Introduzzjoni għall-karbur tas-silikon
Il-karbur tas-silikon (SiC) huwa materjal semikonduttur kompost magħmul minn karbonju u silikon, li huwa wieħed mill-materjali ideali għall-manifattura ta' apparati b'temperatura għolja, frekwenza għolja, qawwa għolja u vultaġġ għoli. Meta mqabbel mal-materjal tradizzjonali tas-silikon (Si), il-band gap tal-karbur tas-silikon huwa 3 darbiet dak tas-silikon. Il-konduttività termali hija 4-5 darbiet dik tas-silikon; Il-vultaġġ tat-tkissir huwa 8-10 darbiet dak tas-silikon; Ir-rata tad-drift tas-saturazzjoni elettronika hija 2-3 darbiet dik tas-silikon, li tissodisfa l-ħtiġijiet tal-industrija moderna għal qawwa għolja, vultaġġ għoli u frekwenza għolja. Jintuża prinċipalment għall-produzzjoni ta' komponenti elettroniċi b'veloċità għolja, frekwenza għolja, qawwa għolja u li jarmu d-dawl. L-oqsma ta' applikazzjoni downstream jinkludu smart grid, vetturi tal-enerġija ġodda, enerġija mir-riħ fotovoltajka, komunikazzjoni 5G, eċċ. Id-dijodi tal-karbur tas-silikon u l-MOSFETs ġew applikati kummerċjalment.
Reżistenza għal temperatura għolja. Il-wisa' tal-medda ta' frekwenza tas-silikon karbur hija 2-3 darbiet dik tas-silikon, l-elettroni mhumiex faċli biex jittrasferixxu f'temperaturi għoljin, u jistgħu jifilħu temperaturi operattivi ogħla, u l-konduttività termali tas-silikon karbur hija 4-5 darbiet dik tas-silikon, li tagħmel id-dissipazzjoni tas-sħana tal-apparat aktar faċli u t-temperatura operattiva limitata ogħla. Ir-reżistenza għat-temperatura għolja tista' żżid b'mod sinifikanti d-densità tal-qawwa filwaqt li tnaqqas ir-rekwiżiti fuq is-sistema tat-tkessiħ, u tagħmel it-terminal eħfef u iżgħar.
Jiflaħ pressjoni għolja. Is-saħħa tal-kamp elettriku tat-tkissir tal-karbur tas-silikon hija 10 darbiet dik tas-silikon, li jista' jiflaħ vultaġġi ogħla u huwa aktar adattat għal apparati ta' vultaġġ għoli.
Reżistenza għal frekwenza għolja. Il-karbur tas-silikon għandu rata ta' drift tal-elettroni saturati li hija d-doppju ta' dik tas-silikon, li tirriżulta fin-nuqqas ta' denb tal-kurrent matul il-proċess ta' għeluq, li jista' jtejjeb b'mod effettiv il-frekwenza tal-bdil tal-apparat u jirrealizza l-minjaturizzazzjoni tal-apparat.
Telf baxx ta' enerġija. Meta mqabbel mal-materjal tas-silikon, il-karbur tas-silikon għandu reżistenza baxxa ħafna waqt li jkun mixgħul u telf baxx waqt li jkun mixgħul. Fl-istess ħin, il-wisa' għolja tal-band-gap tal-karbur tas-silikon tnaqqas ħafna l-kurrent tat-tnixxija u t-telf tal-enerġija. Barra minn hekk, l-apparat tal-karbur tas-silikon m'għandux fenomenu ta' trailing tal-kurrent waqt il-proċess ta' għeluq, u t-telf tal-iswiċċjar huwa baxx.
