der Perspektive der elektrochemischen Eigenschaftsunterschiede können Siliziumkarbid-Substratmaterialien in leitfähige Substrate (Widerstandsbereich 15–30 mΩ·cm) und halbisolierte Substrate (Widerstand über 105 Ω·cm) unterteilt werden. Diese beiden Arten von Substraten werden nach epitaktischem Wachstum zur Herstellung diskreter Bauelemente wie Leistungsbauelemente bzw. Hochfrequenzbauelemente verwendet. Unter diesen wird halbisoliertes Siliziumkarbidsubstrat hauptsächlich bei der Herstellung von Galliumnitrid-HF-Geräten, fotoelektrischen Geräten usw. verwendet. Durch das Aufwachsen einer Gan-Epitaxieschicht auf einem halbisolierten SIC-Substrat wird die Sic-Epitaxieplatte vorbereitet, die weiter zu HEMT-Gan-Isonitrid-HF-Geräten verarbeitet werden kann. Leitfähiges Siliziumkarbidsubstrat wird hauptsächlich bei der Herstellung von Leistungsgeräten verwendet. Anders als beim herkömmlichen Herstellungsprozess für Siliziumkarbid-Leistungsgeräte kann das Siliziumkarbid-Leistungsgerät nicht direkt auf dem Siliziumkarbid-Substrat hergestellt werden, sondern die Siliziumkarbid-Epitaxieschicht muss auf dem leitfähigen Substrat aufgewachsen werden, um die Siliziumkarbid-Epitaxieschicht und die Epitaxie zu erhalten Die Schicht wird auf der Schottky-Diode, dem MOSFET, dem IGBT und anderen Leistungsgeräten hergestellt.
Siliziumkarbidpulver wurde aus hochreinem Kohlenstoffpulver und hochreinem Siliziumpulver synthetisiert, und Siliziumkarbidbarren unterschiedlicher Größe wurden unter einem speziellen Temperaturfeld gezüchtet, und dann wurde durch mehrere Verarbeitungsprozesse ein Siliziumkarbidsubstrat hergestellt. Der Kernprozess umfasst:
Rohstoffsynthese: Das hochreine Siliziumpulver + Toner wird gemäß der Formel gemischt und die Reaktion wird in der Reaktionskammer unter Hochtemperaturbedingungen über 2000 °C durchgeführt, um die Siliziumkarbidpartikel mit einem bestimmten Kristalltyp und Partikel zu synthetisieren Größe. Anschließend werden Zerkleinerungs-, Sieb-, Reinigungs- und andere Prozesse durchgeführt, um die Anforderungen an hochreine Siliziumkarbidpulver-Rohstoffe zu erfüllen.
Das Kristallwachstum ist der Kernprozess der Siliziumkarbid-Substratherstellung, der die elektrischen Eigenschaften des Siliziumkarbid-Substrats bestimmt. Derzeit sind die Hauptmethoden für das Kristallwachstum physikalischer Dampftransfer (PVT), chemische Hochtemperatur-Gasphasenabscheidung (HT-CVD) und Flüssigphasenepitaxie (LPE). Unter diesen ist die PVT-Methode derzeit die gängige Methode für das kommerzielle Wachstum von SiC-Substraten, mit der höchsten technischen Reife und der am weitesten verbreiteten Methode im Ingenieurwesen.
Die Vorbereitung des SiC-Substrats ist schwierig, was zu einem hohen Preis führt
Die Kontrolle des Temperaturfeldes ist schwierig: Das Wachstum von Si-Kristallstäben erfordert nur 1500 °C, während SiC-Kristallstäbe bei einer hohen Temperatur über 2000 °C gezüchtet werden müssen, und es gibt mehr als 250 SiC-Isomere, aber die Haupteinkristallstruktur ist 4H-SiC Bei der Herstellung von Leistungsgeräten werden, wenn keine präzise Kontrolle erfolgt, andere Kristallstrukturen entstehen. Darüber hinaus bestimmt der Temperaturgradient im Tiegel die Geschwindigkeit des SiC-Sublimationstransfers sowie die Anordnung und Wachstumsart gasförmiger Atome an der Kristallgrenzfläche, was sich auf die Kristallwachstumsrate und die Kristallqualität auswirkt. Daher ist die Bildung eines systematischen Temperaturfelds erforderlich Steuerungstechnik. Im Vergleich zu Si-Materialien besteht der Unterschied bei der SiC-Produktion auch in Hochtemperaturprozessen wie Hochtemperatur-Ionenimplantation, Hochtemperaturoxidation, Hochtemperaturaktivierung und dem für diese Hochtemperaturprozesse erforderlichen Hartmaskenprozess.
