Einführung in Siliziumkarbid
Siliziumkarbid (SiC) ist ein Verbindungshalbleitermaterial aus Kohlenstoff und Silizium und eignet sich ideal für die Herstellung von Geräten mit hohen Temperaturen, hohen Frequenzen, hoher Leistung und hoher Spannung. Im Vergleich zu herkömmlichem Silizium (Si) ist die Bandlücke von Siliziumkarbid dreimal so groß wie die von Silizium. Die Wärmeleitfähigkeit ist vier- bis fünfmal so hoch wie die von Silizium; die Durchbruchspannung ist acht- bis zehnmal so hoch wie die von Silizium; die elektronische Sättigungsdriftrate ist zwei- bis dreimal so hoch wie die von Silizium. Damit wird der Bedarf der modernen Industrie an hoher Leistung, hoher Spannung und hoher Frequenz erfüllt. SiC wird hauptsächlich zur Herstellung von elektronischen Hochgeschwindigkeits-, Hochfrequenz-, Hochleistungs- und lichtemittierenden Komponenten verwendet. Zu den nachgelagerten Anwendungsbereichen gehören Smart Grid, Fahrzeuge mit alternativer Energie, Photovoltaik-Windkraft und 5G-Kommunikation. Siliziumkarbiddioden und -MOSFETs werden kommerziell eingesetzt.
Hohe Temperaturbeständigkeit. Die Bandlücke von Siliziumkarbid ist zwei- bis dreimal so groß wie die von Silizium. Elektronen können bei hohen Temperaturen nur schwer übertragen werden und halten höheren Betriebstemperaturen stand. Die Wärmeleitfähigkeit von Siliziumkarbid ist vier- bis fünfmal so hoch wie die von Silizium. Dadurch wird die Wärmeableitung des Geräts erleichtert und die Betriebsgrenztemperatur erhöht. Die hohe Temperaturbeständigkeit kann die Leistungsdichte deutlich erhöhen und gleichzeitig die Anforderungen an das Kühlsystem reduzieren, wodurch das Terminal leichter und kleiner wird.
Hält hohem Druck stand. Die elektrische Durchbruchfeldstärke von Siliziumkarbid ist zehnmal so hoch wie die von Silizium. Dadurch hält es höheren Spannungen stand und eignet sich besser für Hochspannungsgeräte.
Hochfrequenzbeständigkeit. Siliziumkarbid weist eine doppelt so hohe Elektronendriftrate auf wie Silizium. Dadurch tritt beim Abschaltvorgang kein Stromschwund auf, was die Schaltfrequenz des Geräts effektiv verbessern und eine Miniaturisierung des Geräts ermöglichen kann.
Geringer Energieverlust. Im Vergleich zu Siliziummaterial weist Siliziumkarbid einen sehr niedrigen Einschaltwiderstand und geringe Einschaltverluste auf. Gleichzeitig reduziert die hohe Bandlücke von Siliziumkarbid den Leckstrom und den Leistungsverlust erheblich. Darüber hinaus weist das Siliziumkarbid-Bauelement beim Abschalten kein Stromnachlaufphänomen auf, und die Schaltverluste sind gering.
Siliziumkarbid-Industriekette
Es umfasst hauptsächlich Substrat, Epitaxie, Gerätedesign, Fertigung, Versiegelung usw. Vom Material Siliziumkarbid bis zum Halbleiter-Leistungsgerät durchläuft es Prozesse wie Einkristallwachstum, Ingot-Schneiden, epitaktisches Wachstum, Waferdesign, Fertigung, Verpackung und mehr. Nach der Synthese von Siliziumkarbidpulver wird zunächst der Siliziumkarbid-Ingot hergestellt, anschließend wird durch Schneiden, Schleifen und Polieren das Siliziumkarbid-Substrat und durch epitaktisches Wachstum die epitaktische Schicht erhalten. Der epitaktische Wafer wird aus Siliziumkarbid durch Lithografie, Ätzen, Ionenimplantation, Metallpassivierung und andere Prozesse hergestellt, der Wafer wird in Matrizen geschnitten, das Gerät verpackt, in ein spezielles Gehäuse integriert und zu einem Modul zusammengebaut.