Katina tal-industrija tal-karbur tas-silikon
Dan jinkludi prinċipalment sottostrat, epitassja, disinn tal-apparat, manifattura, siġillar u oħrajn. Il-karbur tas-silikon mill-materjal għall-apparat tal-enerġija tas-semikondutturi se jesperjenza tkabbir ta' kristall wieħed, tqattigħ tal-ingotti, tkabbir epitassjali, disinn tal-wejfer, manifattura, ippakkjar u proċessi oħra. Wara s-sintesi tat-trab tal-karbur tas-silikon, l-ingotti tal-karbur tas-silikon isiru l-ewwel, u mbagħad is-sottostrat tal-karbur tas-silikon jinkiseb permezz tat-tqattigħ, it-tħin u l-illustrar, u l-folja epitassjali tinkiseb permezz tat-tkabbir epitassjali. Il-wejfer epitassjali huwa magħmul minn karbur tas-silikon permezz tal-litografija, l-inċiżjoni, l-impjantazzjoni tal-joni, il-passivazzjoni tal-metall u proċessi oħra, il-wejfer jinqata' f'forma ta' die, l-apparat jiġi ppakkjat, u l-apparat jiġi kkombinat f'qoxra speċjali u mmuntat f'modulu.
'Il fuq mill-katina tal-industrija 1: sottostrat - it-tkabbir tal-kristalli huwa l-ħolqa ewlenija tal-proċess
Is-sottostrat tal-karbur tas-silikon jammonta għal madwar 47% tal-ispiża tal-apparati tal-karbur tas-silikon, l-ogħla ostakli tekniċi tal-manifattura, l-akbar valur, huwa l-qalba tal-industrijalizzazzjoni fuq skala kbira futura tas-SiC.
Mill-perspettiva tad-differenzi fil-proprjetajiet elettrokimiċi, il-materjali tas-sottostrat tal-karbur tas-silikon jistgħu jinqasmu f'sottostrati konduttivi (reġjun ta' reżistività 15~30mΩ·cm) u sottostrati semi-iżolati (reżistività ogħla minn 105Ω·cm). Dawn iż-żewġ tipi ta' sottostrati jintużaw biex jimmanifatturaw apparati diskreti bħal apparati tal-enerġija u apparati tal-frekwenza tar-radju rispettivament wara tkabbir epitassjali. Fost dawn, is-sottostrat semi-iżolat tal-karbur tas-silikon jintuża prinċipalment fil-manifattura ta' apparati RF tan-nitrid tal-gallju, apparati fotoelettriċi, eċċ. Billi tikber saff epitassjali gan fuq sottostrat SIC semi-iżolat, tiġi ppreparata l-pjanċa epitassjali sic, li tista' tiġi ppreparata aktar f'apparati RF HEMT gan iso-nitrid. Is-sottostrat konduttiv tal-karbur tas-silikon jintuża prinċipalment fil-manifattura ta' apparati tal-enerġija. Differenti mill-proċess tradizzjonali tal-manifattura tal-apparat tal-enerġija tas-silikon, l-apparat tal-enerġija tal-karbur tas-silikon ma jistax isir direttament fuq is-sottostrat tal-karbur tas-silikon, is-saff epitassjali tal-karbur tas-silikon jeħtieġ li jitkabbar fuq is-sottostrat konduttiv biex tinkiseb il-folja epitassjali tal-karbur tas-silikon, u s-saff epitassjali huwa manifatturat fuq id-dijodu Schottky, MOSFET, IGBT u apparati oħra tal-enerġija.
It-trab tal-karbur tas-silikon ġie sintetizzat minn trab tal-karbonju ta’ purità għolja u trab tas-silikon ta’ purità għolja, u daqsijiet differenti ta’ ingotti tal-karbur tas-silikon ġew imkabbra taħt kamp ta’ temperatura speċjali, u mbagħad is-sottostrat tal-karbur tas-silikon ġie prodott permezz ta’ proċessi multipli ta’ pproċessar. Il-proċess ewlieni jinkludi:
Sintesi tal-materja prima: It-trab tas-silikon ta' purità għolja + it-toner jitħalltu skont il-formula, u r-reazzjoni titwettaq fil-kamra tar-reazzjoni f'kundizzjoni ta' temperatura għolja 'l fuq minn 2000°C biex jiġu sintetizzati l-partiċelli tal-karbur tas-silikon b'tip ta' kristall u daqs ta' partiċelli speċifiċi. Imbagħad permezz tat-tgħaffiġ, l-iskrinjar, it-tindif u proċessi oħra, biex jintlaħqu r-rekwiżiti tal-materja prima tat-trab tal-karbur tas-silikon ta' purità għolja.