Langsames Kristallwachstum: Die Wachstumsrate des Si-Kristallstabs kann 30 bis 150 mm/h erreichen, und die Herstellung eines 1–3 m langen Siliziumkristallstabs dauert nur etwa 1 Tag; SiC-Kristallstab mit PVT-Methode als Beispiel, die Wachstumsrate beträgt etwa 0,2–0,4 mm/h, 7 Tage zum Wachstum weniger als 3–6 cm, die Wachstumsrate beträgt weniger als 1 % des Siliziummaterials, die Produktionskapazität ist extrem beschränkt.
Hohe Produktparameter und niedrige Ausbeute: Zu den Kernparametern des SiC-Substrats gehören Mikrotubulidichte, Versetzungsdichte, spezifischer Widerstand, Verzug, Oberflächenrauheit usw. Es ist eine komplexe Systemtechnik, Atome in einer geschlossenen Hochtemperaturkammer anzuordnen und das Kristallwachstum abzuschließen. während die Parameterindizes gesteuert werden.
Das Material weist eine hohe Härte, eine hohe Sprödigkeit, eine lange Schneidzeit und einen hohen Verschleiß auf: Die SiC-Mohs-Härte von 9,25 ist nach Diamant die zweitgrößte, was zu einem erheblichen Anstieg der Schwierigkeit beim Schneiden, Schleifen und Polieren führt und etwa 120 Stunden dauert Schneiden Sie 35-40 Stücke aus einem 3 cm dicken Barren. Aufgrund der hohen Sprödigkeit von SiC ist außerdem der Verschleiß bei der Waferverarbeitung höher und die Ausbringungsquote beträgt nur etwa 60 %.
Entwicklungstrend: Größenzunahme + Preissenkung
Die 6-Zoll-Volumenproduktionslinie auf dem globalen SiC-Markt reift, und führende Unternehmen sind in den 8-Zoll-Markt eingestiegen. Inländische Entwicklungsprojekte sind hauptsächlich 6 Zoll groß. Obwohl die meisten inländischen Unternehmen derzeit noch auf 4-Zoll-Produktionslinien basieren, expandiert die Branche schrittweise auf 6 Zoll. Mit der Reife der 6-Zoll-Unterstützungsausrüstungstechnologie verbessert auch die inländische SiC-Substrattechnologie schrittweise die Wirtschaftlichkeit von Der Umfang großer Produktionslinien wird sich widerspiegeln, und die derzeitige Zeitlücke bei der inländischen 6-Zoll-Massenproduktion hat sich auf 7 Jahre verringert. Die größere Wafergröße kann zu einer Erhöhung der Anzahl einzelner Chips, einer Verbesserung der Ausbeute und einer Verringerung des Anteils an Randchips führen, und die Kosten für Forschung und Entwicklung sowie der Ausbeuteverlust werden bei etwa 7 % gehalten, wodurch der Wafer verbessert wird Verwendung.
Es gibt immer noch viele Schwierigkeiten beim Gerätedesign
Die Kommerzialisierung von SiC-Dioden wird schrittweise verbessert. Derzeit haben mehrere inländische Hersteller SiC-SBD-Produkte entwickelt. Mittel- und Hochspannungs-SiC-SBD-Produkte weisen eine gute Stabilität auf. Im Fahrzeug-OBC wird durch die Verwendung von SiC-SBD+SI-IGBT eine Stabilität erreicht Stromdichte. Derzeit gibt es in China keine Hindernisse für das Patentdesign von SiC-SBD-Produkten und der Abstand zum Ausland ist gering.
SiC MOS hat immer noch viele Schwierigkeiten, es gibt immer noch eine Lücke zwischen SiC MOS und ausländischen Herstellern und die entsprechende Fertigungsplattform befindet sich noch im Aufbau. Derzeit haben ST, Infineon, Rohm und andere 600-1700-V-SiC-MOS die Massenproduktion erreicht und mit vielen Fertigungsindustrien unterzeichnet und ausgeliefert. Während das aktuelle inländische SiC-MOS-Design im Wesentlichen abgeschlossen ist, arbeiten eine Reihe von Designherstellern mit Fabriken zusammen Die Wafer-Flow-Phase und die spätere Kundenverifizierung benötigen noch einige Zeit, so dass bis zur groß angelegten Kommerzialisierung noch viel Zeit vergeht.