Vorgelagert in der Industriekette 1: Substrat - Kristallwachstum ist das zentrale Prozessglied
Etwa 47 % der Kosten von Siliziumkarbid-Bauelementen entfallen auf Siliziumkarbid-Substrate. Sie stellen die größten technischen Hürden bei der Herstellung dar und sind von größtem Wert. Sie sind der Kern der zukünftigen großflächigen Industrialisierung von SiC.
Aufgrund ihrer unterschiedlichen elektrochemischen Eigenschaften lassen sich Siliziumkarbid-Substrate in leitfähige (Widerstandsbereich 15–30 mΩ·cm) und halbisolierte (Widerstand über 105 Ω·cm) Substrate unterteilen. Diese beiden Substratarten werden nach epitaktischem Wachstum zur Herstellung diskreter Geräte wie Leistungsbauelementen bzw. Hochfrequenzbauelementen verwendet. Halbisolierte Siliziumkarbid-Substrate werden hauptsächlich zur Herstellung von Galliumnitrid-HF-Bauelementen, photoelektrischen Bauelementen usw. verwendet. Durch das Züchten einer Gan-Epitaxieschicht auf einem halbisolierten SIC-Substrat wird die SiC-Epitaxieplatte hergestellt, die weiter zu HEMT-Gan-Isonitrid-HF-Bauelementen verarbeitet werden kann. Leitfähige Siliziumkarbid-Substrate werden hauptsächlich zur Herstellung von Leistungsbauelementen verwendet. Anders als beim herkömmlichen Herstellungsprozess von Silizium-Leistungsbauelementen kann das Siliziumkarbid-Leistungsbauelement nicht direkt auf dem Siliziumkarbid-Substrat hergestellt werden. Die Siliziumkarbid-Epitaxieschicht muss auf dem leitfähigen Substrat aufgewachsen werden, um die Siliziumkarbid-Epitaxieplatte zu erhalten, und die Epitaxieschicht wird auf der Schottky-Diode, dem MOSFET, dem IGBT und anderen Leistungsbauelementen hergestellt.
Siliziumkarbidpulver wurde aus hochreinem Kohlenstoffpulver und hochreinem Siliziumpulver synthetisiert. Siliziumkarbidbarren unterschiedlicher Größe wurden unter einem speziellen Temperaturfeld gezüchtet. Anschließend wurde durch mehrere Verarbeitungsprozesse ein Siliziumkarbidsubstrat hergestellt. Der Kernprozess umfasst:
Rohstoffsynthese: Hochreines Siliziumpulver und Toner werden gemäß der Formel gemischt. Die Reaktion wird in der Reaktionskammer bei hohen Temperaturen über 2000 °C durchgeführt, um Siliziumkarbidpartikel mit spezifischer Kristallart und Partikelgröße zu synthetisieren. Anschließend werden durch Zerkleinern, Sieben, Reinigen und andere Prozesse die Anforderungen an hochreines Siliziumkarbidpulver als Rohstoffe erfüllt.
Das Kristallwachstum ist der Kernprozess der Herstellung von Siliziumkarbidsubstraten und bestimmt deren elektrische Eigenschaften. Die wichtigsten Verfahren für das Kristallwachstum sind derzeit die physikalische Gasphasenabscheidung (PVT), die chemische Gasphasenabscheidung bei hohen Temperaturen (HT-CVD) und die Flüssigphasenepitaxie (LPE). Die PVT-Methode ist derzeit die gängigste Methode für das kommerzielle Wachstum von SiC-Substraten. Sie ist technisch am weitesten fortgeschritten und wird in der Technik am häufigsten eingesetzt.
Die Herstellung von SiC-Substraten ist schwierig, was zu ihrem hohen Preis führt
Die Kontrolle des Temperaturfelds ist schwierig: Für das Wachstum von Si-Kristallstäben sind nur 1500 °C erforderlich, während SiC-Kristallstäbe bei Temperaturen über 2000 °C gezüchtet werden müssen. Es gibt mehr als 250 SiC-Isomere. Allerdings entsteht bei der wichtigsten 4H-SiC-Einkristallstruktur für die Produktion von Leistungsbauelementen ohne präzise Kontrolle eine andere Kristallstruktur. Außerdem bestimmt der Temperaturgradient im Tiegel die Geschwindigkeit des SiC-Sublimationstransfers und die Anordnung und Wachstumsart der Gasatome an der Kristallgrenzfläche, was sich wiederum auf die Kristallwachstumsgeschwindigkeit und -qualität auswirkt. Daher ist die Entwicklung einer systematischen Technologie zur Kontrolle des Temperaturfelds erforderlich. Verglichen mit Si-Materialien besteht der Unterschied bei der SiC-Herstellung auch in den Hochtemperaturprozessen, wie z. B. Hochtemperatur-Ionenimplantation, Hochtemperaturoxidation, Hochtemperaturaktivierung und dem für diese Hochtemperaturprozesse erforderlichen Hartmaskenprozess.