It-tkabbir tal-kristalli huwa l-proċess ewlieni tal-manifattura tas-sottostrat tal-karbur tas-silikon, li jiddetermina l-proprjetajiet elettriċi tas-sottostrat tal-karbur tas-silikon. Fil-preżent, il-metodi ewlenin għat-tkabbir tal-kristalli huma t-trasferiment fiżiku tal-fwar (PVT), id-depożizzjoni kimika tal-fwar f'temperatura għolja (HT-CVD) u l-epitassija tal-fażi likwida (LPE). Fost dawn, il-metodu PVT huwa l-metodu ewlieni għat-tkabbir kummerċjali tas-sottostrat SiC fil-preżent, bl-ogħla maturità teknika u l-aktar użat fl-inġinerija.
Il-preparazzjoni tas-sottostrat tas-SiC hija diffiċli, u dan iwassal għall-prezz għoli tiegħu
Il-kontroll tal-kamp tat-temperatura huwa diffiċli: it-tkabbir tal-virga tal-kristall Si jeħtieġ biss 1500℃, filwaqt li l-virga tal-kristall SiC teħtieġ li titkabbar f'temperatura għolja 'l fuq minn 2000℃, u hemm aktar minn 250 isomeru SiC, iżda l-istruttura ewlenija ta' kristall wieħed 4H-SiC għall-produzzjoni ta' apparati tal-enerġija, jekk mhux kontroll preċiż, se tikseb strutturi kristallini oħra. Barra minn hekk, il-gradjent tat-temperatura fil-griġjol jiddetermina r-rata tat-trasferiment tas-sublimazzjoni SiC u l-arranġament u l-mod ta' tkabbir tal-atomi gassużi fuq l-interfaċċja tal-kristall, li jaffettwa r-rata tat-tkabbir tal-kristall u l-kwalità tal-kristall, għalhekk huwa meħtieġ li tiġi ffurmata teknoloġija sistematika ta' kontroll tal-kamp tat-temperatura. Meta mqabbla mal-materjali Si, id-differenza fil-produzzjoni tas-SiC tinsab ukoll fi proċessi ta' temperatura għolja bħall-impjantazzjoni tal-joni f'temperatura għolja, l-ossidazzjoni f'temperatura għolja, l-attivazzjoni f'temperatura għolja, u l-proċess ta' maskra iebsa meħtieġ minn dawn il-proċessi ta' temperatura għolja.
Tkabbir bil-mod tal-kristall: ir-rata tat-tkabbir tal-virga tal-kristall Si tista' tilħaq 30 ~ 150mm/siegħa, u l-produzzjoni ta' virga tal-kristall tas-silikon ta' 1-3m tieħu biss madwar ġurnata waħda; Virga tal-kristall SiC bil-metodu PVT bħala eżempju, ir-rata tat-tkabbir hija ta' madwar 0.2-0.4mm/siegħa, 7 ijiem biex tikber inqas minn 3-6cm, ir-rata tat-tkabbir hija inqas minn 1% tal-materjal tas-silikon, il-kapaċità tal-produzzjoni hija estremament limitata.
Parametri għoljin tal-prodott u rendiment baxx: il-parametri ewlenin tas-sottostrat SiC jinkludu d-densità tal-mikrotubuli, id-densità tad-dislokazzjoni, ir-reżistività, it-tgħawwiġ, il-ħruxija tal-wiċċ, eċċ. Hija inġinerija tas-sistema kumplessa biex tirranġa l-atomi f'kamra magħluqa b'temperatura għolja u tlesti t-tkabbir tal-kristall, filwaqt li tikkontrolla l-indiċi tal-parametri.
Il-materjal għandu ebusija għolja, fraġilità għolja, ħin twil ta' qtugħ u użu għoli: L-ebusija tas-SiC Mohs ta' 9.25 hija t-tieni biss wara d-djamant, li twassal għal żieda sinifikanti fid-diffikultà tat-tqattigħ, it-tħin u l-illustrar, u tieħu madwar 120 siegħa biex taqta' 35-40 biċċa ta' ingott ta' 3 ċm ħxuna. Barra minn hekk, minħabba l-fraġilità għolja tas-SiC, l-użu tal-ipproċessar tal-wejfer se jkun akbar, u l-proporzjon tal-produzzjoni huwa biss madwar 60%.
