Giới thiệu về silicon carbide
Silic cacbua (SiC) là một vật liệu bán dẫn hợp chất được tạo thành từ cacbon và silic, là một trong những vật liệu lý tưởng để chế tạo các thiết bị chịu nhiệt độ cao, tần số cao, công suất cao và điện áp cao. So với vật liệu silic truyền thống (Si), khoảng cách dải của silic cacbua gấp 3 lần silic. Độ dẫn nhiệt gấp 4-5 lần silic; Điện áp đánh thủng gấp 8-10 lần silic; Tốc độ trôi bão hòa điện tử gấp 2-3 lần silic, đáp ứng nhu cầu của ngành công nghiệp hiện đại về công suất cao, điện áp cao và tần số cao. Nó chủ yếu được sử dụng để sản xuất các linh kiện điện tử tốc độ cao, tần số cao, công suất cao và phát sáng. Các lĩnh vực ứng dụng hạ nguồn bao gồm lưới điện thông minh, xe năng lượng mới, năng lượng gió quang điện, truyền thông 5G, v.v. Điốt silic cacbua và MOSFET đã được ứng dụng thương mại.
Khả năng chịu nhiệt độ cao. Độ rộng vùng cấm của silicon carbide gấp 2-3 lần silicon, các electron không dễ bị dịch chuyển ở nhiệt độ cao và có thể chịu được nhiệt độ hoạt động cao hơn. Độ dẫn nhiệt của silicon carbide gấp 4-5 lần silicon, giúp tản nhiệt thiết bị dễ dàng hơn và nhiệt độ hoạt động giới hạn cao hơn. Khả năng chịu nhiệt độ cao có thể làm tăng đáng kể mật độ công suất, đồng thời giảm yêu cầu về hệ thống làm mát, giúp thiết bị nhẹ hơn và nhỏ hơn.
Chịu được áp suất cao. Cường độ điện trường đánh thủng của silicon carbide gấp 10 lần silicon, có thể chịu được điện áp cao hơn và phù hợp hơn với các thiết bị điện áp cao.
Điện trở tần số cao. Silicon carbide có tốc độ trôi electron bão hòa gấp đôi silicon, giúp không có hiện tượng dòng điện chạy qua trong quá trình tắt máy, có thể cải thiện hiệu quả tần số chuyển mạch của thiết bị và thu nhỏ thiết bị.
Tổn thất năng lượng thấp. So với vật liệu silicon, silicon carbide có điện trở bật và tổn thất bật rất thấp. Đồng thời, độ rộng vùng cấm lớn của silicon carbide giúp giảm đáng kể dòng điện rò rỉ và tổn thất công suất. Ngoài ra, thiết bị silicon carbide không có hiện tượng kéo dài dòng điện trong quá trình tắt máy, và tổn thất chuyển mạch thấp.
Chuỗi công nghiệp silicon carbide
Nó chủ yếu bao gồm chất nền, epitaxy, thiết kế thiết bị, chế tạo, hàn kín, v.v. Từ vật liệu đến thiết bị điện bán dẫn, silicon carbide sẽ trải qua quá trình tăng trưởng tinh thể đơn, cắt phôi, tăng trưởng epitaxy, thiết kế wafer, chế tạo, đóng gói và các quy trình khác. Sau khi tổng hợp bột silicon carbide, đầu tiên là tạo phôi silicon carbide, sau đó thu được chất nền silicon carbide bằng cách cắt, nghiền và đánh bóng, và thu được tấm epitaxy bằng cách tăng trưởng epitaxy. Tấm epitaxy được chế tạo từ silicon carbide thông qua các quy trình như in thạch bản, khắc, cấy ion, thụ động hóa kim loại và các quy trình khác. Sau đó, wafer được cắt thành khuôn, đóng gói thiết bị, và thiết bị được kết hợp thành một vỏ đặc biệt và lắp ráp thành mô-đun.
Thượng nguồn của chuỗi công nghiệp 1: quá trình cốt lõi là sự phát triển của chất nền - tinh thể
Chất nền silicon carbide chiếm khoảng 47% chi phí của các thiết bị silicon carbide, rào cản kỹ thuật sản xuất cao nhất, giá trị lớn nhất, là cốt lõi của công nghiệp hóa SiC quy mô lớn trong tương lai.
