Introdução ao carboneto de silício
O carbeto de silício (SiC) é um material semicondutor composto de carbono e silício, sendo um dos materiais ideais para a fabricação de dispositivos de alta temperatura, alta frequência, alta potência e alta tensão. Comparado ao silício tradicional (Si), o carbeto de silício possui uma banda proibida três vezes maior que a do silício. Sua condutividade térmica é de quatro a cinco vezes maior; sua tensão de ruptura é de oito a dez vezes maior; e sua taxa de deriva de saturação eletrônica é de duas a três vezes maior, atendendo às necessidades da indústria moderna por alta potência, alta tensão e alta frequência. É utilizado principalmente na produção de componentes eletrônicos de alta velocidade, alta frequência, alta potência e emissão de luz. Suas aplicações incluem redes inteligentes, veículos de novas energias, energia eólica fotovoltaica, comunicação 5G, entre outros. Diodos e MOSFETs de carbeto de silício já são comercialmente utilizados.
Resistência a altas temperaturas. A largura da banda proibida do carbeto de silício é de 2 a 3 vezes maior que a do silício, os elétrons não transitam facilmente em altas temperaturas e podem suportar temperaturas operacionais mais elevadas. Além disso, a condutividade térmica do carbeto de silício é de 4 a 5 vezes maior que a do silício, facilitando a dissipação de calor do dispositivo e elevando a temperatura limite de operação. A resistência a altas temperaturas pode aumentar significativamente a densidade de potência, reduzindo as exigências do sistema de refrigeração e tornando o terminal mais leve e compacto.
Suporta alta pressão. A rigidez dielétrica do carbeto de silício é 10 vezes maior que a do silício, o que permite suportar tensões mais elevadas e o torna mais adequado para dispositivos de alta tensão.
Resistência a altas frequências. O carbeto de silício possui uma taxa de deriva eletrônica saturada duas vezes maior que a do silício, resultando na ausência de cauda de corrente durante o processo de desligamento, o que pode melhorar efetivamente a frequência de comutação do dispositivo e viabilizar sua miniaturização.
Baixa perda de energia. Comparado ao silício, o carbeto de silício apresenta baixíssima resistência de condução e baixa perda de condução. Ao mesmo tempo, a grande largura da banda proibida do carbeto de silício reduz significativamente a corrente de fuga e a perda de potência. Além disso, o dispositivo de carbeto de silício não apresenta o fenômeno de arrasto de corrente durante o processo de desligamento, e a perda de comutação é baixa.
cadeia industrial do carboneto de silício
O processo inclui principalmente substrato, epitaxia, projeto do dispositivo, fabricação, selagem e outros. O carbeto de silício, desde a matéria-prima até o dispositivo semicondutor de potência, passa por diversas etapas, como crescimento de monocristais, corte de lingotes, crescimento epitaxial, projeto de wafers, fabricação, encapsulamento e outras. Após a síntese do pó de carbeto de silício, o lingote é produzido inicialmente. Em seguida, o substrato de carbeto de silício é obtido por meio de corte, retificação e polimento, e a lâmina epitaxial é obtida por crescimento epitaxial. O wafer epitaxial é fabricado com carbeto de silício através de processos como litografia, corrosão, implantação iônica, passivação metálica e outros. O wafer é então cortado em chips, o dispositivo é encapsulado e, em seguida, integrado a uma carcaça especial e montado em um módulo.
A montante da cadeia produtiva 1: o crescimento do substrato e do cristal é o elo central do processo.
O substrato de carbeto de silício representa cerca de 47% do custo dos dispositivos de carbeto de silício, constituindo a maior barreira técnica de fabricação e o maior valor, sendo o núcleo da futura industrialização em larga escala do SiC.
Do ponto de vista das diferenças nas propriedades eletroquímicas, os materiais de substrato de carbeto de silício podem ser divididos em substratos condutores (resistividade na faixa de 15 a 30 mΩ·cm) e substratos semi-isolantes (resistividade superior a 10⁵ Ω·cm). Esses dois tipos de substratos são utilizados na fabricação de dispositivos discretos, como dispositivos de potência e dispositivos de radiofrequência, respectivamente, após o crescimento epitaxial. Dentre eles, o substrato de carbeto de silício semi-isolante é utilizado principalmente na fabricação de dispositivos de radiofrequência de nitreto de gálio, dispositivos fotoelétricos, entre outros. Ao crescer uma camada epitaxial de gálio sobre o substrato de carbeto de silício semi-isolante, prepara-se a placa epitaxial de gálio, que pode ser posteriormente utilizada na fabricação de dispositivos de radiofrequência de iso-nitreto de gálio HEMT. O substrato de carbeto de silício condutor é utilizado principalmente na fabricação de dispositivos de potência. Diferentemente do processo tradicional de fabricação de dispositivos de potência de silício, o dispositivo de potência de carbeto de silício não pode ser fabricado diretamente sobre o substrato de carbeto de silício; a camada epitaxial de carbeto de silício precisa ser cultivada sobre o substrato condutor para obter a folha epitaxial de carbeto de silício, e a camada epitaxial é fabricada sobre o diodo Schottky, MOSFET, IGBT e outros dispositivos de potência.
