Giới thiệu về cacbua silic
Cacbua silic (SiC) là vật liệu bán dẫn hỗn hợp 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 silicon cacbua gấp 3 lần so với silicon.Độ dẫn nhiệt gấp 4-5 lần silicon;Điện áp đánh thủng gấp 8-10 lần so với silicon;Tốc độ trôi bão hòa điện tử gấp 2-3 lần so với 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, phương tiện sử dụng năng lượng mới, năng lượng gió quang điện, truyền thông 5G, v.v. Điốt cacbua silic và MOSFET đã được ứng dụng thương mại.
Chịu nhiệt độ cao.Độ rộng vùng cấm của cacbua silic gấp 2-3 lần so với silicon, các electron không dễ chuyển đổi ở nhiệt độ cao và có thể chịu được nhiệt độ hoạt động cao hơn và độ dẫn nhiệt của cacbua silic gấp 4-5 lần so với silicon, giúp thiết bị tản nhiệt dễ dàng hơn và giới hạn nhiệt độ hoạt động cao hơn.Khả năng chịu nhiệt độ cao có thể làm tăng đáng kể mật độ năng lượng đồng thời giảm yêu cầu về hệ thống làm mát, làm cho thiết bị đầu cuối nhẹ hơn và nhỏ hơn.
Chịu được áp lực cao.Cường độ điện trường đánh thủng của cacbua silic gấp 10 lần so với 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.Cacbua silic có tốc độ trôi electron bão hòa gấp đôi so với silicon, dẫn đến không có dòng điện trong quá trình tắt máy, điều này có thể cải thiện hiệu quả tần số chuyển đổi của thiết bị và nhận ra sự thu nhỏ của thiết bị.
Mất năng lượng thấp.So với vật liệu silicon, cacbua silic có điện trở rất thấp và tổn thất thấp.Đồng thời, độ rộng dải tần cao của cacbua silic làm giảm đáng kể dòng rò và tổn thất điện năng.Ngoài ra, thiết bị cacbua silic không có hiện tượng kéo theo dòng điện trong quá trình tắt máy và tổn thất chuyển mạch thấp.
Chuỗi công nghiệp cacbua silic
Nó chủ yếu bao gồm chất nền, epitaxy, thiết kế thiết bị, sản xuất, niêm phong, v.v.Cacbua silic từ vật liệu đến thiết bị điện bán dẫn sẽ trải qua quá trình tăng trưởng đơn tinh thể, cắt phôi, tăng trưởng epiticular, thiết kế wafer, sản xuất, đóng gói và các quy trình khác.Sau khi tổng hợp bột cacbua silic, phôi cacbua silic được tạo ra trước tiên, sau đó chất nền cacbua silic thu được bằng cách cắt, mài và đánh bóng, và tấm epiticular thu được bằng cách tăng trưởng epiticular.Tấm wafer epiticular được làm bằng cacbua silic thông qua kỹ thuật in thạch bản, khắc, cấy ion, thụ động kim loại và các quá trình khác, tấm 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: chất nền - tăng trưởng tinh thể là liên kết quy trình cốt lõi
Chất nền cacbua silic chiếm khoảng 47% giá thành của các thiết bị cacbua silic, rào cản kỹ thuật sản xuất cao nhất, giá trị lớn nhất, là cốt lõi của quá trình công nghiệp hóa quy mô lớn trong tương lai của SiC.
