Introduction au carbure de silicium
Le carbure de silicium (SiC) est un matériau semi-conducteur composé de carbone et de silicium, idéal pour la fabrication de dispositifs haute température, haute fréquence, haute puissance et haute tension. Comparé au silicium traditionnel (Si), le carbure de silicium présente une bande interdite trois fois supérieure à celle du silicium. Sa conductivité thermique est quatre à cinq fois supérieure à celle du silicium ; sa tension de claquage est huit à dix fois supérieure ; son taux de dérive de saturation électronique est deux à trois fois supérieur à celui du silicium, ce qui répond aux besoins de l'industrie moderne en haute puissance, haute tension et haute fréquence. Il est principalement utilisé pour la production de composants électroniques haute vitesse, haute fréquence, haute puissance et électroluminescents. Ses domaines d'application en aval incluent les réseaux intelligents, les véhicules à énergies nouvelles, l'énergie éolienne photovoltaïque, la communication 5G, etc. Les diodes en carbure de silicium et les MOSFET ont été utilisés commercialement.
Résistance aux hautes températures. La largeur de bande interdite du carbure de silicium est 2 à 3 fois supérieure à celle du silicium, les électrons ne se transfèrent pas facilement à haute température et peuvent supporter des températures de fonctionnement plus élevées. De plus, sa conductivité thermique est 4 à 5 fois supérieure à celle du silicium, ce qui facilite la dissipation thermique du dispositif et élève sa température limite de fonctionnement. La résistance aux hautes températures permet d'augmenter considérablement la densité de puissance tout en réduisant les besoins en refroidissement, ce qui allège et compacte le terminal.
Résiste aux hautes pressions. L'intensité du champ électrique de claquage du carbure de silicium est dix fois supérieure à celle du silicium, ce qui lui permet de supporter des tensions plus élevées et de mieux convenir aux appareils haute tension.
Résistance haute fréquence. Le carbure de silicium présente un taux de dérive des électrons saturés deux fois supérieur à celui du silicium, ce qui permet d'éviter toute perte de courant lors de l'arrêt, ce qui améliore efficacement la fréquence de commutation et permet une miniaturisation du dispositif.
Faibles pertes d'énergie. Comparé au silicium, le carbure de silicium présente une très faible résistance à l'état passant et de faibles pertes à l'état passant. Parallèlement, sa large bande interdite réduit considérablement le courant de fuite et les pertes de puissance. De plus, le carbure de silicium ne présente pas de phénomène de fuite de courant à l'arrêt et ses pertes de commutation sont faibles.
Chaîne industrielle du carbure de silicium
Cela comprend principalement le substrat, l'épitaxie, la conception du dispositif, la fabrication, l'étanchéité, etc. Du carbure de silicium, du matériau au dispositif de puissance semi-conducteur, les étapes de la croissance monocristalline, du découpage en lingot, de la croissance épitaxiale, de la conception de la plaquette, de la fabrication et du conditionnement sont effectuées, entre autres. Après la synthèse de la poudre de carbure de silicium, le lingot est d'abord fabriqué, puis le substrat est obtenu par découpage, meulage et polissage, et la feuille épitaxiale est obtenue par croissance épitaxiale. La plaquette épitaxiale est fabriquée en carbure de silicium par lithographie, gravure, implantation ionique, passivation métallique et autres procédés. La plaquette est ensuite découpée en matrice, le dispositif est conditionné, puis le dispositif est assemblé dans une coque spéciale et un module.
En amont de la chaîne industrielle 1 : substrat - la croissance cristalline est le maillon central du processus
Le substrat en carbure de silicium représente environ 47 % du coût des dispositifs en carbure de silicium, les barrières techniques de fabrication les plus élevées, la plus grande valeur, est au cœur de la future industrialisation à grande échelle du SiC.