Xét về sự khác biệt về tính chất điện hóa, vật liệu nền silicon carbide có thể được chia thành nền dẫn điện (vùng điện trở suất 15~30mΩ·cm) và nền bán cách điện (điện trở suất cao hơn 105Ω·cm). Hai loại nền này được sử dụng để chế tạo các thiết bị rời rạc như thiết bị điện và thiết bị tần số vô tuyến sau khi phát triển epitaxial. Trong số đó, nền silicon carbide bán cách điện chủ yếu được sử dụng trong sản xuất các thiết bị RF gali nitride, thiết bị quang điện, v.v. Bằng cách phát triển lớp epitaxial gan trên nền SIC bán cách điện, tấm epitaxial sic được tạo ra, có thể được chế tạo thêm thành các thiết bị RF HEMT gan iso-nitride. Nền silicon carbide dẫn điện chủ yếu được sử dụng trong sản xuất các thiết bị điện. Khác với quy trình sản xuất thiết bị điện silicon truyền thống, thiết bị điện silicon carbide không thể được chế tạo trực tiếp trên nền silicon carbide, lớp epitaxial silicon carbide cần được phát triển trên nền dẫn điện để thu được tấm epitaxial silicon carbide và lớp epitaxial được chế tạo trên diode Schottky, MOSFET, IGBT và các thiết bị điện khác.
Bột silicon carbide được tổng hợp từ bột carbon và bột silicon có độ tinh khiết cao, sau đó các thỏi silicon carbide có kích thước khác nhau được nuôi cấy trong điều kiện nhiệt độ đặc biệt, và sau đó đế silicon carbide được sản xuất thông qua nhiều quy trình xử lý. Quy trình cốt lõi bao gồm:
Tổng hợp nguyên liệu thô: Bột silicon có độ tinh khiết cao + mực in được trộn theo công thức, phản ứng được thực hiện trong buồng phản ứng ở nhiệt độ cao trên 2000°C để tổng hợp các hạt silicon carbide với loại tinh thể và kích thước hạt cụ thể. Sau đó, thông qua các quy trình nghiền, sàng lọc, làm sạch và các quy trình khác, để đáp ứng các yêu cầu của nguyên liệu bột silicon carbide có độ tinh khiết cao.
Sự phát triển tinh thể là quá trình cốt lõi trong sản xuất đế silicon carbide, quyết định các tính chất điện của đế silicon carbide. Hiện nay, các phương pháp phát triển tinh thể chính là truyền hơi vật lý (PVT), lắng đọng hơi hóa học nhiệt độ cao (HT-CVD) và epitaxy pha lỏng (LPE). Trong số đó, phương pháp PVT là phương pháp chính để phát triển đế SiC thương mại hiện nay, với độ hoàn thiện kỹ thuật cao nhất và được sử dụng rộng rãi nhất trong kỹ thuật.
Việc chuẩn bị chất nền SiC rất khó khăn, dẫn đến giá thành cao
Kiểm soát trường nhiệt độ rất khó: Thanh tinh thể Si chỉ cần phát triển ở nhiệt độ 1500℃, trong khi thanh tinh thể SiC cần được phát triển ở nhiệt độ cao trên 2000℃ và có hơn 250 đồng phân SiC, nhưng cấu trúc tinh thể đơn 4H-SiC chính để sản xuất các thiết bị điện, nếu không được kiểm soát chính xác, sẽ thu được các cấu trúc tinh thể khác. Ngoài ra, độ dốc nhiệt độ trong nồi nấu quyết định tốc độ truyền thăng hoa SiC và chế độ sắp xếp và phát triển của các nguyên tử khí trên giao diện tinh thể, ảnh hưởng đến tốc độ phát triển tinh thể và chất lượng tinh thể, vì vậy cần hình thành công nghệ kiểm soát trường nhiệt độ một cách có hệ thống. So với vật liệu Si, sự khác biệt trong sản xuất SiC cũng nằm ở các quy trình nhiệt độ cao như cấy ion ở nhiệt độ cao, oxy hóa ở nhiệt độ cao, hoạt hóa ở nhiệt độ cao và quy trình mặt nạ cứng cần thiết cho các quy trình nhiệt độ cao này.