Từ góc độ khác biệt về tính chất điện hóa, vật liệu nền cacbua silic có thể được chia thành chất nền dẫn điện (vùng điện trở suất 15 ~ 30mΩ·cm) và chất nền bán cách điện (điện trở suất cao hơn 105Ω·cm).Hai loại chất nền này được sử dụng để sản xuất các thiết bị rời rạc như thiết bị nguồn và thiết bị tần số vô tuyến tương ứng sau khi tăng trưởng epiticular.Trong số đó, chất nền cacbua silic bán cách điện chủ yếu được sử dụng trong sản xuất thiết bị RF gali nitrit, thiết bị quang điện, v.v.Bằng cách phát triển lớp epiticular gan trên đế SIC bán cách nhiệt, tấm epiticular sic đã được chuẩn bị, tấm này có thể được chuẩn bị thêm vào các thiết bị RF HEMT gan iso-nitride.Chất nền cacbua silic dẫn điện chủ yếu được sử dụng trong sản xuất các thiết bị điện.Khác với quy trình sản xuất thiết bị năng lượng silicon truyền thống, thiết bị năng lượng cacbua silic không thể được chế tạo trực tiếp trên đế cacbua silic, lớp epiticular cacbua silic cần phải được phát triển trên đế dẫn điện để thu được tấm epiticular cacbua silic và epiticular lớp được sản xuất trên diode Schottky, MOSFET, IGBT và các thiết bị điện khác.
Bột cacbua silic được tổng hợp từ bột carbon có độ tinh khiết cao và bột silicon có độ tinh khiết cao, và các phôi cacbua silic có kích thước khác nhau được trồng trong trường nhiệt độ đặc biệt, sau đó chất nền cacbua silic được sản xuất thông qua nhiều quy trình xử lý.Quy trình cốt lõi bao gồm:
Tổng hợp nguyên liệu thô: Bột silicon + mực có độ tinh khiết cao được trộn theo công thức và phản ứng được thực hiện trong buồng phản ứng ở điều kiện nhiệt độ cao trên 2000 ° C để tổng hợp các hạt cacbua silic với loại tinh thể và hạt cụ thể kích cỡ.Sau đó, thông qua quá trình nghiền, sàng lọc, làm sạch và các quy trình khác, để đáp ứng các yêu cầu về nguyên liệu bột cacbua silic có độ tinh khiết cao.
Sự phát triển tinh thể là quá trình cốt lõi của quá trình sản xuất chất nền cacbua silic, xác định tính chất điện của chất nền cacbua silic.Hiện nay, các phương pháp chính để phát triển tinh thể là truyền hơi vật lý (PVT), lắng đọng hơi hóa học ở nhiệt độ cao (HT-CVD) và epit Wax pha lỏng (LPE).Trong số đó, phương pháp PVT là phương pháp chủ đạo để phát triển thương mại chất nền SiC hiện nay, có độ chín kỹ thuật cao nhất và được sử dụng rộng rãi nhất trong kỹ thuật.
Việc chuẩn bị chất nền SiC khó khăn nên giá thành cao
Kiểm soát trường nhiệt độ rất khó: Sự phát triển của thanh tinh thể Si chỉ cần 1500oC, trong khi thanh tinh thể SiC cần được phát triển ở nhiệt độ cao trên 2000oC và có hơn 250 đồng phân SiC, nhưng cấu trúc tinh thể đơn 4H-SiC chính cho việc sản xuất các thiết bị điện nếu không điều khiển chính xác sẽ có cấu trúc tinh thể khác.Ngoài ra, gradient nhiệt độ trong nồi nấu kim loại xác định tốc độ truyền thăng hoa SiC cũng như chế độ sắp xếp và tăng trưởng của các nguyên tử khí trên giao diện tinh thể, ảnh hưởng đến tốc độ tăng trưởng tinh thể và chất lượng tinh thể, do đó cần hình thành trường nhiệt độ có hệ thống. công nghệ điều khiển.So với vật liệu Si, sự khác biệt trong sản xuất SiC còn nằm ở các quy trình nhiệt độ cao như cấy ion nhiệt độ cao, oxy hóa ở nhiệt độ cao, kích hoạt ở nhiệt độ cao và quy trình mặt nạ cứng được yêu cầu bởi các quy trình nhiệt độ cao này.
Tinh thể phát triển chậm: tốc độ tăng trưởng của thanh tinh thể Si có thể đạt 30 ~ 150mm/h, và việc 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 tăng trưởng khoảng 0,2-0,4mm / h, 7 ngày để tăng trưởng dưới 3-6cm, tốc độ tăng trưởng dưới 1% của vật liệu silicon, năng lực sản xuất cực kỳ cao giới hạn.