Xejra ta' żvilupp: Żieda fid-daqs + tnaqqis fil-prezz
Is-suq globali tas-SiC b'linja ta' produzzjoni ta' volum ta' 6 pulzieri qed jimmatura, u l-kumpaniji ewlenin daħlu fis-suq ta' 8 pulzieri. Il-proġetti ta' żvilupp domestiċi huma prinċipalment ta' 6 pulzieri. Fil-preżent, għalkemm il-biċċa l-kbira tal-kumpaniji domestiċi għadhom ibbażati fuq linji ta' produzzjoni ta' 4 pulzieri, l-industrija qed tespandi gradwalment għal 6 pulzieri, bil-maturità tat-teknoloġija tat-tagħmir ta' appoġġ ta' 6 pulzieri, it-teknoloġija domestika tas-sottostrat SiC qed ittejjeb ukoll gradwalment l-ekonomiji ta' skala tal-linji ta' produzzjoni ta' daqs kbir se jiġu riflessi, u d-distakk attwali fil-ħin tal-produzzjoni domestika tal-massa ta' 6 pulzieri naqas għal 7 snin. Id-daqs akbar tal-wejfer jista' jwassal għal żieda fin-numru ta' ċipep singoli, titjib fir-rata tar-rendiment, u tnaqqis fil-proporzjon ta' ċipep tat-tarf, u l-ispiża tar-riċerka u l-iżvilupp u t-telf tar-rendiment se jinżammu għal madwar 7%, u b'hekk tittejjeb l-użu tal-wejfer.
Għad hemm ħafna diffikultajiet fid-disinn tal-apparat
Il-kummerċjalizzazzjoni tad-dijodi SiC qed titjieb gradwalment, fil-preżent, numru ta' manifatturi domestiċi ddisinjaw prodotti SiC SBD, prodotti SiC SBD ta' vultaġġ medju u għoli għandhom stabbiltà tajba, fl-OBC tal-vetturi, l-użu ta' SiC SBD + SI IGBT biex tinkiseb densità ta' kurrent stabbli. Fil-preżent, m'hemm l-ebda ostaklu fid-disinn tal-brevetti tal-prodotti SiC SBD fiċ-Ċina, u d-distakk ma' pajjiżi barranin huwa żgħir.
Is-SiC MOS għad għandu ħafna diffikultajiet, għad hemm distakk bejn is-SiC MOS u l-manifatturi barranin, u l-pjattaforma tal-manifattura rilevanti għadha qed tinbena. Fil-preżent, ST, Infineon, Rohm u SiC MOS oħra ta' 600-1700V kisbu produzzjoni tal-massa u ffirmaw u tbagħtu ma' ħafna industriji tal-manifattura, filwaqt li d-disinn domestiku attwali tas-SiC MOS huwa bażikament komplut, numru ta' manifatturi tad-disinn qed jaħdmu mal-fabs fl-istadju tal-fluss tal-wejfer, u l-verifika tal-klijent aktar tard għadha teħtieġ xi żmien, għalhekk għad fadal żmien twil mill-kummerċjalizzazzjoni fuq skala kbira.
Fil-preżent, l-istruttura planari hija l-għażla ewlenija, u t-tip ta' trinka se jintuża ħafna fil-qasam ta' pressjoni għolja fil-futur. Hemm ħafna manifatturi ta' struttura planari SiC MOS, l-istruttura planari mhijiex faċli biex tipproduċi problemi ta' tkissir lokali meta mqabbla mal-kanal, li jaffettwa l-istabbiltà tax-xogħol, fis-suq taħt il-1200V għandha firxa wiesgħa ta' valur ta' applikazzjoni, u l-istruttura planari hija relattivament sempliċi fl-aħħar tal-manifattura, biex tissodisfa ż-żewġ aspetti tal-manifatturabbiltà u l-kontroll tal-ispejjeż. L-apparat tal-kanal għandu l-vantaġġi ta' induttanza parassitika estremament baxxa, veloċità ta' swiċċjar mgħaġġla, telf baxx u prestazzjoni relattivament għolja.