Tốc độ phát triển tinh thể chậm: tốc độ phát triển của thanh tinh thể Si có thể đạt 30 ~ 150mm/h và sản xuất thanh tinh thể silicon 1-3m chỉ mất khoảng 1 ngày; thanh tinh thể SiC với phương pháp PVT làm ví dụ, tốc độ phát triển khoảng 0,2-0,4mm/h, 7 ngày phát triển dưới 3-6cm, tốc độ phát triển dưới 1% vật liệu silicon, năng lực sản xuất cực kỳ hạn chế.
Thông số sản phẩm cao và năng suất thấp: các thông số cốt lõi của chất nền SiC bao gồm mật độ vi ống, mật độ sai lệch, điện trở suất, độ cong vênh, độ nhám bề mặt, v.v. Đây là một hệ thống kỹ thuật phức tạp để sắp xếp các nguyên tử trong buồng kín nhiệt độ cao và hoàn thành quá trình phát triển tinh thể, đồng thời kiểm soát các chỉ số thông số.
Vật liệu có độ cứng cao, độ giòn cao, thời gian cắt dài và độ mài mòn cao: Độ cứng Mohs của SiC là 9,25, chỉ đứng sau kim cương, khiến độ khó cắt, mài và đánh bóng tăng đáng kể, và cần khoảng 120 giờ để cắt 35-40 miếng phôi dày 3cm. Ngoài ra, do độ giòn cao của SiC, độ mài mòn trong quá trình gia công wafer sẽ lớn hơn, tỷ lệ đầu ra chỉ khoảng 60%.
Xu hướng phát triển: Tăng quy mô + giảm giá
Dây chuyền sản xuất khối lượng 6 inch trên thị trường SiC toàn cầu đang dần hoàn thiện và các công ty hàng đầu đã bước vào thị trường 8 inch. Các dự án phát triển trong nước chủ yếu là 6 inch. Hiện tại, mặc dù hầu hết các công ty trong nước vẫn dựa trên dây chuyền sản xuất 4 inch, nhưng ngành công nghiệp này đang dần mở rộng sang 6 inch, với sự trưởng thành của công nghệ thiết bị hỗ trợ 6 inch, công nghệ nền SiC trong nước cũng đang dần cải thiện quy mô kinh tế của các dây chuyền sản xuất quy mô lớn sẽ được phản ánh và khoảng cách thời gian sản xuất hàng loạt 6 inch trong nước hiện tại đã thu hẹp xuống còn 7 năm. Kích thước wafer lớn hơn có thể làm tăng số lượng chip đơn, cải thiện tỷ lệ năng suất và giảm tỷ lệ chip biên, đồng thời chi phí nghiên cứu và phát triển cũng như tổn thất năng suất sẽ được duy trì ở mức khoảng 7%, do đó cải thiện việc sử dụng wafer.
Vẫn còn nhiều khó khăn trong thiết kế thiết bị
Việc thương mại hóa diode SiC đang dần được cải thiện. Hiện nay, một số nhà sản xuất trong nước đã thiết kế các sản phẩm SiC SBD, với độ ổn định tốt. Trong OBC của xe, việc sử dụng SiC SBD + IGBT SI giúp đạt được mật độ dòng điện ổn định. Hiện tại, việc thiết kế bằng sáng chế sản phẩm SiC SBD tại Trung Quốc không gặp rào cản nào, và khoảng cách với các nước khác là rất nhỏ.