Langsames Kristallwachstum: Die Wachstumsrate eines Si-Kristallstabs kann 30 bis 150 mm/h erreichen, und die Produktion eines 1–3 m langen Siliziumkristallstabs dauert nur etwa 1 Tag. Bei einem SiC-Kristallstab mit der PVT-Methode beispielsweise beträgt die Wachstumsrate etwa 0,2–0,4 mm/h, und in 7 Tagen wächst er weniger als 3–6 cm, und die Wachstumsrate beträgt weniger als 1 % des Siliziummaterials. Die Produktionskapazität ist äußerst begrenzt.
Hohe Produktparameter und geringe Ausbeute: Zu den Kernparametern des SiC-Substrats zählen Mikrotubuli-Dichte, Versetzungsdichte, spezifischer Widerstand, Verzug, Oberflächenrauheit usw. Es handelt sich um eine komplexe Systemtechnik, um Atome in einer geschlossenen Hochtemperaturkammer anzuordnen und das Kristallwachstum abzuschließen, während die Parameterindizes kontrolliert werden.
Das Material zeichnet sich durch hohe Härte, hohe Sprödigkeit, lange Schnittzeiten und hohen Verschleiß aus: SiC weist eine Mohshärte von 9,25 auf, die nach Diamant die zweithöchste Härte aufweist. Dies erschwert das Schneiden, Schleifen und Polieren erheblich. Das Schneiden von 35–40 Stück eines 3 cm dicken Barrens dauert etwa 120 Stunden. Aufgrund der hohen Sprödigkeit von SiC ist zudem der Verschleiß bei der Waferverarbeitung höher, und die Ausbeute beträgt nur etwa 60 %.
Entwicklungstrend: Größenzunahme + Preissenkung
Der globale SiC-Markt für 6-Zoll-Serienfertigungslinien reift heran, und führende Unternehmen sind bereits in den 8-Zoll-Markt eingestiegen. Inländische Entwicklungsprojekte konzentrieren sich hauptsächlich auf 6 Zoll. Obwohl die meisten inländischen Unternehmen derzeit noch auf 4-Zoll-Produktionslinien setzen, expandiert die Branche schrittweise in den 6-Zoll-Bereich. Mit der zunehmenden Reife der 6-Zoll-Fertigungstechnologie und der zunehmenden Verbesserung der inländischen SiC-Substrattechnologie werden auch die Skaleneffekte großer Produktionslinien deutlich. Die derzeitige Zeitlücke in der inländischen 6-Zoll-Massenproduktion hat sich auf sieben Jahre verkürzt. Die größere Wafergröße kann die Anzahl der Einzelchips erhöhen, die Ausbeute verbessern und den Anteil der Randchips reduzieren. Die Forschungs- und Entwicklungskosten sowie der Ausbeuteverlust werden bei etwa 7 % gehalten, wodurch die Waferauslastung verbessert wird.
Es gibt immer noch viele Schwierigkeiten beim Gerätedesign
Die Kommerzialisierung von SiC-Dioden verbessert sich sukzessive. Derzeit haben zahlreiche inländische Hersteller SiC-SBD-Produkte entwickelt. SiC-SBDs für Mittel- und Hochspannung weisen eine hohe Stabilität auf. Im Fahrzeug-OBC wird durch den Einsatz von SiC-SBD+SI-IGBT eine stabile Stromdichte erreicht. Derzeit gibt es in China keine Hürden für die Patentierung von SiC-SBD-Produkten, und der Abstand zum Ausland ist gering.