2--Aħbarijiet dwar il-wejfer tas-SiC
Tkabbir tal-produzzjoni u l-bejgħ tas-suq tal-karbur tas-silikon, oqgħod attent għall-iżbilanċ strutturali bejn il-provvista u d-domanda
Bit-tkabbir mgħaġġel tad-domanda tas-suq għall-elettronika tal-enerġija ta' frekwenza għolja u qawwa għolja, l-ostaklu fiżiku tal-apparati semikondutturi bbażati fuq is-silikon sar gradwalment prominenti, u l-materjali semikondutturi tat-tielet ġenerazzjoni rappreżentati mis-silikon karbur (SiC) saru gradwalment industrijalizzati. Mill-perspettiva tal-prestazzjoni tal-materjal, is-silikon karbur għandu 3 darbiet il-wisa' tal-band gap tal-materjal tas-silikon, 10 darbiet is-saħħa tal-kamp elettriku tat-tkissir kritiku, 3 darbiet il-konduttività termali, għalhekk l-apparati tal-enerġija tas-silikon karbur huma adattati għal frekwenza għolja, pressjoni għolja, temperatura għolja u applikazzjonijiet oħra, u jgħinu biex itejbu l-effiċjenza u d-densità tal-qawwa tas-sistemi elettroniċi tal-enerġija.
Fil-preżent, id-dijodi SiC u s-SiC MOSFETs imxew gradwalment fis-suq, u hemm prodotti aktar maturi, fosthom id-dijodi SiC jintużaw ħafna minflok id-dijodi bbażati fuq is-silikon f'xi oqsma minħabba li m'għandhomx il-vantaġġ ta' ħlas ta' rkupru invers; SiC MOSFET jintuża wkoll gradwalment fl-oqsma tal-karozzi, ħażna tal-enerġija, munzell tal-iċċarġjar, fotovoltajċi u oqsma oħra; Fil-qasam tal-applikazzjonijiet tal-karozzi, ix-xejra tal-modularizzazzjoni qed issir dejjem aktar prominenti, il-prestazzjoni superjuri tas-SiC teħtieġ li tiddependi fuq proċessi avvanzati tal-ippakkjar biex tinkiseb, teknikament b'siġillar tal-qoxra relattivament matur bħala l-mainstream, il-futur jew għall-iżvilupp tas-siġillar tal-plastik, il-karatteristiċi tal-iżvilupp personalizzati tiegħu huma aktar adattati għall-moduli SiC.
Veloċità tat-tnaqqis fil-prezz tal-karbur tas-silikon jew lil hinn mill-immaġinazzjoni
L-applikazzjoni ta' apparati tas-silikon karbur hija prinċipalment limitata mill-ispiża għolja, il-prezz tas-SiC MOSFET taħt l-istess livell huwa 4 darbiet ogħla minn dak tal-IGBT ibbażat fuq is-Si, dan għaliex il-proċess tas-silikon karbur huwa kumpless, fejn it-tkabbir ta' kristall wieħed u epitassjali mhux biss huwa ħarxa fuq l-ambjent, iżda wkoll ir-rata ta' tkabbir hija bil-mod, u l-ipproċessar ta' kristall wieħed fis-sottostrat irid jgħaddi mill-proċess tat-tqattigħ u l-illustrar. Abbażi tal-karatteristiċi tal-materjal tiegħu stess u t-teknoloġija tal-ipproċessar immatura, ir-rendiment tas-sottostrat domestiku huwa inqas minn 50%, u diversi fatturi jwasslu għal prezzijiet għoljin tas-sottostrat u epitassjali.
Madankollu, il-kompożizzjoni tal-ispejjeż tal-apparati tas-silikon karbur u l-apparati bbażati fuq is-silikon hija dijametralment opposta, l-ispejjeż tas-sottostrat u tal-epitassi tal-kanal ta' quddiem jammontaw għal 47% u 23% tal-apparat kollu rispettivament, b'total ta' madwar 70%, id-disinn tal-apparat, il-manifattura u r-rabtiet tas-siġillar tal-kanal ta' wara jammontaw għal 30% biss, l-ispiża tal-produzzjoni tal-apparati bbażati fuq is-silikon hija prinċipalment ikkonċentrata fil-manifattura tal-wejfer tal-kanal ta' wara madwar 50%, u l-ispiża tas-sottostrat tammonta għal 7% biss. Il-fenomenu tal-valur tal-katina tal-industrija tas-silikon karbur ta' taħt fuq ifisser li l-manifatturi tal-epitassija tas-sottostrat upstream għandhom id-dritt ewlieni li jitkellmu, li huwa ċ-ċavetta għat-tqassim tal-intrapriżi domestiċi u barranin.
