Introduzione al carburo di silicio
Il carburo di silicio (SiC) è un materiale semiconduttore composto da carbonio e silicio, uno dei materiali ideali per la realizzazione di dispositivi ad alta temperatura, alta frequenza, alta potenza e alta tensione. Rispetto al tradizionale silicio (Si), il band gap del carburo di silicio è 3 volte superiore a quello del silicio. La conduttività termica è 4-5 volte superiore a quella del silicio; la tensione di rottura è 8-10 volte superiore a quella del silicio; la velocità di deriva di saturazione elettronica è 2-3 volte superiore a quella del silicio, il che soddisfa le esigenze dell'industria moderna in termini di alta potenza, alta tensione e alta frequenza. Viene utilizzato principalmente per la produzione di componenti elettronici ad alta velocità, alta frequenza, alta potenza e a emissione luminosa. I campi di applicazione a valle includono reti intelligenti, veicoli a nuova energia, energia eolica fotovoltaica, comunicazioni 5G, ecc. Diodi e MOSFET in carburo di silicio sono stati applicati commercialmente.
Resistenza alle alte temperature. L'ampiezza del gap di banda del carburo di silicio è 2-3 volte superiore a quella del silicio, gli elettroni non sono facili da transizionare ad alte temperature e possono resistere a temperature di esercizio più elevate. La conduttività termica del carburo di silicio è 4-5 volte superiore a quella del silicio, facilitando la dissipazione del calore del dispositivo e aumentando la temperatura limite di esercizio. La resistenza alle alte temperature può aumentare significativamente la densità di potenza riducendo al contempo i requisiti del sistema di raffreddamento, rendendo il terminale più leggero e compatto.
Resiste ad alta pressione. L'intensità del campo elettrico di rottura del carburo di silicio è 10 volte superiore a quella del silicio, che può resistere a tensioni più elevate ed è più adatto per dispositivi ad alta tensione.
Resistenza alle alte frequenze. Il carburo di silicio ha una velocità di deriva degli elettroni saturi doppia rispetto al silicio, con conseguente assenza di coda di corrente durante il processo di spegnimento, il che può migliorare efficacemente la frequenza di commutazione del dispositivo e realizzarne la miniaturizzazione.
Bassa perdita di energia. Rispetto al silicio, il carburo di silicio presenta una resistenza di conduzione e perdite di conduzione molto basse. Allo stesso tempo, l'elevata larghezza di banda del carburo di silicio riduce notevolmente la corrente di dispersione e la perdita di potenza. Inoltre, il dispositivo in carburo di silicio non presenta fenomeni di trascinamento di corrente durante il processo di spegnimento e le perdite di commutazione sono ridotte.
Filiera del carburo di silicio
Comprende principalmente substrato, epitassia, progettazione del dispositivo, produzione, sigillatura e così via. Il carburo di silicio, dal materiale al dispositivo di potenza a semiconduttore, subirà la crescita del monocristallo, il taglio del lingotto, la crescita epitassiale, la progettazione del wafer, la produzione, il confezionamento e altri processi. Dopo la sintesi della polvere di carburo di silicio, viene prima realizzato il lingotto di carburo di silicio, quindi il substrato di carburo di silicio viene ottenuto tramite taglio, macinazione e lucidatura, e il foglio epitassiale viene ottenuto tramite crescita epitassiale. Il wafer epitassiale è realizzato in carburo di silicio tramite litografia, incisione, impiantazione ionica, passivazione del metallo e altri processi, il wafer viene tagliato in una matrice, il dispositivo viene confezionato e il dispositivo viene combinato in un guscio speciale e assemblato in un modulo.
A monte della catena industriale 1: substrato - la crescita dei cristalli è il collegamento principale del processo
Il substrato di carburo di silicio rappresenta circa il 47% del costo dei dispositivi in carburo di silicio, le barriere tecniche di produzione più elevate, il valore più grande, è il fulcro della futura industrializzazione su larga scala del SiC.
Dal punto di vista delle differenze nelle proprietà elettrochimiche, i materiali di substrato in carburo di silicio possono essere suddivisi in substrati conduttivi (regione di resistività 15~30 mΩ·cm) e substrati semiisolati (resistività superiore a 105 Ω·cm). Questi due tipi di substrati vengono utilizzati per produrre dispositivi discreti, rispettivamente dispositivi di potenza e dispositivi a radiofrequenza, dopo crescita epitassiale. Tra questi, il substrato in carburo di silicio semiisolato viene utilizzato principalmente nella produzione di dispositivi RF in nitruro di gallio, dispositivi fotoelettrici e così via. Facendo crescere uno strato epitassiale di gan su un substrato in SIC semiisolato, si prepara la piastra epitassiale in SIC, che può essere ulteriormente preparata per ottenere dispositivi RF in isonitruro di gan HEMT. Il substrato conduttivo in carburo di silicio viene utilizzato principalmente nella produzione di dispositivi di potenza. Diversamente dal tradizionale processo di fabbricazione dei dispositivi di potenza al silicio, il dispositivo di potenza al carburo di silicio non può essere realizzato direttamente sul substrato di carburo di silicio; lo strato epitassiale di carburo di silicio deve essere coltivato sul substrato conduttivo per ottenere il foglio epitassiale di carburo di silicio e lo strato epitassiale è prodotto sul diodo Schottky, MOSFET, IGBT e altri dispositivi di potenza.