SiC MOS vẫn còn nhiều khó khăn, khoảng cách giữa SiC MOS và các nhà sản xuất nước ngoài vẫn còn lớn, và nền tảng sản xuất liên quan vẫn đang trong quá trình xây dựng. Hiện tại, ST, Infineon, Rohm và các loại SiC MOS 600-1700V khác đã được sản xuất hàng loạt và ký kết hợp đồng vận chuyển với nhiều ngành công nghiệp sản xuất. Thiết kế SiC MOS hiện tại trong nước về cơ bản đã hoàn thành, một số nhà sản xuất thiết kế đang làm việc với các nhà máy ở giai đoạn sản xuất wafer, và việc xác minh sau đó của khách hàng vẫn cần thêm thời gian, vì vậy vẫn còn một thời gian dài nữa mới có thể thương mại hóa quy mô lớn.
Hiện nay, cấu trúc phẳng là lựa chọn chủ đạo, và loại rãnh sẽ được sử dụng rộng rãi trong lĩnh vực áp suất cao trong tương lai. Có rất nhiều nhà sản xuất MOS SiC cấu trúc phẳng, cấu trúc phẳng ít gây ra sự cố đánh thủng cục bộ so với cấu trúc rãnh, ảnh hưởng đến độ ổn định của công việc. Trên thị trường điện áp dưới 1200V, cấu trúc phẳng có phạm vi ứng dụng rộng rãi, và cấu trúc phẳng tương đối đơn giản trong khâu chế tạo, đáp ứng cả hai khía cạnh khả năng sản xuất và kiểm soát chi phí. Thiết bị rãnh có ưu điểm là độ tự cảm ký sinh cực thấp, tốc độ đóng cắt nhanh, tổn hao thấp và hiệu suất tương đối cao.
2--Tin tức về wafer SiC
Tăng trưởng sản xuất và bán hàng trên thị trường silicon carbide, chú ý đến sự mất cân bằng về cơ cấu giữa cung và cầu
Với sự tăng trưởng nhanh chóng của nhu cầu thị trường về điện tử công suất cao và tần số cao, nút thắt giới hạn vật lý của các thiết bị bán dẫn nền silicon đã dần trở nên rõ ràng, và vật liệu bán dẫn thế hệ thứ ba, đại diện là silicon carbide (SiC), đã dần được công nghiệp hóa. Về mặt hiệu suất vật liệu, silicon carbide có độ rộng vùng cấm gấp 3 lần vật liệu silicon, cường độ điện trường đánh thủng tới hạn gấp 10 lần, độ dẫn nhiệt gấp 3 lần, vì vậy các thiết bị điện silicon carbide phù hợp với các ứng dụng tần số cao, áp suất cao, nhiệt độ cao, v.v., giúp cải thiện hiệu suất và mật độ công suất của hệ thống điện tử công suất.
Hiện nay, diode SiC và MOSFET SiC đã dần dần xuất hiện trên thị trường và có những sản phẩm hoàn thiện hơn, trong đó diode SiC được sử dụng rộng rãi thay cho diode silicon trong một số lĩnh vực vì chúng không có lợi thế về điện tích phục hồi ngược; MOSFET SiC cũng dần được sử dụng trong lĩnh vực ô tô, lưu trữ năng lượng, cọc sạc, quang điện và các lĩnh vực khác; Trong lĩnh vực ứng dụng ô tô, xu hướng mô-đun hóa ngày càng trở nên nổi bật, hiệu suất vượt trội của SiC cần dựa vào các quy trình đóng gói tiên tiến để đạt được, về mặt kỹ thuật với lớp vỏ tương đối hoàn thiện là xu hướng chính, tương lai hoặc phát triển lớp vỏ nhựa, các đặc tính phát triển tùy chỉnh của nó phù hợp hơn với các mô-đun SiC.
Giá silicon carbide giảm nhanh chóng hoặc vượt quá sức tưởng tượng
Việc ứng dụng linh kiện silicon carbide chủ yếu bị hạn chế bởi chi phí cao, giá của MOSFET SiC cùng loại cao gấp 4 lần so với IGBT nền Si. Nguyên nhân là do quy trình sản xuất silicon carbide phức tạp, trong đó quá trình phát triển tinh thể đơn và epitaxial không chỉ gây hại cho môi trường mà còn chậm, và quá trình xử lý tinh thể đơn thành đế phải trải qua quá trình cắt gọt và đánh bóng. Do đặc tính vật liệu riêng và công nghệ gia công chưa hoàn thiện, năng suất đế trong nước chỉ đạt dưới 50%, và nhiều yếu tố khác nhau dẫn đến giá đế và epitaxial cao.