SiC-MOS-Chips sind noch mit vielen Schwierigkeiten behaftet. Es besteht weiterhin eine Lücke zwischen den SiC-MOS-Chips und ausländischen Herstellern, und die entsprechende Fertigungsplattform befindet sich noch im Aufbau. ST, Infineon, Rohm und andere Hersteller von 600–1700 V SiC-MOS-Chips haben bereits die Massenproduktion erreicht und Verträge mit vielen Herstellern unterzeichnet und ausgeliefert. Das aktuelle Design der inländischen SiC-MOS-Chips ist im Wesentlichen abgeschlossen. Zahlreiche Designhersteller arbeiten mit Fabs in der Wafer-Flow-Phase, und die spätere Kundenverifizierung benötigt noch einige Zeit. Bis zur großflächigen Kommerzialisierung ist es daher noch ein weiter Weg.
Planare Strukturen sind derzeit die gängige Wahl, und Trench-Strukturen werden zukünftig im Hochdruckbereich weit verbreitet sein. Es gibt zahlreiche Hersteller von SiC-MOS mit planarer Struktur. Im Vergleich zu Rillenstrukturen treten bei planaren Strukturen weniger lokale Durchschlagsprobleme auf, die die Stabilität beeinträchtigen. Sie bieten ein breites Anwendungsspektrum im Markt unter 1200 V. Planare Strukturen sind relativ einfach herzustellen und erfüllen die beiden Aspekte Herstellbarkeit und Kostenkontrolle. Rillenstrukturen bieten die Vorteile einer extrem niedrigen parasitären Induktivität, hoher Schaltgeschwindigkeit, geringer Verluste und einer relativ hohen Leistung.
2 – Neuigkeiten zu SiC-Wafern
Wachstum der Produktion und des Umsatzes auf dem Siliziumkarbidmarkt, achten Sie auf das strukturelle Ungleichgewicht zwischen Angebot und Nachfrage
Mit der rasant wachsenden Nachfrage nach Hochfrequenz- und Hochleistungselektronik stoßen die physikalischen Grenzen siliziumbasierter Halbleiterbauelemente zunehmend an ihre Grenzen, und Siliziumkarbid (SiC), Halbleitermaterialien der dritten Generation, werden zunehmend industriell eingesetzt. Siliziumkarbid weist im Vergleich zu Siliziummaterial eine dreimal so große Bandlücke, eine zehnmal höhere kritische Durchbruchfeldstärke und eine dreimal so hohe Wärmeleitfähigkeit auf. Daher eignen sich Siliziumkarbid-Bauelemente für Anwendungen wie Hochfrequenz, Hochdruck, Hochtemperatur und andere Anwendungen und tragen zur Verbesserung der Effizienz und Leistungsdichte leistungselektronischer Systeme bei.
Derzeit sind SiC-Dioden und SiC-MOSFETs allmählich auf den Markt gekommen, und es gibt ausgereiftere Produkte, unter denen SiC-Dioden in einigen Bereichen weit verbreitet sind, anstatt Dioden auf Siliziumbasis, weil sie nicht den Vorteil der Sperrverzögerungsladung haben; SiC-MOSFETs werden auch zunehmend in der Automobilindustrie, der Energiespeicherung, Ladesäulen, Photovoltaik und anderen Bereichen eingesetzt; im Bereich der Automobilanwendungen wird der Trend zur Modularisierung immer deutlicher, und die überlegene Leistung von SiC muss auf fortschrittliche Verpackungsprozesse angewiesen sein, um zu erreichen, wobei technisch relativ ausgereifte Schalenversiegelungen als Mainstream gelten, die Zukunft oder die Entwicklung von Kunststoffversiegelungen, deren kundenspezifische Entwicklungseigenschaften besser für SiC-Module geeignet sind.
Siliziumkarbid-Preisrückgangsgeschwindigkeit jenseits aller Vorstellungskraft
Die Anwendung von Siliziumkarbid-Bauelementen wird hauptsächlich durch die hohen Kosten eingeschränkt. Der Preis eines SiC-MOSFETs ist im gleichen Preissegment viermal höher als der eines Si-basierten IGBT. Dies liegt am komplexen Siliziumkarbid-Prozess. Das Wachstum von Einkristallen und Epitaxie ist nicht nur umweltschädlich, sondern auch langsam, und die Einkristallverarbeitung zum Substrat muss geschnitten und poliert werden. Aufgrund der Materialeigenschaften und der unausgereiften Verarbeitungstechnologie liegt die Ausbeute an inländischem Substrat unter 50 %, was verschiedene Faktoren zu hohen Substrat- und Epitaxiepreisen führt.
