Introdução ao carboneto de silício
O carboneto 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), a banda proibida do carboneto de silício é 3 vezes maior que a do silício. A condutividade térmica é de 4 a 5 vezes maior que a do silício; a tensão de ruptura é de 8 a 10 vezes maior que a do silício; a taxa de desvio de saturação eletrônica é de 2 a 3 vezes maior que a do silício, o que atende às necessidades da indústria moderna de alta potência, alta tensão e alta frequência. É usado principalmente para a produção de componentes eletrônicos de alta velocidade, alta frequência, alta potência e emissão de luz. Os campos de aplicação a jusante incluem redes inteligentes, veículos de nova energia, energia eólica fotovoltaica, comunicação 5G, etc. Diodos de carboneto de silício e MOSFETs têm sido aplicados comercialmente.
Resistência a altas temperaturas. A largura da banda proibida do carboneto de silício é de 2 a 3 vezes maior que a do silício, os elétrons não são facilmente transicionados em altas temperaturas e podem suportar temperaturas operacionais mais altas. A condutividade térmica do carboneto de silício é de 4 a 5 vezes maior que a do silício, facilitando a dissipação de calor do dispositivo e aumentando a temperatura limite de operação. A resistência a altas temperaturas pode aumentar significativamente a densidade de potência, reduzindo os requisitos do sistema de resfriamento, tornando o terminal mais leve e menor.
Suporta alta pressão. A intensidade do campo elétrico de ruptura do carboneto de silício é 10 vezes maior que a do silício, o que o torna capaz de suportar tensões mais altas e mais adequado para dispositivos de alta tensão.
Resistência de alta frequência. O carboneto de silício possui uma taxa de deriva de elétrons saturados duas vezes maior que a do silício, resultando na ausência de cauda de corrente durante o processo de desligamento, o que pode efetivamente melhorar a frequência de comutação do dispositivo e realizar sua miniaturização.
Baixa perda de energia. Comparado ao silício, o carboneto de silício apresenta baixíssima resistência e baixa perda de energia. Ao mesmo tempo, a grande largura de banda do carboneto de silício reduz significativamente a corrente de fuga e a perda de potência. Além disso, o dispositivo de carboneto de silício não apresenta o fenômeno de corrente residual durante o processo de desligamento, e a perda de comutação é baixa.
Cadeia da indústria de carboneto de silício
Inclui principalmente substrato, epitaxia, projeto do dispositivo, fabricação, selagem, etc. O carboneto de silício, do material ao dispositivo semicondutor de energia, passará por crescimento de cristal único, fatiamento de lingote, crescimento epitaxial, projeto de wafer, fabricação, embalagem e outros processos. Após a síntese do pó de carboneto de silício, o lingote de carboneto de silício é fabricado primeiro, e então o substrato de carboneto de silício é obtido por fatiamento, retificação e polimento, e a folha epitaxial é obtida por crescimento epitaxial. O wafer epitaxial é feito de carboneto de silício por meio de litografia, corrosão, implantação iônica, passivação metálica e outros processos. O wafer é cortado em matriz, o dispositivo é embalado e o dispositivo é combinado em uma carcaça especial e montado em um módulo.
A montante da cadeia industrial 1: substrato - o crescimento do cristal é o elo central do processo
O substrato de carboneto de silício é responsável por cerca de 47% do custo dos dispositivos de carboneto de silício, as maiores barreiras técnicas de fabricação, o maior valor, é o núcleo da futura industrialização em larga escala do SiC.