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 lệch vị trí, điện trở suất, độ cong vênh, độ nhám bề mặt, v.v. Đây là một kỹ thuật hệ thống phức tạp để sắp xếp các nguyên tử trong buồng nhiệt độ cao kín và phát triển tinh thể hoàn chỉnh, trong khi kiểm soát các chỉ số tham số.
Vật liệu có độ cứng cao, độ giòn cao, thời gian cắt dài và độ mài mòn cao: Độ cứng SiC Mohs 9,25 chỉ đứng sau kim cương, dẫn đến độ khó cắt, mài và đánh bóng tăng đáng kể và phải mất khoảng 120 giờ để hoàn thành. cắt 35-40 miếng phôi dày 3cm.Ngoài ra, do độ giòn cao của SiC nên độ mài mòn khi xử lý wafer sẽ nhiều hơn và 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 tham gia 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 này đang dần mở rộng lên 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 nền kinh tế của quy mô của dây chuyền sản xuất cỡ lớn sẽ được phản ánh, khoảng cách thời gian sản xuất hàng loạt 6 inch trong nước hiện nay 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 phát triển và tổn thất năng suất sẽ được duy trì ở mức khoảng 7%, từ đó cải thiện wafer việc sử dụng.
Vẫn còn nhiều khó khăn trong thiết kế thiết bị
Việc thương mại hóa diode SiC dần được cải thiện, hiện nay, một số nhà sản xuất trong nước đã thiết kế sản phẩm SiC SBD, sản phẩm SiC SBD trung thế và cao áp có độ ổn định tốt, trong OBC của xe, việc sử dụng SiC SBD+SI IGBT để đạt được độ ổn định mật độ hiện tại.Hiện tại, không có rào cản nào trong việc thiết kế bằng sáng chế của các sản phẩm SiC SBD ở Trung Quốc và khoảng cách với nước ngoài là rất nhỏ.
SiC MOS vẫn còn nhiều khó khăn, vẫn còn khoảng cách giữa SiC MOS và các nhà sản xuất nước ngoài và nền tảng sản xuất liên quan vẫn đang được xây dựng.Hiện tại, ST, Infineon, Rohm và các MOS SiC 600-1700V khác đã đạt được sản xuất hàng loạt và ký kết và vận chuyển với nhiều ngành 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 tại giai đoạn dòng wafer và việc xác minh khách hàng sau này vẫn cần một thời gian, vì vậy vẫn còn rất lâu 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.Cấu trúc phẳng Các nhà sản xuất SiC MOS rất nhiều, cấu trúc phẳng không dễ tạo ra các sự cố hỏng cục bộ so với rãnh, ảnh hưởng đến độ 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 ở khâu sản xuất, đáp ứng được cả 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 tấm wafer SiC
Tăng trưởng sản xuất và bán hàng trên thị trường cacbua silic, chú ý đến sự mất cân bằng cơ cấu 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 cacbua (SiC) dần dần trở nên phổ biến. trở nên công nghiệp hóa.Từ quan điểm hiệu suất vật liệu, cacbua silic có độ rộng khoảng cách dải 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 cacbua silic phù hợp với tần số cao, áp suất cao, nhiệt độ cao và các ứng dụng khác, giúp nâng cao hiệu quả và mật độ năng lượng của hệ thống điện tử công suất.
Hiện nay, điốt SiC và MOSFET SiC đã dần dần được tung ra thị trường và có nhiều sản phẩm trưởng thành hơn, trong đó điốt SiC được sử dụng rộng rãi thay vì điốt gốc silicon trong một số lĩnh vực vì chúng không có ưu điểm là điện tích phục hồi ngược;SiC MOSFET 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 phải dựa vào các quy trình đóng gói tiên tiến để đạt được, về mặt kỹ thuật với việc niêm phong vỏ tương đối trưởng thành là chủ đạo, tương lai hoặc phát triển niêm phong nhựa , đặc điểm phát triển tùy chỉnh của nó phù hợp hơn với các mô-đun SiC.