Tuy nhiên, thành phần chi phí của các thiết bị silicon carbide và các thiết bị dựa trên silicon là hoàn toàn ngược lại, chi phí chất nền và epitaxy của kênh trước chiếm lần lượt 47% và 23% toàn bộ thiết bị, tổng cộng khoảng 70%, thiết kế thiết bị, chế tạo và liên kết niêm phong của kênh sau chỉ chiếm 30%, chi phí sản xuất của các thiết bị dựa trên silicon chủ yếu tập trung vào việc chế tạo wafer của kênh sau khoảng 50% và chi phí chất nền chỉ chiếm 7%. Hiện tượng giá trị của chuỗi công nghiệp silicon carbide đảo ngược có nghĩa là các nhà sản xuất epitaxy chất nền thượng nguồn có quyền cốt lõi để lên tiếng, đây là chìa khóa cho việc bố trí của các doanh nghiệp trong và ngoài nước.
Từ góc độ động lực của thị trường, việc giảm chi phí silicon carbide, ngoài việc cải thiện tinh thể silicon carbide dài và quy trình cắt lát, còn phải mở rộng kích thước wafer, đây cũng là con đường phát triển bán dẫn đã trưởng thành trong quá khứ. Dữ liệu của Wolfspeed cho thấy việc nâng cấp đế silicon carbide từ 6 inch lên 8 inch, sản lượng chip đủ tiêu chuẩn có thể tăng 80%-90%, giúp cải thiện năng suất. Có thể giảm 50% tổng chi phí đơn vị.
Năm 2023 được gọi là "năm đầu tiên của SiC 8 inch", năm nay, các nhà sản xuất silicon carbide trong và ngoài nước đang đẩy nhanh việc bố trí silicon carbide 8 inch, chẳng hạn như khoản đầu tư điên rồ của Wolfspeed là 14,55 tỷ đô la Mỹ để mở rộng sản xuất silicon carbide, một phần quan trọng trong số đó là xây dựng nhà máy sản xuất chất nền SiC 8 inch, Để đảm bảo nguồn cung cấp kim loại trần SiC 200 mm trong tương lai cho một số công ty; Tianyue Advanced trong nước và Tianke Heda cũng đã ký kết các thỏa thuận dài hạn với Infineon để cung cấp chất nền silicon carbide 8 inch trong tương lai.
Bắt đầu từ năm nay, silicon carbide sẽ tăng tốc từ 6 inch lên 8 inch. Wolfspeed dự kiến đến năm 2024, chi phí chip đơn vị của đế 8 inch so với chi phí chip đơn vị của đế 6 inch năm 2022 sẽ giảm hơn 60%, và sự giảm giá này sẽ tiếp tục mở ra thị trường ứng dụng, theo dữ liệu nghiên cứu của Ji Bond Consulting. Thị phần hiện tại của các sản phẩm 8 inch chưa đến 2%, và thị phần dự kiến sẽ tăng lên khoảng 15% vào năm 2026.
Trên thực tế, tốc độ giảm giá của chất nền silicon carbide có thể vượt quá sức tưởng tượng của nhiều người, giá chào bán hiện tại trên thị trường của chất nền 6 inch là 4000-5000 nhân dân tệ/chiếc, so với đầu năm đã giảm rất nhiều, dự kiến sẽ giảm xuống dưới 4000 nhân dân tệ vào năm tới, điều đáng chú ý là một số nhà sản xuất để có được thị trường đầu tiên, đã giảm giá bán xuống dưới đường giá thành, mở ra mô hình chiến tranh giá cả, chủ yếu tập trung vào chất nền silicon carbide cung cấp tương đối đầy đủ trong lĩnh vực điện áp thấp, các nhà sản xuất trong và ngoài nước đang tích cực mở rộng năng lực sản xuất, hoặc để giai đoạn cung vượt cầu chất nền silicon carbide sớm hơn dự kiến.
Thời gian đăng: 19-01-2024