Derzeit ist die planare Struktur die gängige Wahl, und der Grabentyp wird in Zukunft häufig im Hochdruckbereich eingesetzt. Es gibt viele Hersteller von SiC-MOS mit planarer Struktur. Die planare Struktur erzeugt im Vergleich zu Rillen nicht leicht lokale Durchschlagsprobleme, was sich auf die Stabilität der Arbeit auswirkt. Auf dem Markt unter 1200 V gibt es ein breites Anwendungsspektrum, und die planare Struktur ist relativ Einfach in der Herstellung, um zwei Aspekte der Herstellbarkeit und Kostenkontrolle zu erfüllen. Das Rillengerät bietet die Vorteile einer extrem geringen parasitären Induktivität, einer schnellen Schaltgeschwindigkeit, eines geringen Verlusts und einer relativ hohen Leistung.
2--SiC-Wafer-Neuigkeiten
Bei der Produktion und dem Umsatzwachstum des Siliziumkarbid-Marktes ist auf das strukturelle Ungleichgewicht zwischen Angebot und Nachfrage zu achten
Mit dem rasanten Wachstum der Marktnachfrage nach Hochfrequenz- und Hochleistungsleistungselektronik ist der physikalische Grenzengpass von Halbleiterbauelementen auf Siliziumbasis allmählich in den Vordergrund gerückt, und die Halbleitermaterialien der dritten Generation, die durch Siliziumkarbid (SiC) repräsentiert werden, sind nach und nach in den Vordergrund gerückt industrialisiert werden. Aus Sicht der Materialleistung hat Siliziumkarbid die dreifache Bandlückenbreite von Siliziummaterial, die zehnfache elektrische Feldstärke des kritischen Durchbruchs und die dreifache Wärmeleitfähigkeit, sodass Siliziumkarbid-Leistungsgeräte für Hochfrequenz, hohen Druck usw. geeignet sind. Hochtemperatur- und andere Anwendungen tragen dazu bei, die Effizienz und Leistungsdichte leistungselektronischer Systeme zu verbessern.
Derzeit sind SiC-Dioden und SiC-MOSFETs nach und nach auf den Markt gekommen, und es gibt ausgereiftere Produkte, unter denen in einigen Bereichen häufig SiC-Dioden anstelle von Dioden auf Siliziumbasis verwendet werden, da sie nicht über den Vorteil der Sperrverzögerungsladung verfügen; SiC-MOSFETs werden nach und nach auch in den Bereichen Automobil, Energiespeicherung, Ladesäulen, Photovoltaik und anderen Bereichen eingesetzt. Im Bereich der Automobilanwendungen rückt der Trend zur Modularisierung immer stärker in den Vordergrund. Die überlegene Leistung von SiC muss auf fortschrittlichen Verpackungsprozessen beruhen, um technisch mit relativ ausgereiften Gehäuseversiegelungen als Mainstream, der Zukunft oder der Entwicklung von Kunststoffversiegelungen zu erreichen Seine kundenspezifischen Entwicklungseigenschaften eignen sich besser für SiC-Module.
Geschwindigkeit des Preisverfalls bei Siliziumkarbid oder jenseits aller Vorstellungskraft
Die Anwendung von Siliziumkarbid-Geräten wird hauptsächlich durch die hohen Kosten begrenzt. Der Preis von SiC-MOSFETs unter dem gleichen Niveau ist viermal höher als der von Si-basierten IGBTs Einkristall und Epitaxie belasten nicht nur die Umwelt, sondern auch die Wachstumsrate ist langsam, und die Verarbeitung des Einkristalls zum Substrat muss den Schneid- und Polierprozess durchlaufen. Aufgrund der eigenen Materialeigenschaften und der unausgereiften Verarbeitungstechnologie beträgt die Ausbeute an heimischem Substrat weniger als 50 %, und verschiedene Faktoren führen zu hohen Substrat- und Epitaxiepreisen.
