Giới thiệu về silicon carbide
Silicon carbide (SiC) là một vật liệu bán dẫn hợp chất bao gồm carbon và silicon, là một trong những vật liệu lý tưởng để chế tạo các thiết bị nhiệt độ cao, tần số cao, công suất cao và điện áp cao. So với vật liệu silicon truyền thống (Si), khoảng cách dải của silicon carbide gấp 3 lần silicon. Độ dẫn nhiệt gấp 4-5 lần silicon; Điện áp đánh thủng gấp 8-10 lần silicon; Tốc độ trôi bão hòa điện tử gấp 2-3 lần silicon, 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 silicon carbide và MOSFET đã được ứng dụng thương mại.
Khả năng chịu nhiệt độ cao. Độ rộng khe hở dải của silicon carbide gấp 2-3 lần silicon, các electron không dễ chuyển tiếp 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, làm cho thiết bị đầu cuối 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, dẫn đến không có dòng điện kéo dài trong quá trình tắt máy, có thể cải thiện hiệu quả tần số chuyển mạch của thiết bị và hiện thực hóa việc thu nhỏ thiết bị.
Tổn thất năng lượng thấp. So với vật liệu silicon, silicon carbide có điện trở bật rất thấp và tổn thất bật thấp. Đồng thời, chiều rộng khoảng cách dải cao của silicon carbide làm giảm đáng kể dòng điện rò rỉ và tổn thất điện năng. Ngoài ra, thiết bị silicon carbide không có hiện tượng kéo theo 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, sản xuất, niêm phong, v.v. Silic cacbua từ vật liệu đến thiết bị điện bán dẫn sẽ trải qua quá trình tăng trưởng tinh thể đơn, cắt phôi, tăng trưởng epitaxial, thiết kế wafer, sản xuất, đóng gói và các quy trình khác. Sau khi tổng hợp bột silicon carbide, đầu tiên tạo ra thỏi silicon carbide, sau đó thu được chất nền silicon carbide bằng cách cắt, nghiền và đánh bóng, và tấm epitaxial thu được bằng cách tăng trưởng epitaxial. Wafer epitaxial được làm bằng silicon carbide thông qua quá trình quang khắc, khắc, cấy ion, thụ động hóa kim loại và các quy trình khác, wafer được cắt thành khuôn, thiết bị được đóng gói và thiết bị được kết hợp thành một lớp vỏ đặc biệt và lắp ráp thành một 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, là rào cản kỹ thuật sản xuất cao nhất, giá trị lớn nhất, là cốt lõi của quá trình công nghiệp hóa SiC quy mô lớn trong tương lai.
Theo quan điểm 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 sản xuất các thiết bị rời rạc như thiết bị điện và thiết bị tần số vô tuyến tương ứng 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 chế tạo, 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 nguồn silicon truyền thống, thiết bị nguồn 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 sản xuất trên diode Schottky, MOSFET, IGBT và các thiết bị nguồn khác.
Bột silicon carbide được tổng hợp từ bột carbon có độ tinh khiết cao và bột silicon có độ tinh khiết cao, và các thỏi silicon carbide có kích thước khác nhau được nuôi cấy trong trường nhiệt độ đặc biệt, sau đó chất nền silicon carbide được sản xuất thông qua nhiều quy trình xử lý. Quy trình cốt lõi bao gồm:
Tổng hợp nguyên liệu thô: Bột silic tinh khiết cao + mực in được trộn theo công thức, và phản ứng được thực hiện trong buồng phản ứng dưới điều kiện nhiệt độ cao trên 2000 ° C để tổng hợp các hạt silic cacbua có loại tinh thể và kích thước hạt cụ thể. Sau đó thông qua các quá trình nghiền, sàng, làm sạch và các quy trình khác, để đáp ứng các yêu cầu của nguyên liệu bột silic cacbua có độ tinh khiết cao.
Sự phát triển tinh thể là quá trình cốt lõi của quá trình sản xuất chất nền silicon carbide, quyết định các tính chất điện của chất nền silicon carbide. Hiện nay, các phương pháp chính để phát triển tinh thể 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 thương mại chất nền SiC hiện nay, có độ trưởng thành 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 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 kiểm soát chính xác, sẽ có 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 phải hình thành công nghệ kiểm soát trường nhiệt độ 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 nhiệt độ cao, oxy hóa nhiệt độ cao, hoạt hóa nhiệt độ cao và quy trình mặt nạ cứng mà các quy trình nhiệt độ cao này yêu cầu.
Tốc độ tăng trưởng tinh thể chậm: tốc độ tăng trưởng của thanh tinh thể Si có thể đạt 30 ~ 150mm/h và sản xuất thanh tinh thể silic 1-3m chỉ mất khoảng 1 ngày; thanh tinh thể SiC với phương pháp PVT làm ví dụ, tốc độ tăng trưởng khoảng 0,2-0,4mm/h, 7 ngày phát triển dưới 3-6cm, tốc độ tăng trưởng dưới 1% vật liệu silic, 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 một buồng kín có 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 SiC là 9,25 chỉ đứng sau kim cương, dẫn đến độ khó cắt, mài và đánh bóng tăng đáng kể, và mất 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 trưởng thành và các công ty hàng đầu đã gia nhập 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 mang lại sự gia tăng số lượng chip đơn, cải thiện tỷ lệ năng suất và giảm tỷ lệ chip biên, chi phí nghiên cứu và phát triển và 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, các sản phẩm SiC SBD điện áp trung bình và cao có độ ổn định tốt, trong OBC của xe, việc sử dụng SiC SBD + SI IGBT để đạt được mật độ dòng điện ổn định. Hiện nay, không có rào cản nào trong thiết kế bằng sáng chế của các sản phẩm SiC SBD tại Trung Quốc và khoảng cách với các nước ngoài là rất nhỏ.