O pó de carbeto de silício foi sintetizado a partir de pó de carbono de alta pureza e pó de silício de alta pureza, e lingotes de carbeto de silício de diferentes tamanhos foram cultivados sob um campo de temperatura específico. Em seguida, o substrato de carbeto de silício foi produzido por meio de múltiplos processos de processamento. O processo principal inclui:
Síntese da matéria-prima: O pó de silício de alta pureza e o toner são misturados de acordo com a fórmula, e a reação é realizada em uma câmara de reação sob condições de alta temperatura acima de 2000 °C para sintetizar partículas de carbeto de silício com tipo de cristal e tamanho de partícula específicos. Em seguida, por meio de processos de trituração, peneiramento, limpeza e outros, obtém-se pó de carbeto de silício de alta pureza, atendendo aos requisitos da matéria-prima.
O crescimento de cristais é o processo central na fabricação de substratos de carbeto de silício, determinando suas propriedades elétricas. Atualmente, os principais métodos de crescimento de cristais são a transferência física de vapor (PVT), a deposição química de vapor em alta temperatura (HT-CVD) e a epitaxia em fase líquida (LPE). Dentre eles, o método PVT é o mais utilizado comercialmente para o crescimento de substratos de SiC, apresentando o maior nível de maturidade técnica e sendo o mais difundido na engenharia.
A preparação do substrato de SiC é difícil, o que resulta em seu alto preço.
O controle do campo de temperatura é complexo: o crescimento de cristais de silício (Si) em forma de bastão requer apenas 1500 °C, enquanto o crescimento de cristais de carbeto de silício (SiC) exige temperaturas acima de 2000 °C. Além disso, existem mais de 250 isômeros de SiC, mas a principal estrutura monocristalina de 4H-SiC, utilizada na produção de dispositivos de potência, pode resultar em estruturas cristalinas diferentes se não controladas com precisão. Ademais, o gradiente de temperatura no cadinho determina a taxa de sublimação do SiC e o arranjo e modo de crescimento dos átomos gasosos na interface do cristal, o que afeta a taxa de crescimento e a qualidade do cristal. Portanto, é essencial o desenvolvimento de uma tecnologia sistemática de controle do campo de temperatura. Em comparação com o silício, a produção de SiC também apresenta diferenças nos processos de alta temperatura, como implantação iônica em alta temperatura, oxidação em alta temperatura, ativação em alta temperatura e o processo de máscara rígida necessário para esses processos.
Crescimento lento de cristais: a taxa de crescimento de uma barra de cristal de Si pode atingir 30 a 150 mm/h, e a produção de uma barra de cristal de silício de 1 a 3 m leva apenas cerca de 1 dia; já a barra de cristal de SiC produzida pelo método PVT, por exemplo, tem uma taxa de crescimento de cerca de 0,2 a 0,4 mm/h, levando 7 dias para crescer menos de 3 a 6 cm, o que representa menos de 1% da taxa de crescimento do silício, limitando extremamente a capacidade de produção.
Altos parâmetros de produto e baixo rendimento: os parâmetros principais do substrato de SiC incluem densidade de microtúbulos, densidade de deslocamento, resistividade, empenamento, rugosidade da superfície, etc. É uma engenharia de sistemas complexa organizar átomos em uma câmara fechada de alta temperatura e realizar o crescimento completo do cristal, controlando simultaneamente os índices dos parâmetros.
O material apresenta alta dureza, alta fragilidade, longo tempo de corte e alto desgaste: a dureza de 9,25 na escala de Mohs do SiC só perde para a do diamante, o que aumenta significativamente a dificuldade de corte, retificação e polimento, sendo necessárias aproximadamente 120 horas para cortar de 35 a 40 peças de um lingote de 3 cm de espessura. Além disso, devido à alta fragilidade do SiC, o desgaste durante o processamento do wafer será maior, e a taxa de aproveitamento será de apenas cerca de 60%.