La polvere di carburo di silicio è stata sintetizzata da polvere di carbonio ad alta purezza e polvere di silicio ad alta purezza, e lingotti di carburo di silicio di diverse dimensioni sono stati coltivati in un campo di temperatura speciale, quindi il substrato di carburo di silicio è stato prodotto attraverso molteplici processi di lavorazione. Il processo principale include:
Sintesi delle materie prime: la polvere di silicio ad alta purezza + il toner vengono miscelati secondo la formula e la reazione viene condotta nella camera di reazione ad alta temperatura, superiore a 2000 °C, per sintetizzare particelle di carburo di silicio con tipologia cristallina e granulometria specifiche. Successivamente, attraverso processi di frantumazione, vagliatura, pulizia e altri processi, si ottengono le materie prime in polvere di carburo di silicio ad alta purezza.
La crescita cristallina è il processo principale nella produzione di substrati in carburo di silicio, che ne determina le proprietà elettriche. Attualmente, i principali metodi per la crescita cristallina sono il trasferimento fisico di vapore (PVT), la deposizione chimica da vapore ad alta temperatura (HT-CVD) e l'epitassia in fase liquida (LPE). Tra questi, il metodo PVT è attualmente il metodo principale per la crescita commerciale di substrati in SiC, con la più elevata maturità tecnica e il più ampiamente utilizzato in ingegneria.
La preparazione del substrato SiC è difficile, il che ne determina l'elevato prezzo
Il controllo del campo di temperatura è difficile: la crescita delle barre di cristallo di Si richiede solo 1500 °C, mentre la crescita delle barre di cristallo di SiC deve essere effettuata a temperature elevate, superiori a 2000 °C. Esistono più di 250 isomeri di SiC, ma la principale struttura monocristallina 4H-SiC per la produzione di dispositivi di potenza, se non controllata con precisione, otterrà altre strutture cristalline. Inoltre, il gradiente di temperatura nel crogiolo determina la velocità di trasferimento della sublimazione del SiC e la disposizione e la modalità di crescita degli atomi gassosi sull'interfaccia cristallina, che influenzano la velocità di crescita e la qualità dei cristalli, quindi è necessario sviluppare una tecnologia di controllo sistematico del campo di temperatura. Rispetto ai materiali in Si, la differenza nella produzione di SiC risiede anche nei processi ad alta temperatura come l'impianto ionico ad alta temperatura, l'ossidazione ad alta temperatura, l'attivazione ad alta temperatura e il processo di mascheratura rigida richiesto da questi processi ad alta temperatura.
Crescita lenta dei cristalli: la velocità di crescita dell'asta di cristallo di Si può raggiungere 30 ~ 150 mm/h e la produzione di un'asta di cristallo di silicio da 1-3 m richiede solo circa 1 giorno; per l'asta di cristallo di SiC con metodo PVT, ad esempio, la velocità di crescita è di circa 0,2-0,4 mm/h, 7 giorni per crescere meno di 3-6 cm, la velocità di crescita è inferiore all'1% del materiale di silicio, la capacità di produzione è estremamente limitata.
Elevati parametri del prodotto e bassa resa: i parametri principali del substrato SiC includono densità dei microtubuli, densità di dislocazioni, resistività, deformazione, rugosità superficiale, ecc. È un sistema complesso di ingegneria per disporre gli atomi in una camera chiusa ad alta temperatura e completare la crescita dei cristalli, controllando al contempo gli indici dei parametri.
Il materiale presenta elevata durezza, elevata fragilità, lunghi tempi di taglio e elevata usura: la durezza Mohs del SiC di 9,25 è seconda solo a quella del diamante, il che comporta un aumento significativo della difficoltà di taglio, molatura e lucidatura. Sono necessarie circa 120 ore per tagliare 35-40 pezzi di un lingotto di 3 cm di spessore. Inoltre, a causa dell'elevata fragilità del SiC, l'usura durante la lavorazione dei wafer è maggiore e il tasso di produzione è solo del 60% circa.