Do ponto de vista das diferenças nas propriedades eletroquímicas, os materiais do substrato de carboneto de silício podem ser divididos em substratos condutores (região de resistividade de 15 a 30 mΩ·cm) e substratos semi-isolados (resistividade superior a 105 Ω·cm). Esses dois tipos de substratos são usados para fabricar dispositivos discretos, como dispositivos de energia e dispositivos de radiofrequência, respectivamente, após crescimento epitaxial. Entre eles, o substrato de carboneto de silício semi-isolado é usado principalmente na fabricação de dispositivos de RF de nitreto de gálio, dispositivos fotoelétricos e assim por diante. Através do crescimento da camada epitaxial de gan em substrato de SIC semi-isolado, a placa epitaxial de sic é preparada, a qual pode ser posteriormente preparada em dispositivos de RF de isonitrido de gan HEMT. O substrato de carboneto de silício condutor é usado principalmente na fabricação de dispositivos de energia. Diferentemente do processo tradicional de fabricação de dispositivos de energia de silício, o dispositivo de energia de carboneto de silício não pode ser feito diretamente no substrato de carboneto de silício, a camada epitaxial de carboneto de silício precisa ser cultivada no substrato condutor para obter a folha epitaxial de carboneto de silício, e a camada epitaxial é fabricada no diodo Schottky, MOSFET, IGBT e outros dispositivos de energia.
O pó de carboneto de silício foi sintetizado a partir de pó de carbono de alta pureza e pó de silício de alta pureza. Lingotes de carboneto de silício de diferentes tamanhos foram cultivados em um campo de temperatura especial, e o substrato de carboneto 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 + toner são misturados de acordo com a fórmula, e a reação é realizada na câmara de reação sob alta temperatura acima de 2000 °C para sintetizar partículas de carboneto de silício com tipo de cristal e tamanho de partícula específicos. Em seguida, passa por processos de britagem, peneiramento, limpeza e outros, para atender aos requisitos de matérias-primas de pó de carboneto de silício de alta pureza.
O crescimento de cristais é o processo central da fabricação de substratos de carboneto de silício, determinando suas propriedades elétricas. Atualmente, os principais métodos para 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 principal método para o crescimento comercial de substratos de SiC, com a maior maturidade técnica e o mais amplamente utilizado em engenharia.
A preparação do substrato de SiC é difícil, o que leva ao seu alto preço
O controle do campo de temperatura é difícil: o crescimento da haste de cristal de Si precisa apenas de 1500 ℃, enquanto a haste de cristal de SiC precisa ser cultivada em altas temperaturas acima de 2000 ℃, e há mais de 250 isômeros de SiC, mas a principal estrutura de cristal único 4H-SiC para a produção de dispositivos de energia, se não houver controle preciso, obterá outras estruturas cristalinas. Além disso, o gradiente de temperatura no cadinho determina a taxa de transferência de sublimação de SiC e o arranjo e modo de crescimento dos átomos gasosos na interface do cristal, o que afeta a taxa de crescimento do cristal e a qualidade do cristal, por isso é necessário formar uma tecnologia de controle de campo de temperatura sistemática. Comparado com materiais de Si, a diferença na produção de SiC também está em processos de alta temperatura, como implantação de íons de alta temperatura, oxidação de alta temperatura, ativação de alta temperatura e o processo de máscara rígida exigido por esses processos de alta temperatura.
Crescimento lento do cristal: a taxa de crescimento da haste de cristal de Si pode atingir 30 ~ 150 mm/h, e a produção de uma haste de cristal de silício de 1-3 m leva apenas cerca de 1 dia; haste de cristal de SiC com método PVT como exemplo, a taxa de crescimento é de cerca de 0,2-0,4 mm/h, 7 dias para crescer menos de 3-6 cm, a taxa de crescimento é inferior a 1% do material de silício, a capacidade de produção é extremamente limitada.
Altos parâmetros do produto e baixo rendimento: os principais parâmetros do substrato de SiC incluem densidade de microtúbulos, densidade de deslocamento, resistividade, empenamento, rugosidade da superfície, etc. É um sistema complexo de engenharia para organizar átomos em uma câmara fechada de alta temperatura e completar o crescimento do cristal, ao mesmo tempo em que controla os índices dos parâmetros.
O material apresenta alta dureza, alta fragilidade, longo tempo de corte e alto desgaste: a dureza Mohs do SiC de 9,25 só perde para o diamante, o que aumenta significativamente a dificuldade de corte, retificação e polimento, levando a um corte de 35 a 40 peças de um lingote de 3 cm de espessura em aproximadamente 120 horas. Além disso, devido à alta fragilidade do SiC, o desgaste no processamento do wafer será maior, e a taxa de produção será de apenas cerca de 60%.