Tendência de desenvolvimento: aumento de tamanho + redução de preço
O mercado global de linhas de produção em massa de SiC de 6 polegadas está amadurecendo, e as principais empresas já entraram no mercado de 8 polegadas. Os projetos de desenvolvimento nacionais concentram-se principalmente em 6 polegadas. Atualmente, embora a maioria das empresas nacionais ainda utilize linhas de produção de 4 polegadas, o setor está gradualmente se expandindo para 6 polegadas. Com a maturidade da tecnologia de equipamentos de suporte para 6 polegadas, a tecnologia nacional de substratos de SiC também está melhorando gradativamente, o que refletirá as economias de escala das linhas de produção de grande porte. O atual atraso na produção em massa de wafers de 6 polegadas no mercado nacional diminuiu para 7 anos. O maior tamanho do wafer permite aumentar o número de chips individuais, melhorar a taxa de rendimento e reduzir a proporção de chips de borda. Além disso, o custo de pesquisa e desenvolvimento e a perda de rendimento serão mantidos em cerca de 7%, melhorando assim a utilização do wafer.
Ainda existem muitas dificuldades no projeto de dispositivos.
A comercialização de diodos de SiC está melhorando gradualmente. Atualmente, diversos fabricantes nacionais desenvolveram produtos de diodos Schottky de SiC, sendo que os produtos de SiC de média e alta tensão apresentam boa estabilidade. Em computadores de bordo veiculares, o uso de diodos Schottky de SiC em conjunto com IGBTs de silício permite alcançar densidade de corrente estável. Atualmente, não há barreiras para o registro de patentes de diodos Schottky de SiC na China, e a diferença em relação a outros países é pequena.
A tecnologia SiC MOS ainda enfrenta muitas dificuldades, existe uma lacuna entre os fabricantes de SiC MOS e os fabricantes estrangeiros, e a plataforma de fabricação relevante ainda está em construção. Atualmente, empresas como ST, Infineon e Rohm, que produzem SiC MOS de 600-1700V, já iniciaram a produção em massa e assinaram contratos com diversas indústrias de manufatura. Enquanto isso, o projeto de SiC MOS no mercado interno está praticamente concluído, com alguns fabricantes trabalhando em conjunto com as fábricas na fase de produção de wafers, e a verificação posterior pelo cliente ainda leva tempo. Portanto, a comercialização em larga escala ainda está longe de acontecer.
Atualmente, a estrutura planar é a escolha predominante, e o tipo trincheira será amplamente utilizado em aplicações de alta tensão no futuro. Existem muitos fabricantes de MOSFETs de SiC com estrutura planar. Essa estrutura não apresenta problemas de ruptura local com tanta facilidade quanto a estrutura em trincheira, que afetam a estabilidade de operação. No mercado abaixo de 1200V, possui uma ampla gama de aplicações, e a estrutura planar é relativamente simples de fabricar, atendendo aos requisitos de fabricação e controle de custos. O dispositivo em trincheira apresenta vantagens como indutância parasita extremamente baixa, alta velocidade de comutação, baixas perdas e desempenho relativamente alto.
2 - Notícias sobre wafers de SiC
Crescimento da produção e das vendas do mercado de carboneto de silício: atenção ao desequilíbrio estrutural entre oferta e demanda.
Com o rápido crescimento da demanda de mercado por eletrônica de potência de alta frequência e alta potência, o gargalo das limitações físicas dos dispositivos semicondutores à base de silício tornou-se gradualmente mais evidente, e os materiais semicondutores de terceira geração, representados pelo carboneto de silício (SiC), foram sendo industrializados. Do ponto de vista do desempenho do material, o carboneto de silício possui uma largura de banda proibida três vezes maior que a do silício, uma resistência elétrica crítica de ruptura dez vezes maior e uma condutividade térmica três vezes maior. Portanto, os dispositivos de potência de carboneto de silício são adequados para aplicações de alta frequência, alta pressão, alta temperatura e outras, contribuindo para o aumento da eficiência e da densidade de potência dos sistemas eletrônicos de potência.
Atualmente, diodos e MOSFETs de SiC têm chegado gradualmente ao mercado, e já existem produtos mais maduros. Entre eles, os diodos de SiC são amplamente utilizados em substituição aos diodos de silício em alguns campos, pois não possuem a vantagem da recuperação de carga reversa. Os MOSFETs de SiC também estão sendo gradualmente utilizados em aplicações automotivas, armazenamento de energia, estações de carregamento, energia fotovoltaica e outros setores. No setor automotivo, a tendência de modularização está se tornando cada vez mais proeminente, e o desempenho superior do SiC depende de processos de encapsulamento avançados para ser alcançado. Tecnicamente, a selagem por encapsulamento é a principal tecnologia, mas o futuro reserva-se para o desenvolvimento de selagem plástica, cujas características de desenvolvimento personalizado são mais adequadas para módulos de SiC.