Du point de vue des différences de propriétés électrochimiques, les substrats en carbure de silicium peuvent être divisés en substrats conducteurs (résistivité comprise entre 15 et 30 mΩ·cm) et substrats semi-isolés (résistivité supérieure à 105 Ω·cm). Ces deux types de substrats sont utilisés pour la fabrication de composants discrets tels que des dispositifs de puissance et des dispositifs radiofréquence après croissance épitaxiale. Parmi eux, le substrat en carbure de silicium semi-isolé est principalement utilisé dans la fabrication de dispositifs RF au nitrure de gallium, de dispositifs photoélectriques, etc. La croissance d'une couche épitaxiale de gan sur un substrat SIC semi-isolé permet de préparer une plaque épitaxiale de gan, qui peut ensuite être transformée en dispositifs RF HEMT à iso-nitrure de gan. Le substrat en carbure de silicium conducteur est principalement utilisé dans la fabrication de dispositifs de puissance. Contrairement au processus de fabrication traditionnel des dispositifs d'alimentation en silicium, le dispositif d'alimentation en carbure de silicium ne peut pas être fabriqué directement sur le substrat en carbure de silicium, la couche épitaxiale de carbure de silicium doit être cultivée sur le substrat conducteur pour obtenir la feuille épitaxiale de carbure de silicium, et la couche épitaxiale est fabriquée sur la diode Schottky, le MOSFET, l'IGBT et d'autres dispositifs d'alimentation.
La poudre de carbure de silicium a été synthétisée à partir de poudre de carbone et de silicium de haute pureté. Des lingots de carbure de silicium de différentes tailles ont été produits dans un champ de température spécifique, puis un substrat de carbure de silicium a été produit par plusieurs procédés. Le procédé principal comprend :
Synthèse des matières premières : La poudre de silicium haute pureté et le toner sont mélangés selon la formule, puis la réaction est réalisée dans une chambre de réaction à une température supérieure à 2 000 °C afin de synthétiser des particules de carbure de silicium présentant un type de cristal et une granulométrie spécifiques. Le broyage, le criblage, le nettoyage et d'autres procédés permettent de répondre aux exigences de la poudre de carbure de silicium haute pureté.
La croissance cristalline est le procédé principal de fabrication des substrats en carbure de silicium, qui détermine leurs propriétés électriques. Actuellement, les principales méthodes de croissance cristalline sont le transfert physique en phase vapeur (PVT), le dépôt chimique en phase vapeur à haute température (HT-CVD) et l'épitaxie en phase liquide (LPE). Parmi elles, la méthode PVT est la méthode la plus répandue pour la croissance commerciale des substrats SiC, présentant la plus grande maturité technique et la plus largement utilisée en ingénierie.
La préparation du substrat SiC est difficile, ce qui entraîne son prix élevé
Le contrôle du champ thermique est complexe : la croissance d'un barreau de cristal de Si ne nécessite que 1 500 °C, tandis que celle d'un barreau de cristal de SiC nécessite une température supérieure à 2 000 °C. Il existe plus de 250 isomères de SiC. Cependant, la structure monocristalline 4H-SiC, principale pour la production de dispositifs de puissance, sans un contrôle précis, donnera naissance à d'autres structures cristallines. De plus, le gradient de température dans le creuset détermine la vitesse de transfert par sublimation du SiC ainsi que la disposition et le mode de croissance des atomes gazeux à l'interface cristalline, ce qui affecte la vitesse de croissance et la qualité des cristaux. Il est donc nécessaire de mettre en place une technologie systématique de contrôle du champ thermique. Par rapport aux matériaux Si, la production de SiC se distingue également par des procédés à haute température tels que l'implantation ionique, l'oxydation et l'activation à haute température, ainsi que le masquage dur requis par ces procédés.
Croissance lente des cristaux : le taux de croissance de la tige de cristal de Si peut atteindre 30 à 150 mm/h, et la production de tige de cristal de silicium de 1 à 3 m ne prend qu'environ 1 jour ; tige de cristal de SiC avec la méthode PVT à titre d'exemple, le taux de croissance est d'environ 0,2 à 0,4 mm/h, 7 jours pour faire pousser moins de 3 à 6 cm, le taux de croissance est inférieur à 1 % du matériau silicium, la capacité de production est extrêmement limitée.
Paramètres de produit élevés et faible rendement : les paramètres de base du substrat SiC comprennent la densité des microtubules, la densité de dislocations, la résistivité, le gauchissement, la rugosité de surface, etc. Il s'agit d'une ingénierie de système complexe pour organiser les atomes dans une chambre fermée à haute température et compléter la croissance cristalline, tout en contrôlant les indices de paramètres.
Le matériau présente une dureté et une fragilité élevées, un temps de coupe long et une usure importante : la dureté Mohs du SiC (9,25) le place au deuxième rang après celle du diamant, ce qui augmente considérablement la difficulté de coupe, de meulage et de polissage. Il faut environ 120 heures pour couper 35 à 40 pièces d'un lingot de 3 cm d'épaisseur. De plus, la fragilité élevée du SiC entraîne une usure plus importante lors de l'usinage des plaquettes, et le rendement n'est que d'environ 60 %.