Tendenza di sviluppo: aumento delle dimensioni + diminuzione dei prezzi
La linea di produzione in serie da 6 pollici del mercato globale del SiC sta maturando e le aziende leader sono entrate nel mercato da 8 pollici. I progetti di sviluppo nazionali riguardano principalmente i 6 pollici. Attualmente, sebbene la maggior parte delle aziende nazionali si basi ancora su linee di produzione da 4 pollici, il settore si sta gradualmente espandendo verso i 6 pollici. Con la maturità della tecnologia delle apparecchiature di supporto da 6 pollici, anche la tecnologia nazionale dei substrati SiC sta gradualmente migliorando, le economie di scala delle linee di produzione di grandi dimensioni si rifletteranno e l'attuale divario temporale tra la produzione di massa nazionale da 6 pollici e l'attuale produzione di massa da 6 pollici si è ridotto a 7 anni. Le maggiori dimensioni dei wafer possono comportare un aumento del numero di chip singoli, migliorare il tasso di resa e ridurre la percentuale di chip di bordo, mentre i costi di ricerca e sviluppo e la perdita di resa saranno mantenuti a circa il 7%, migliorando così l'utilizzo dei wafer.
Ci sono ancora molte difficoltà nella progettazione dei dispositivi
La commercializzazione dei diodi SiC è in graduale miglioramento. Attualmente, diversi produttori nazionali hanno progettato diodi SiC SBD, i cui componenti a media e alta tensione offrono un'ottima stabilità. Nell'OBC dei veicoli, l'utilizzo di diodi SiC SBD + IGBT SiC per ottenere una densità di corrente stabile. Attualmente, non vi sono barriere alla brevettazione dei diodi SiC SBD in Cina e il divario con l'estero è minimo.
I MOS SiC presentano ancora numerose difficoltà, c'è ancora un divario tra i produttori di MOS SiC e quelli esteri, e la relativa piattaforma produttiva è ancora in fase di sviluppo. Attualmente, ST, Infineon, Rohm e altri MOS SiC da 600-1700 V hanno raggiunto la produzione di massa e sono stati firmati e distribuiti da numerose industrie manifatturiere. Sebbene l'attuale progetto nazionale di MOS SiC sia stato sostanzialmente completato, diversi produttori stanno lavorando con fabbriche nella fase di flusso dei wafer, e la successiva verifica da parte dei clienti richiederà ancora del tempo, quindi la commercializzazione su larga scala richiederà ancora molto tempo.
Attualmente, la struttura planare è la scelta prevalente e il tipo a trincea sarà ampiamente utilizzato nel campo ad alta pressione in futuro. Molti produttori di MOS SiC a struttura planare hanno dimostrato che la struttura planare non è facile da produrre problemi di breakdown locale rispetto alla scanalatura, il che influisce sulla stabilità del lavoro. Nel mercato al di sotto di 1200 V ha un'ampia gamma di applicazioni e la struttura planare è relativamente semplice da produrre, per soddisfare due aspetti: producibilità e controllo dei costi. Il dispositivo a scanalatura presenta i vantaggi di un'induttanza parassita estremamente bassa, un'elevata velocità di commutazione, basse perdite e prestazioni relativamente elevate.
2--Notizie sui wafer SiC
Crescita della produzione e delle vendite del mercato del carburo di silicio, prestare attenzione allo squilibrio strutturale tra domanda e offerta
Con la rapida crescita della domanda di mercato di elettronica di potenza ad alta frequenza e ad alta potenza, il collo di bottiglia fisico dei dispositivi semiconduttori a base di silicio è gradualmente diventato evidente e i materiali semiconduttori di terza generazione, rappresentati dal carburo di silicio (SiC), sono stati gradualmente industrializzati. Dal punto di vista delle prestazioni del materiale, il carburo di silicio ha un'ampiezza di banda proibita 3 volte superiore a quella del silicio, un'intensità del campo elettrico di breakdown critico 10 volte superiore e una conduttività termica 3 volte superiore. Pertanto, i dispositivi di potenza in carburo di silicio sono adatti per applicazioni ad alta frequenza, alta pressione, alta temperatura e altre applicazioni, contribuendo a migliorare l'efficienza e la densità di potenza dei sistemi elettronici di potenza.
Attualmente, i diodi SiC e i MOSFET SiC sono stati gradualmente immessi sul mercato e sono disponibili prodotti più maturi, tra cui i diodi SiC sono ampiamente utilizzati al posto dei diodi al silicio in alcuni campi perché non hanno il vantaggio della carica di recupero inverso; il MOSFET SiC viene gradualmente utilizzato anche nei settori automobilistico, dell'accumulo di energia, della pila di ricarica, fotovoltaico e altri; nel campo delle applicazioni automobilistiche, la tendenza alla modularizzazione sta diventando sempre più evidente, le prestazioni superiori del SiC devono fare affidamento su processi di confezionamento avanzati per ottenere, tecnicamente con una sigillatura a guscio relativamente matura come mainstream, il futuro o lo sviluppo della sigillatura in plastica, le sue caratteristiche di sviluppo personalizzate sono più adatte ai moduli SiC.