Allerdings ist die Kostenzusammensetzung von Siliziumkarbid-Bauelementen und siliziumbasierten Bauelementen diametral entgegengesetzt: Die Substrat- und Epitaxiekosten des Frontkanals machen 47 % bzw. 23 % des gesamten Bauelements aus, was insgesamt etwa 70 % des Bauelementdesigns und der Herstellung ausmacht und die Dichtungsverbindungen des Rückkanals machen nur 30 % aus, die Produktionskosten siliziumbasierter Geräte konzentrieren sich hauptsächlich auf die Waferherstellung des Rückkanals, etwa 50 % und die Substratkosten machen nur 7 % aus. Das Phänomen, dass der Wert der Siliziumkarbid-Industriekette auf den Kopf gestellt wird, bedeutet, dass vorgelagerte Substratepitaxiehersteller das Kernrecht haben, zu sprechen, was der Schlüssel für die Gestaltung in- und ausländischer Unternehmen ist.
Aus dynamischer Sicht auf dem Markt besteht die Reduzierung der Kosten für Siliziumkarbid neben der Verbesserung des Siliziumkarbid-Langkristall- und Slicing-Prozesses darin, die Wafergröße zu vergrößern, was in der Vergangenheit auch der ausgereifte Weg der Halbleiterentwicklung war. Daten von Wolfspeed zeigen, dass die Aufrüstung des Siliziumkarbid-Substrats von 6 Zoll auf 8 Zoll die qualifizierte Chipproduktion um 80–90 % steigern und zur Verbesserung der Ausbeute beitragen kann. Kann die kombinierten Stückkosten um 50 % senken.
2023 ist als das „erste 8-Zoll-SiC-Jahr“ bekannt. In diesem Jahr beschleunigen in- und ausländische Siliziumkarbidhersteller die Entwicklung von 8-Zoll-Siliziumkarbid, wie beispielsweise die verrückte Investition von Wolfspeed in Höhe von 14,55 Milliarden US-Dollar für die Erweiterung der Siliziumkarbid-Produktion. Ein wichtiger Teil davon ist der Bau einer Produktionsanlage für 8-Zoll-SiC-Substrate, um die zukünftige Versorgung einer Reihe von Unternehmen mit 200-mm-SiC-Bare-Metal-Material sicherzustellen. Die inländischen Unternehmen Tianyue Advanced und Tianke Heda haben außerdem langfristige Vereinbarungen mit Infineon unterzeichnet, um künftig 8-Zoll-Siliziumkarbidsubstrate zu liefern.
Ab diesem Jahr wird sich Siliziumkarbid von 6 Zoll auf 8 Zoll beschleunigen. Wolfspeed geht davon aus, dass bis 2024 die Chip-Stückkosten für 8-Zoll-Substrate im Vergleich zu den Chip-Stückkosten für 6-Zoll-Substrate im Jahr 2022 um mehr als 60 % gesenkt werden. , und der Kostenrückgang wird den Anwendungsmarkt weiter öffnen, wie Forschungsdaten von Ji Bond Consulting belegen. Der aktuelle Marktanteil von 8-Zoll-Produkten beträgt weniger als 2 % und es wird erwartet, dass der Marktanteil bis 2026 auf etwa 15 % anwächst.
Tatsächlich könnte die Geschwindigkeit des Preisrückgangs bei Siliziumkarbid-Substraten die Vorstellungskraft vieler Menschen übertreffen. Das aktuelle Marktangebot für 6-Zoll-Substrate liegt bei 4.000 bis 5.000 Yuan/Stück und ist im Vergleich zu Anfang des Jahres stark gesunken erwartet wird, im nächsten Jahr unter 4000 Yuan zu fallen, ist es erwähnenswert, dass einige Hersteller, um den ersten Markt zu erobern, den Verkaufspreis auf die Kostenlinie unten gesenkt haben, Das Modell des Preiskampfs eröffnete, der sich hauptsächlich auf die konzentrierte Das Angebot an Siliziumkarbid-Substraten war im Niederspannungsbereich relativ ausreichend, in- und ausländische Hersteller bauen ihre Produktionskapazitäten aggressiv aus oder lassen das Überangebot an Siliziumkarbid-Substraten früher als erwartet in die Höhe schnellen.
Zeitpunkt der Veröffentlichung: 19. Januar 2024