Tendance de développement : augmentation de la taille + baisse des prix
La ligne de production mondiale de SiC en série de 6 pouces arrive à maturité, et des entreprises leaders ont pénétré le marché du 8 pouces. Les projets de développement nationaux portent principalement sur le 6 pouces. Actuellement, bien que la plupart des entreprises nationales utilisent encore des lignes de production de 4 pouces, l'industrie s'étend progressivement au 6 pouces. Avec la maturité des technologies d'équipements compatibles avec le 6 pouces, la technologie nationale des substrats SiC s'améliore également progressivement. Les économies d'échelle des lignes de production de grande taille se refléteront, et le délai actuel de production de masse du 6 pouces en Chine s'est réduit à 7 ans. L'augmentation de la taille des plaquettes permettra d'augmenter le nombre de puces individuelles, d'améliorer le rendement et de réduire la proportion de puces de bord. Les coûts de recherche et développement et les pertes de rendement seront maintenus à environ 7 %, améliorant ainsi l'utilisation des plaquettes.
Il existe encore de nombreuses difficultés dans la conception des appareils
La commercialisation des diodes SiC s'améliore progressivement. Actuellement, de nombreux fabricants nationaux conçoivent des diodes SiC SBD. Ces diodes moyenne et haute tension présentent une bonne stabilité. Dans les circuits imprimés embarqués (OBC) automobiles, l'utilisation d'IGBT SiC SBD + SI permet d'obtenir une densité de courant stable. Actuellement, la conception de diodes SiC SBD est exempte de tout obstacle en Chine, et l'écart avec les pays étrangers est faible.
Les MOS SiC rencontrent encore de nombreuses difficultés. Un écart subsiste entre les MOS SiC et les fabricants étrangers, et la plateforme de fabrication correspondante est encore en construction. Actuellement, ST, Infineon, Rohm et d'autres fabricants de MOS SiC 600-1700 V ont atteint la production de masse et ont signé et livré avec de nombreuses industries manufacturières. La conception actuelle des MOS SiC nationaux est pratiquement achevée, plusieurs fabricants travaillent avec des usines de fabrication au stade de la fabrication de plaquettes, et la validation ultérieure par les clients nécessite encore un certain temps, de sorte que la commercialisation à grande échelle est encore loin.
Actuellement, la structure planaire est le choix le plus répandu, et le type à tranchée sera largement utilisé dans le domaine des hautes pressions à l'avenir. Les fabricants de MOS SiC à structure planaire sont nombreux. Comparée à la structure à rainures, elle présente moins de problèmes de claquage local, ce qui affecte la stabilité du fonctionnement. Sur le marché des tensions inférieures à 1200 V, elle offre un large éventail d'applications. De plus, sa fabrication est relativement simple, répondant aux deux critères de fabricabilité et de maîtrise des coûts. Le dispositif à rainures présente les avantages d'une inductance parasite extrêmement faible, d'une vitesse de commutation rapide, de faibles pertes et de performances relativement élevées.
2--Actualités sur les plaquettes SiC
Croissance de la production et des ventes du marché du carbure de silicium, attention au déséquilibre structurel entre l'offre et la demande
Avec la croissance rapide de la demande du marché en électronique de puissance haute fréquence et haute puissance, les limites physiques des semi-conducteurs à base de silicium sont devenues de plus en plus importantes, et les matériaux semi-conducteurs de troisième génération, le carbure de silicium (SiC), ont progressivement été industrialisés. Du point de vue des performances, le carbure de silicium présente une largeur de bande interdite trois fois supérieure à celle du silicium, une intensité du champ électrique critique de claquage dix fois supérieure et une conductivité thermique trois fois supérieure. Les dispositifs de puissance en carbure de silicium sont donc adaptés aux applications haute fréquence, haute pression, haute température et autres, contribuant ainsi à améliorer l'efficacité et la densité de puissance des systèmes électroniques de puissance.
Français À l'heure actuelle, les diodes SiC et les MOSFET SiC sont progressivement arrivés sur le marché, et il existe des produits plus matures, parmi lesquels les diodes SiC sont largement utilisées à la place des diodes à base de silicium dans certains domaines car elles n'ont pas l'avantage de la charge de récupération inverse ; Le MOSFET SiC est également progressivement utilisé dans l'automobile, le stockage d'énergie, la pile de charge, le photovoltaïque et d'autres domaines ; Dans le domaine des applications automobiles, la tendance à la modularisation devient de plus en plus importante, les performances supérieures du SiC doivent s'appuyer sur des processus d'emballage avancés pour y parvenir, techniquement avec une étanchéité de coque relativement mature comme courant dominant, l'avenir ou le développement de l'étanchéité plastique, ses caractéristiques de développement personnalisées sont plus adaptées aux modules SiC.