Tốc độ giảm giá cacbua silic hoặc ngoài sức tưởng tượng
Việc ứng dụng các thiết bị cacbua silic chủ yếu bị hạn chế bởi chi phí cao, giá của SiC MOSFET ở cùng mức cao gấp 4 lần so với IGBT dựa trên Si, điều này là do quá trình cacbua silic rất phức tạp, trong đó sự phát triển của tinh thể đơn và epiticular không chỉ khắc nghiệt với môi trường mà còn có tốc độ tăng trưởng chậm và quá trình xử lý tinh thể đơn thành chất nền phải trải qua quá trình cắt và đánh bóng.Dựa trên đặc tính vật liệu và công nghệ xử lý chưa trưởng thành, hiệu suất của chất nền trong nước thấp hơn 50% và các yếu tố khác nhau dẫn đến giá chất nền và epiticular cao.
Tuy nhiên, thành phần chi phí của thiết bị cacbua silic và thiết bị dựa trên silicon hoàn toàn trái ngược nhau, chi phí chất nền và epiticular của kênh phía trước lần lượt chiếm 47% và 23% toàn bộ thiết bị, tổng cộng khoảng 70%, thiết kế, sản xuất thiết bị và các liên kết niêm phong của kênh sau chỉ chiếm 30%, chi phí sản xuất các thiết bị dựa trên silicon chủ yếu tập trung vào sản xuất tấm wafer của kênh sau khoảng 50% và chi phí chất nền chỉ chiếm 7%.Hiện tượng giá trị của chuỗi công nghiệp cacbua silic bị đảo lộn có nghĩa là các nhà sản xuất epitaxy chất nền thượng nguồn có quyền lên tiếng cốt lõi, đây là chìa khóa cho sự bố trí của các doanh nghiệp trong và ngoài nước.
Từ quan điểm năng động trên thị trường, việc giảm chi phí của cacbua silic, ngoài việc cải thiện quy trình cắt và tinh thể dài cacbua silic, còn là mở rộng kích thước wafer, cũng là con đường phát triển chất bán dẫn trưởng thành trong quá khứ, Dữ liệu của Wolfspeed cho thấy rằng việc nâng cấp chất nền cacbua silic từ 6 inch lên 8 inch, khả năng 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 cacbua silic trong và ngoài nước đang đẩy nhanh việc bố trí cacbua silic 8 inch, chẳng hạn như khoản đầu tư điên cuồng của Wolfspeed 14,55 tỷ đô la Mỹ để mở rộng sản xuất cacbua silic, một phần quan trọng trong đó là xây dựng nhà máy sản xuất chất nền SiC 8 inch, để đảm bảo cung cấp kim loại trần SiC 200 mm trong tương lai cho một số công ty;Tianyue Advanced và Tianke Heda trong nước cũng đã ký thỏa thuận dài hạn với Infineon để cung cấp chất nền cacbua silic 8 inch trong tương lai.
Bắt đầu từ năm nay, cacbua silic sẽ tăng tốc từ 6 inch lên 8 inch, Wolfspeed kỳ vọng đến năm 2024, giá chip đơn vị của đế 8 inch so với giá chip đơn vị của đế 6 inch vào năm 2022 sẽ giảm hơn 60% Dữ liệu nghiên cứu của Ji Bond Consulting chỉ ra rằng việc giảm chi phí sẽ tiếp tục mở cửa thị trường ứng dụng.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 chất nền cacbua silic có thể vượt quá sức tưởng tượng của nhiều người, giá chào bán trên thị trường hiện nay của chất nền 6 inch là 4000-5000 nhân dân tệ/mảnh, so với đầu năm đã giảm rất nhiều, là 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 giá thành bên dưới, Mở ra mô hình cuộc chiến giá cả, chủ yếu tập trung ở chất nền cacbua silic Nguồn cung ở lĩnh vực điện áp thấp đã tương đối đủ, các nhà sản xuất trong và ngoài nước đang tích cực mở rộng năng lực sản xuất hoặc để cho tình trạng dư cung chất nền cacbua silic sớm hơn dự kiến.
Thời gian đăng: Jan-19-2024