Tendência de desenvolvimento: aumento de tamanho + redução de preço
O mercado global de SiC para linhas de produção em massa de 6 polegadas está amadurecendo, e empresas líderes entraram no mercado de 8 polegadas. Os projetos de desenvolvimento doméstico são principalmente de 6 polegadas. Atualmente, embora a maioria das empresas nacionais ainda se baseie em linhas de produção de 4 polegadas, a indústria está se expandindo gradualmente para 6 polegadas. Com a maturidade da tecnologia de equipamentos de suporte de 6 polegadas, a tecnologia doméstica de substrato de SiC também está melhorando gradualmente as economias de escala das linhas de produção de grande porte, e o atual intervalo de tempo de produção em massa de 6 polegadas domésticas foi reduzido para 7 anos. O tamanho maior do wafer pode aumentar o número de chips individuais, melhorar a taxa de rendimento e reduzir a proporção de chips de borda, e 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 design dos dispositivos
A comercialização de diodos de SiC vem sendo gradualmente aprimorada. Atualmente, diversos fabricantes nacionais têm projetado produtos SiC SBD. Os produtos SiC SBD de média e alta tensão apresentam boa estabilidade. Em OBCs de veículos, utiliza-se SiC SBD + IGBT de SiC para obter densidade de corrente estável. Atualmente, não há barreiras para o design de patentes de produtos SiC SBD na China, e a lacuna com países estrangeiros é pequena.
O SiC MOS ainda enfrenta muitas dificuldades, ainda existe uma lacuna entre o SiC MOS e os fabricantes estrangeiros, e a plataforma de fabricação relevante ainda está em construção. Atualmente, ST, Infineon, Rohm e outras empresas de SiC MOS de 600-1700V já alcançaram a produção em massa e assinaram e enviaram para diversas indústrias de manufatura. Enquanto o projeto atual do SiC MOS nacional está basicamente concluído, vários fabricantes de projeto estão trabalhando com as fábricas na fase de fluxo de wafer, e a verificação posterior do cliente ainda leva algum tempo, portanto, ainda há um longo período até a comercialização em larga escala.
Atualmente, a estrutura plana é a escolha principal, e o tipo trincheira será amplamente utilizado no campo de alta pressão no futuro. Existem muitos fabricantes de SiC MOS de estrutura plana. Em comparação com a ranhura, a estrutura plana não é fácil de produzir problemas de ruptura local, o que afeta a estabilidade do trabalho. No mercado abaixo de 1200 V, possui uma ampla gama de valores de aplicação, e a estrutura plana é relativamente simples na extremidade de fabricação, atendendo aos dois aspectos de manufaturabilidade e controle de custos. O dispositivo de ranhura apresenta as vantagens de indutância parasita extremamente baixa, alta velocidade de comutação, baixa perda 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 do mercado por eletrônicos de alta frequência e alta potência, o gargalo físico dos dispositivos semicondutores à base de silício tornou-se gradualmente proeminente, e os materiais semicondutores de terceira geração, representados pelo carboneto de silício (SiC), tornaram-se gradualmente industrializados. Em termos de desempenho, o carboneto de silício possui três vezes a largura de banda do material de silício, dez vezes a intensidade do campo elétrico de ruptura crítica e três vezes a condutividade térmica, tornando os dispositivos de potência de carboneto de silício adequados para aplicações de alta frequência, alta pressão e alta temperatura, entre outras, contribuindo para melhorar a eficiência e a densidade de potência dos sistemas eletrônicos de potência.
Atualmente, os diodos SiC e os MOSFETs SiC estão gradualmente entrando no mercado, e há produtos mais maduros, entre os quais os diodos SiC são amplamente utilizados em vez de diodos à base de silício em alguns campos porque não têm a vantagem de carga de recuperação reversa; O MOSFET SiC também está sendo gradualmente usado em automotivo, armazenamento de energia, pilha de carregamento, fotovoltaico e outros campos; No campo de aplicações automotivas, a tendência de modularização está se tornando cada vez mais proeminente, o desempenho superior do SiC precisa contar com processos de empacotamento avançados para ser alcançado, tecnicamente com a vedação de invólucro relativamente madura como o principal, o futuro ou o desenvolvimento de vedação de plástico, suas características de desenvolvimento personalizadas são mais adequadas para módulos SiC.