La vitesse de baisse du prix du carbure de silicium dépasse l'imagination
L'utilisation des composants en carbure de silicium est principalement limitée par leur coût élevé. Le prix d'un MOSFET SiC de même niveau est quatre fois supérieur à celui d'un IGBT à base de silicium. En effet, le procédé de fabrication du carbure de silicium est complexe : la croissance des monocristallins et l'épitaxie sont non seulement néfastes pour l'environnement, mais aussi lentes, et la transformation du monocristal en substrat nécessite des opérations de découpe et de polissage. Compte tenu des caractéristiques propres de ces matériaux et de l'insuffisance des technologies de traitement, le rendement des substrats nationaux est inférieur à 50 %, et divers facteurs expliquent les prix élevés des substrats et de l'épitaxie.
Français Cependant, la composition des coûts des dispositifs en carbure de silicium et des dispositifs à base de silicium est diamétralement opposée : les coûts du substrat et de l'épitaxie du canal avant représentent respectivement 47 % et 23 % de l'ensemble du dispositif, soit environ 70 %, la conception, la fabrication et l'étanchéité du canal arrière ne représentent que 30 %, le coût de production des dispositifs à base de silicium est principalement concentré sur la fabrication des plaquettes du canal arrière (environ 50 %), et le coût du substrat ne représente que 7 %. Le phénomène d'inversion de la chaîne de valeur de l'industrie du carbure de silicium signifie que les fabricants d'épitaxie de substrat en amont ont le droit de parole, ce qui est la clé de la configuration des entreprises nationales et étrangères.
Du point de vue dynamique du marché, la réduction du coût du carbure de silicium, outre l'amélioration du procédé de fabrication des cristaux longs et de tranchage, permet d'augmenter la taille des plaquettes. Ce qui constitue également une voie de développement mature pour les semi-conducteurs. Les données de Wolfspeed montrent que la mise à niveau du substrat en carbure de silicium de 6 pouces à 8 pouces permet d'augmenter la production de puces qualifiées de 80 à 90 % et d'améliorer le rendement. Le coût unitaire combiné peut être réduit de 50 %.
2023 est connue comme la « première année du SiC de 8 pouces », cette année, les fabricants nationaux et étrangers de carbure de silicium accélèrent la mise en page du carbure de silicium de 8 pouces, comme l'investissement fou de Wolfspeed de 14,55 milliards de dollars américains pour l'expansion de la production de carbure de silicium, dont une partie importante est la construction d'une usine de fabrication de substrats SiC de 8 pouces, pour assurer l'approvisionnement futur de métal nu SiC de 200 mm à un certain nombre d'entreprises ; Les sociétés nationales Tianyue Advanced et Tianke Heda ont également signé des accords à long terme avec Infineon pour fournir des substrats en carbure de silicium de 8 pouces à l'avenir.
À partir de cette année, le carbure de silicium passera de 6 pouces à 8 pouces. Wolfspeed prévoit que d'ici 2024, le coût unitaire d'une puce de substrat de 8 pouces sera réduit de plus de 60 % par rapport à celui d'une puce de substrat de 6 pouces en 2022. Cette baisse des coûts ouvrira davantage le marché des applications, selon les données de recherche de Ji Bond Consulting. La part de marché actuelle des produits de 8 pouces est inférieure à 2 %, et elle devrait atteindre environ 15 % d'ici 2026.
En fait, le taux de baisse du prix du substrat en carbure de silicium peut dépasser l'imagination de nombreuses personnes, l'offre actuelle du marché du substrat de 6 pouces est de 4 000 à 5 000 yuans/pièce, par rapport au début de l'année a beaucoup baissé, devrait tomber en dessous de 4 000 yuans l'année prochaine, il convient de noter que certains fabricants afin d'obtenir le premier marché, ont réduit le prix de vente à la ligne de coût ci-dessous, ont ouvert le modèle de la guerre des prix, principalement concentré sur l'approvisionnement en substrat en carbure de silicium a été relativement suffisant dans le domaine de la basse tension, les fabricants nationaux et étrangers augmentent agressivement la capacité de production, ou laissent la surproduction de substrat en carbure de silicium surgir plus tôt qu'on ne l'imaginait.
Date de publication : 19 janvier 2024