Mill-perspettiva dinamika tas-suq, it-tnaqqis tal-ispiża tal-karbur tas-silikon, minbarra t-titjib tal-kristalli twal u l-proċess tat-tqattigħ tal-karbur tas-silikon, ifisser li tespandi d-daqs tal-wejfer, li huwa wkoll it-triq matura tal-iżvilupp tas-semikondutturi fil-passat. Id-dejta ta' Wolfspeed turi li l-aġġornament tas-sottostrat tal-karbur tas-silikon minn 6 pulzieri għal 8 pulzieri, il-produzzjoni kwalifikata taċ-ċippa tista' tiżdied bi 80%-90%, u tgħin biex ittejjeb ir-rendiment. Jista' jnaqqas l-ispiża unitarja kkombinata b'50%.
L-2023 hija magħrufa bħala l-"ewwel sena tas-SiC ta' 8 pulzieri", din is-sena, il-manifatturi domestiċi u barranin tas-silikon karbur qed jaċċelleraw it-tqassim tas-silikon karbur ta' 8 pulzieri, bħal investiment kbir ta' Wolfspeed ta' 14.55 biljun dollaru Amerikan għall-espansjoni tal-produzzjoni tas-silikon karbur, li parti importanti minnha hija l-kostruzzjoni ta' impjant tal-manifattura tas-sottostrat tas-SiC ta' 8 pulzieri, Biex tiġi żgurata l-provvista futura ta' metall mikxuf tas-SiC ta' 200 mm lil numru ta' kumpaniji; Domestic Tianyue Advanced u Tianke Heda ffirmaw ukoll ftehimiet fit-tul ma' Infineon biex jipprovdu sottostrati tas-silikon karbur ta' 8 pulzieri fil-futur.
Minn din is-sena 'l quddiem, il-karbur tas-silikon se jaċċelera minn 6 pulzieri għal 8 pulzieri, Wolfspeed jistenna li sal-2024, l-ispiża taċ-ċippa unitarja ta' sottostrat ta' 8 pulzieri meta mqabbla mal-ispiża taċ-ċippa unitarja ta' sottostrat ta' 6 pulzieri fl-2022 se titnaqqas b'aktar minn 60%, u t-tnaqqis fl-ispiża se jiftaħ aktar is-suq tal-applikazzjonijiet, skont id-dejta tar-riċerka ta' Ji Bond Consulting. Is-sehem tas-suq attwali tal-prodotti ta' 8 pulzieri huwa inqas minn 2%, u s-sehem tas-suq huwa mistenni li jikber għal madwar 15% sal-2026.
Fil-fatt, ir-rata ta' tnaqqis fil-prezz tas-sottostrat tal-karbur tas-silikon tista' taqbeż l-immaġinazzjoni ta' ħafna nies, l-offerta attwali tas-suq ta' sottostrat ta' 6 pulzieri hija ta' 4000-5000 wan/biċċa, meta mqabbla mal-bidu tas-sena niżlet ħafna, hija mistennija li tinżel taħt l-4000 wan is-sena d-dieħla, ta' min jinnota li xi manifatturi sabiex jiksbu l-ewwel suq, naqqsu l-prezz tal-bejgħ għal-linja tal-ispiża taħtha, Fetħu l-mudell tal-gwerra tal-prezzijiet, prinċipalment ikkonċentrata fil-provvista tas-sottostrat tal-karbur tas-silikon kienet relattivament suffiċjenti fil-qasam tal-vultaġġ baxx, il-manifatturi domestiċi u barranin qed jespandu b'mod aggressiv il-kapaċità tal-produzzjoni, jew iħallu l-istadju tal-provvista żejda tas-sottostrat tal-karbur tas-silikon aktar kmieni milli immaġinat.
Ħin tal-posta: 19 ta' Jannar 2024