Il calo dei prezzi del carburo di silicio è rapido o addirittura inimmaginabile
L'applicazione dei dispositivi in carburo di silicio è principalmente limitata dall'elevato costo: il prezzo di un MOSFET in SiC, allo stesso livello, è 4 volte superiore a quello di un IGBT a base di Si. Questo perché il processo di produzione del carburo di silicio è complesso, in cui la crescita del monocristallo e dell'epitassiale non solo è dannosa per l'ambiente, ma ha anche una bassa velocità di crescita e la trasformazione del monocristallo nel substrato deve passare attraverso processi di taglio e lucidatura. A causa delle caratteristiche del materiale e della tecnologia di lavorazione non ancora sviluppata, la resa del substrato nazionale è inferiore al 50% e diversi fattori contribuiscono agli elevati prezzi di substrato ed epitassiale.
Tuttavia, la composizione dei costi dei dispositivi in carburo di silicio e dei dispositivi a base di silicio è diametralmente opposta: i costi del substrato e dell'epitassia del canale anteriore rappresentano rispettivamente il 47% e il 23% dell'intero dispositivo, per un totale di circa il 70%, la progettazione del dispositivo, la produzione e i collegamenti di sigillatura del canale posteriore rappresentano solo il 30%, il costo di produzione dei dispositivi a base di silicio è concentrato principalmente nella produzione del wafer del canale posteriore per circa il 50% e il costo del substrato rappresenta solo il 7%. Il fenomeno del capovolgimento della catena industriale del valore del carburo di silicio significa che i produttori di epitassia del substrato a monte hanno il diritto fondamentale di parola, che è la chiave per la struttura delle imprese nazionali ed estere.
Dal punto di vista dinamico del mercato, la riduzione del costo del carburo di silicio, oltre al miglioramento del processo di cristallizzazione e affettatura a lungo termine, contribuisce ad aumentare le dimensioni dei wafer, che in passato rappresentava anche il percorso maturo dello sviluppo dei semiconduttori. I dati Wolfspeed mostrano che l'aggiornamento del substrato in carburo di silicio da 6 pollici a 8 pollici può aumentare la produzione di chip qualificati dell'80%-90%, contribuendo a migliorare la resa. Ciò può ridurre il costo unitario combinato del 50%.
Il 2023 è noto come il "primo anno del SiC da 8 pollici". Quest'anno i produttori nazionali ed esteri di carburo di silicio stanno accelerando la produzione di carburo di silicio da 8 pollici, come l'investimento folle di Wolfspeed di 14,55 miliardi di dollari USA per l'espansione della produzione di carburo di silicio, una parte importante del quale è la costruzione di un impianto di produzione di substrati SiC da 8 pollici. Per garantire la futura fornitura di metallo nudo SiC da 200 mm a numerose aziende, anche le aziende nazionali Tianyue Advanced e Tianke Heda hanno firmato accordi a lungo termine con Infineon per la fornitura futura di substrati in carburo di silicio da 8 pollici.
A partire da quest'anno, il carburo di silicio passerà da 6 pollici a 8 pollici. Wolfspeed prevede che entro il 2024 il costo unitario del chip con substrato da 8 pollici, rispetto al costo unitario del chip con substrato da 6 pollici del 2022, si ridurrà di oltre il 60%, e la riduzione dei costi aprirà ulteriormente il mercato delle applicazioni, come evidenziato dai dati di ricerca di Ji Bond Consulting. L'attuale quota di mercato dei prodotti da 8 pollici è inferiore al 2% e si prevede che raggiungerà circa il 15% entro il 2026.
In effetti, il tasso di calo del prezzo del substrato di carburo di silicio potrebbe superare l'immaginazione di molte persone, l'attuale offerta di mercato del substrato da 6 pollici è di 4000-5000 yuan/pezzo, rispetto all'inizio dell'anno è diminuita molto, si prevede che scenderà sotto i 4000 yuan l'anno prossimo, vale la pena notare che alcuni produttori, al fine di ottenere il primo mercato, hanno ridotto il prezzo di vendita alla linea di costo sottostante, ha aperto il modello della guerra dei prezzi, principalmente concentrata nella fornitura di substrato di carburo di silicio è stata relativamente sufficiente nel campo a bassa tensione, i produttori nazionali ed esteri stanno espandendo aggressivamente la capacità produttiva o hanno lasciato che la fase di eccesso di offerta di substrato di carburo di silicio prima del previsto.
Data di pubblicazione: 19-01-2024