Velocidade de queda do preço do carboneto de silício ou além da imaginação
A aplicação de dispositivos de carboneto de silício é limitada principalmente pelo alto custo. O preço do MOSFET de SiC, no mesmo nível, é quatro vezes maior que o do IGBT à base de Si. Isso se deve à complexidade do processo de carboneto de silício, no qual o crescimento do monocristal e do epitaxial não é apenas prejudicial ao meio ambiente, mas também apresenta uma taxa de crescimento lenta, e o processamento do monocristal no substrato deve passar por processos de corte e polimento. Devido às suas próprias características do material e à tecnologia de processamento imatura, o rendimento do substrato doméstico é inferior a 50%, e vários fatores levam aos altos preços do substrato e do epitaxial.
No entanto, a composição de custos dos dispositivos de carboneto 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% de todo o dispositivo, respectivamente, totalizando cerca de 70%. O projeto, a fabricação e os elos de vedação do canal traseiro representam apenas 30%. O custo de produção dos dispositivos à base de silício concentra-se principalmente na fabricação de wafers do canal traseiro, cerca de 50%, e o custo do substrato representa apenas 7%. O fenômeno da inversão do valor da cadeia da indústria de carboneto de silício significa que os fabricantes de epitaxia de substrato a montante têm o direito fundamental de falar, o que é a chave para o layout das empresas nacionais e estrangeiras.
Do ponto de vista dinâmico do mercado, a redução do custo do carboneto de silício, além de aprimorar o cristal longo e o processo de fatiamento, visa expandir o tamanho do wafer, que também é um caminho maduro para o desenvolvimento de semicondutores no passado. Dados da Wolfspeed mostram que a atualização do substrato de carboneto de silício de 6 polegadas para 8 polegadas pode aumentar a produção de chips qualificados em 80% a 90%, ajudando a melhorar o rendimento. Isso pode reduzir o custo unitário combinado em 50%.
O ano de 2023 é conhecido como o "primeiro ano do SiC de 8 polegadas". Neste ano, fabricantes nacionais e estrangeiros de carboneto de silício estão acelerando o layout do carboneto de silício de 8 polegadas, como o investimento louco da Wolfspeed de 14,55 bilhões de dólares americanos para expansão da produção de carboneto de silício, uma parte importante da qual é a construção de uma planta de fabricação de substrato de SiC de 8 polegadas. Para garantir o fornecimento futuro de metal nu de SiC de 200 mm para várias empresas, a Tianyue Advanced e a Tianke Heda domésticas também assinaram acordos de longo prazo com a Infineon para fornecer substratos de carboneto de silício de 8 polegadas no futuro.
A partir deste ano, o carboneto de silício passará de 6 polegadas para 8 polegadas. A Wolfspeed espera que, até 2024, o custo unitário do chip do substrato de 8 polegadas seja reduzido em mais de 60% em comparação com o custo unitário do chip do substrato de 6 polegadas em 2022, e essa queda de custo abrirá ainda mais o mercado de aplicações, apontaram dados de pesquisa da Ji Bond Consulting. A participação de mercado atual de produtos de 8 polegadas é inferior a 2%, e a expectativa é que cresça para cerca de 15% até 2026.
Na verdade, a taxa de declínio no preço do substrato de carboneto de silício pode exceder a imaginação de muitas pessoas, a oferta atual do mercado de substrato de 6 polegadas é de 4.000 a 5.000 yuans/peça, em comparação com o início do ano caiu muito, espera-se que caia abaixo de 4.000 yuans no próximo ano, vale a pena notar que alguns fabricantes, a fim de obter o primeiro mercado, reduziram o preço de venda para a linha de custo abaixo, abriu o modelo da guerra de preços, concentrada principalmente no fornecimento de substrato de carboneto de silício tem sido relativamente suficiente no campo de baixa tensão, os fabricantes nacionais e estrangeiros estão expandindo agressivamente a capacidade de produção, ou deixam o estágio de excesso de oferta de substrato de carboneto de silício mais cedo do que o imaginado.
Horário da publicação: 19/01/2024