Die Kostenzusammensetzung von Siliziumkarbid-Bauelementen und siliziumbasierten Bauelementen ist jedoch diametral entgegengesetzt: Die Substrat- und Epitaxiekosten des Frontkanals machen 47 % bzw. 23 % des gesamten Bauelements aus, insgesamt also etwa 70 %, während Bauelementdesign, Herstellung und Versiegelung des Backkanals nur 30 % ausmachen. Die Produktionskosten siliziumbasierter Bauelemente konzentrieren sich hauptsächlich auf die Waferherstellung des Backkanals (etwa 50 %), und die Substratkosten machen nur 7 % aus. Das Phänomen der verkehrten Wertschöpfungskette der Siliziumkarbid-Industrie bedeutet, dass die vorgelagerten Hersteller von Substratepitaxie das Hauptmitspracherecht haben, was für in- und ausländische Unternehmen von entscheidender Bedeutung ist.
Aus dynamischer Sicht auf dem Markt bedeutet eine Kostensenkung bei Siliziumkarbid neben der Verbesserung des Siliziumkarbid-Langkristalls und des Schneideprozesses auch eine Vergrößerung der Wafergröße. Dies ist auch ein ausgereifter Weg in der Halbleiterentwicklung der Vergangenheit. Daten von Wolfspeed zeigen, dass durch eine Vergrößerung des Siliziumkarbidsubstrats von 6 Zoll auf 8 Zoll die Produktion qualifizierter Chips um 80–90 % gesteigert und die Ausbeute verbessert werden kann. Die kombinierten Stückkosten können um 50 % gesenkt werden.
2023 ist als das „erste Jahr des 8-Zoll-SiC“ bekannt. In diesem Jahr beschleunigen in- und ausländische Siliziumkarbidhersteller die Entwicklung von 8-Zoll-Siliziumkarbid. Wolfspeed beispielsweise investiert 14,55 Milliarden US-Dollar in die Ausweitung seiner Siliziumkarbidproduktion. Ein wichtiger Teil davon ist der Bau einer Fabrik zur Herstellung von 8-Zoll-SiC-Substraten, um die zukünftige Versorgung einer Reihe von Unternehmen mit 200 mm SiC-Baremetal sicherzustellen. Die inländischen Unternehmen Tianyue Advanced und Tianke Heda haben außerdem langfristige Verträge mit Infineon über die zukünftige Lieferung von 8-Zoll-Siliziumkarbidsubstraten unterzeichnet.
Ab diesem Jahr wird die Siliziumkarbid-Industrie von 6 Zoll auf 8 Zoll expandieren. Wolfspeed geht davon aus, dass die Stückkosten für 8-Zoll-Substrate bis 2024 im Vergleich zu den Stückkosten für 6-Zoll-Substrate im Jahr 2022 um mehr als 60 % sinken werden. Dieser Kostenrückgang wird den Anwendungsmarkt weiter öffnen, wie aus Forschungsdaten von Ji Bond Consulting hervorgeht. Der aktuelle Marktanteil von 8-Zoll-Produkten liegt bei weniger als 2 %, wird aber bis 2026 voraussichtlich auf etwa 15 % steigen.
Tatsächlich dürfte die Geschwindigkeit des Preisverfalls bei Siliziumkarbidsubstraten die Vorstellungskraft vieler übersteigen. Das aktuelle Marktangebot für 6-Zoll-Substrate liegt bei 4.000 bis 5.000 Yuan/Stück, ist also im Vergleich zum Jahresbeginn stark gesunken und wird im nächsten Jahr voraussichtlich unter 4.000 Yuan fallen. Es ist erwähnenswert, dass einige Hersteller ihre Verkaufspreise unter die Kostengrenze gesenkt haben, um den ersten Markt zu erobern. Dies hat einen Preiskampf ausgelöst, der sich hauptsächlich darauf konzentriert, dass das Angebot an Siliziumkarbidsubstraten im Niederspannungsbereich relativ ausreichend ist. In- und ausländische Hersteller bauen ihre Produktionskapazitäten aggressiv aus, oder sie lassen das Überangebot an Siliziumkarbidsubstraten früher als erwartet entstehen.
Veröffentlichungszeit: 19. Januar 2024