SiC MOS vẫn còn nhiều khó khăn, vẫn còn khoảng cách giữa SiC MOS và các nhà sản xuất ở nước ngoài, và nền tảng sản xuất có liên quan vẫn đang được xây dựng. Hiện tại, ST, Infineon, Rohm và các SiC MOS 600-1700V khác đã đạt được sản xuất hàng loạt và đã ký kết và vận chuyển với nhiều ngành công nghiệp sản xuất, trong khi thiết kế SiC MOS trong nước hiện tại đã cơ bản hoàn thành, một số nhà sản xuất thiết kế đang làm việc với các nhà máy ở giai đoạn dòng chảy wafer và sau đó xác minh khách hàng vẫn cần một 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 được sử dụng rộng rãi trong lĩnh vực áp suất cao trong tương lai. Các nhà sản xuất MOS SiC cấu trúc phẳng rất nhiều, cấu trúc phẳng không dễ tạo ra các vấn đề hỏng hóc cục bộ so với rãnh, ảnh hưởng đến tính ổn định của công việc, trên thị trường dưới 1200V có phạm vi giá trị ứng dụng rộng, và cấu trúc phẳng tương đối đơn giản trong khâu sản xuất, đáp ứng được hai khía cạnh về 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 chuyển mạch nhanh, tổn thất 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 mặt cấu trúc giữa cung và cầu
Với sự tăng trưởng nhanh chóng của nhu cầu thị trường đối với thiết bị điện tử công suất cao và tần số cao, nút thắt giới hạn vật lý của các thiết bị bán dẫn dựa trên silicon đã dần trở nên nổi bật và vật liệu bán dẫn thế hệ thứ ba được đại diện bởi silicon carbide (SiC) đã dần trở nên công nghiệp hóa. Theo quan điểm về hiệu suất vật liệu, silicon carbide có độ rộng khoảng cách dải gấp 3 lần vật liệu silicon, cường độ trường điện đánh thủng quan trọng gấp 10 lần, độ dẫn nhiệt gấp 3 lần, vì vậy các thiết bị điện silicon carbide phù hợp với tần số cao, áp suất cao, nhiệt độ cao và các ứng dụng khác, 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 chuyển ra thị trường và có những sản phẩm trưởng thành hơn, trong đó diode SiC được sử dụng rộng rãi thay cho diode gốc 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 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 trưởng thành là xu hướng chính, tương lai hoặc phát triển lớp phủ nhựa, các đặc điểm phát triển tùy chỉnh của nó phù hợp hơn với các mô-đun SiC.
Giá silicon carbide giảm nhanh hoặc vượt quá sức tưởng tượng
Ứng dụng của các thiết bị silicon carbide chủ yếu bị hạn chế bởi chi phí cao, giá của SiC MOSFET dưới cùng một mức cao gấp 4 lần so với IGBT nền Si, điều này là do quá trình silicon carbide phức tạp, trong đó sự phát triển của tinh thể đơn và epitaxial không chỉ khắc nghiệt với môi trường mà tốc độ phát triển còn chậm và quá trình xử lý tinh thể đơn thành chất nền phải trải qua quá trình cắt và đánh bóng. Dựa trên đặc điểm vật liệu riêng và công nghệ xử lý chưa hoàn thiện, năng suất chất nền trong nước dưới 50% và nhiều yếu tố khác nhau dẫn đến giá chất nền và epitaxial cao.
Tuy nhiên, thành phần chi phí của các thiết bị silicon carbide và các thiết bị dựa trên silicon lại hoàn toàn trái ngược nhau, chi phí 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 nền chỉ chiếm 7%. Hiện tượng giá trị của chuỗi công nghiệp silicon carbide đảo ngược có nghĩa là các nhà sản xuất epitaxy nền thượng nguồn có quyền cốt lõi để lên tiếng, đây là chìa khóa cho việc bố trí các doanh nghiệp trong và ngoài nước.
Theo quan điểm động trên thị trường, việc giảm chi phí silicon carbide, ngoài việc cải thiện tinh thể silicon carbide dài và quy trình cắt lát, còn là mở rộng kích thước wafer, đây cũng là con đường trưởng thành của sự phát triển chất bán dẫn trong quá khứ, dữ liệu Wolfspeed cho thấy rằng việc nâng cấp chất nền silicon carbide từ 6 inch lên 8 inch, sản xuất chip đủ tiêu chuẩn có thể tăng 80%-90% và giúp cải thiện năng suất. Có thể giảm 50% chi phí đơn vị kết hợp.
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 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 vào năm 2022 sẽ giảm hơn 60% và sự sụt giảm chi phí sẽ mở rộng hơn nữa thị trường ứng dụng, dữ liệu nghiên cứu của Ji Bond Consulting chỉ ra. Thị phần hiện tại của các sản phẩm 8 inch là dưới 2% và thị phần dự kiến sẽ tăng lên khoảng 15% vào năm 2026.
Trên thực tế, tốc độ giảm giá của giá đỡ silicon carbide có thể vượt quá sức tưởng tượng của nhiều người, giá chào bán hiện tại trên thị trường của giá đỡ 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 mức dưới đường chi phí, mở ra mô hình chiến tranh giá cả, chủ yếu tập trung vào nguồn cung giá đỡ silicon carbide đã tương đối 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 giá đỡ silicon carbide sớm hơn dự kiến.
Thời gian đăng: 19-01-2024