Queda de preço do carboneto de silício em ritmo acelerado ou além da imaginação
A aplicação de dispositivos de carbeto de silício é limitada principalmente pelo alto custo. O preço de um MOSFET de SiC, no mesmo nível de desempenho, é quatro vezes maior que o de um IGBT baseado em silício. Isso ocorre porque o processo de fabricação do carbeto de silício é complexo, envolvendo o crescimento de monocristais e epitaxiais em ambientes agressivos e com baixa taxa de crescimento. Além disso, o processamento do monocristal para o substrato exige etapas de corte e polimento. Devido às características do material e à tecnologia de processamento ainda em desenvolvimento, o rendimento de substratos na China é inferior a 50%, e diversos fatores contribuem para os altos preços dos substratos e dos materiais epitaxiais.
Contudo, a composição de custos dos dispositivos de carbeto de silício e dos dispositivos à base de silício é diametralmente oposta: os custos do substrato e da epitaxia do canal frontal representam 47% e 23% do custo total do dispositivo, respectivamente, totalizando cerca de 70%; o projeto, a fabricação e a selagem do canal traseiro representam apenas 30%; o custo de produção dos dispositivos à base de silício concentra-se principalmente na fabricação do wafer do canal traseiro, cerca de 50%, e o custo do substrato representa apenas 7%. Essa inversão de valores na cadeia produtiva do carbeto de silício significa que os fabricantes de substratos e epitaxiais a montante têm o poder de decisão central, o que é fundamental para o planejamento estratégico de empresas nacionais e estrangeiras.
Do ponto de vista dinâmico do mercado, reduzir o custo do carboneto de silício, além de aprimorar o processo de fabricação de cristais longos e de corte do carboneto de silício, significa expandir o tamanho do wafer, o que também representa um caminho consolidado no desenvolvimento de semicondutores. Dados da Wolfspeed mostram que a atualização do substrato de carboneto de silício de 6 para 8 polegadas pode aumentar a produção de chips qualificados em 80% a 90%, além de melhorar o rendimento e reduzir o custo unitário combinado em até 50%.
2023 é conhecido como o "primeiro ano do SiC de 8 polegadas". Neste ano, fabricantes nacionais e estrangeiros de carbeto de silício estão acelerando o desenvolvimento de estruturas de 8 polegadas. Um exemplo é o investimento expressivo da Wolfspeed, de US$ 14,55 bilhões, na expansão da produção de carbeto de silício, sendo uma parte importante desse investimento a construção de uma fábrica de substratos de SiC de 8 polegadas. O objetivo é garantir o fornecimento futuro de metal nu de SiC de 200 mm para diversas empresas. As empresas nacionais Tianyue Advanced e Tianke Heda também assinaram contratos de longo prazo com a Infineon para o fornecimento de substratos de carbeto de silício de 8 polegadas no futuro.
A partir deste ano, a tecnologia de carboneto de silício (SiC) passará de 6 para 8 polegadas. A Wolfspeed prevê que, até 2024, o custo unitário de chips com substrato de 8 polegadas será reduzido em mais de 60% em comparação com o custo unitário de chips com substrato de 6 polegadas em 2022. Essa redução de custos ampliará ainda mais o mercado de aplicações, conforme apontado por dados de pesquisa da Ji Bond Consulting. A participação de mercado atual dos produtos de 8 polegadas é inferior a 2%, e a expectativa é que essa participação cresça para cerca de 15% até 2026.
Na verdade, a taxa de queda no preço do substrato de carbeto de silício pode superar a imaginação de muitas pessoas. A oferta atual de mercado para substratos de 6 polegadas é de 4.000 a 5.000 yuans por peça, um valor que caiu bastante em comparação com o início do ano. A expectativa é que o preço caia para menos de 4.000 yuans no próximo ano. Vale ressaltar que alguns fabricantes, visando conquistar o mercado prioritário, reduziram o preço de venda abaixo do custo, iniciando uma guerra de preços. Essa guerra concentra-se principalmente no fato de que a oferta de substratos de carbeto de silício para baixa tensão tem sido relativamente suficiente, e fabricantes nacionais e estrangeiros estão expandindo agressivamente sua capacidade de produção, o que pode levar a uma superoferta de substratos de carbeto de silício antes do previsto.
Data da publicação: 19/01/2024