Introduction au carbure de silicium
Le carbure de silicium (SiC) est un matériau semi-conducteur composé de carbone et de silicium, qui est l'un des matériaux idéaux pour fabriquer des dispositifs à haute température, haute fréquence, haute puissance et haute tension. Par rapport au matériau silicium (Si) traditionnel, la bande interdite du carbure de silicium est 3 fois supérieure à celle du silicium. La conductivité thermique est 4 à 5 fois supérieure à celle du silicium ; La tension de claquage est 8 à 10 fois supérieure à celle du silicium ; Le taux de dérive de saturation électronique est 2 à 3 fois supérieur à celui du silicium, ce qui répond aux besoins de l'industrie moderne en matière de haute puissance, haute tension et haute fréquence. Il est principalement utilisé pour la production de composants électroniques à grande vitesse, haute fréquence, haute puissance et électroluminescents. Les domaines d'application en aval comprennent les réseaux intelligents, les véhicules à énergie nouvelle, 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 celle du silicium, les électrons ne sont pas faciles à faire la transition à des températures élevées et peuvent résister à des températures de fonctionnement plus élevées, et la conductivité thermique du carbure de silicium est 4 à 5 fois celle du silicium, ce qui rend la dissipation thermique de l'appareil plus facile et la température de fonctionnement limite plus élevée. La résistance aux températures élevées peut augmenter considérablement la densité de puissance tout en réduisant les exigences en matière de système de refroidissement, rendant le terminal plus léger et plus petit.
Résiste à une pression élevée. L'intensité du champ électrique de claquage du carbure de silicium est 10 fois supérieure à celle du silicium, qui peut résister à des tensions plus élevées et convient mieux aux appareils à haute tension.
Résistance haute fréquence. Le carbure de silicium a un taux de dérive des électrons saturés deux fois supérieur à celui du silicium, ce qui entraîne l'absence de courant résiduel pendant le processus d'arrêt, ce qui peut améliorer efficacement la fréquence de commutation du dispositif et réaliser la miniaturisation du dispositif.
Faible perte d'énergie. Comparé au matériau silicium, le carbure de silicium a une très faible résistance à l'état passant et une faible perte à l'état passant. Dans le même temps, la largeur de bande interdite élevée du carbure de silicium réduit considérablement le courant de fuite et la perte de puissance. De plus, le dispositif en carbure de silicium ne présente pas de phénomène de traînée de courant pendant le processus d'arrêt et la perte de commutation est faible.
Chaîne industrielle du carbure de silicium
Cela comprend principalement le substrat, l’épitaxie, la conception de dispositifs, la fabrication, l’étanchéité, etc. Le carbure de silicium, du matériau au dispositif d'alimentation à semi-conducteur, subira une croissance monocristalline, un découpage de lingots, une croissance épitaxiale, une conception de tranches, une fabrication, un emballage et d'autres processus. Après la synthèse de la poudre de carbure de silicium, le lingot de carbure de silicium est d'abord fabriqué, puis le substrat en carbure de silicium est obtenu par tranchage, meulage et polissage, et la feuille épitaxiale est obtenue par croissance épitaxiale. La plaquette épitaxiale est constituée de carbure de silicium par lithographie, gravure, implantation ionique, passivation métallique et autres processus, la plaquette est découpée en matrice, le dispositif est emballé et le dispositif est combiné dans une coque spéciale et assemblé dans 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 matériaux de substrat en carbure de silicium peuvent être divisés en substrats conducteurs (région de résistivité 15 ~ 30 mΩ·cm) et substrats semi-isolés (résistivité supérieure à 105Ω·cm). Ces deux types de substrats sont utilisés pour fabriquer des dispositifs discrets tels que des dispositifs de puissance et des dispositifs radiofréquence respectivement après croissance épitaxiale. Parmi eux, le substrat semi-isolé en carbure de silicium est principalement utilisé dans la fabrication de dispositifs RF au nitrure de gallium, de dispositifs photoélectriques, etc. En faisant croître une couche épitaxiale gan sur un substrat SIC semi-isolé, la plaque épitaxiale sic est préparée, qui peut ensuite être préparée dans des dispositifs RF à iso-nitrure gan HEMT. Le substrat conducteur en carbure de silicium est principalement utilisé dans la fabrication de dispositifs électriques. Différent du processus de fabrication traditionnel des dispositifs de puissance en silicium, le dispositif de puissance en carbure de silicium ne peut pas être fabriqué directement sur le substrat en carbure de silicium, la couche épitaxiale en carbure de silicium doit être cultivée sur le substrat conducteur pour obtenir la feuille épitaxiale en carbure de silicium, et la couche épitaxiale en carbure de silicium doit être cultivée sur le substrat conducteur pour obtenir la feuille épitaxiale en carbure de silicium. La couche 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 de haute pureté et de poudre de silicium de haute pureté, et différentes tailles de lingots de carbure de silicium ont été cultivées dans un champ de température spécial, puis un substrat en carbure de silicium a été produit par plusieurs processus de traitement. Le processus de base comprend :
Synthèse des matières premières : la poudre de silicium de haute pureté + le toner sont mélangés selon la formule et la réaction est effectuée dans la chambre de réaction à haute température au-dessus de 2 000 °C pour synthétiser les particules de carbure de silicium avec un type de cristal et des particules spécifiques. taille. Ensuite, à travers les processus de concassage, de criblage, de nettoyage et autres, pour répondre aux exigences des matières premières en poudre de carbure de silicium de haute pureté.
La croissance cristalline est le processus central de la fabrication des substrats en carbure de silicium, qui détermine les propriétés électriques du substrat en carbure de silicium. À l'heure actuelle, 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 actuellement la méthode principale pour la croissance commerciale du substrat SiC, avec la maturité technique la plus élevée et la plus largement utilisée en ingénierie.
La préparation du substrat SiC est difficile, ce qui conduit à son prix élevé
Le contrôle du champ de température est difficile : la croissance des tiges de cristal de Si n'a besoin que de 1 500 ℃, tandis que la tige de cristal de SiC doit croître à une température élevée supérieure à 2 000 ℃, et il existe plus de 250 isomères de SiC, mais la principale structure monocristalline 4H-SiC pour la production de dispositifs électriques, si elle n'est pas contrôlée avec précision, obtiendra d'autres structures cristallines. De plus, le gradient de température dans le creuset détermine le taux de transfert par sublimation du SiC ainsi que la disposition et le mode de croissance des atomes gazeux sur l'interface cristalline, ce qui affecte le taux de croissance et la qualité des cristaux. Il est donc nécessaire de former un champ de température systématique. technologie de contrôle. Par rapport aux matériaux Si, la différence dans la production de SiC réside également dans les processus à haute température tels que l'implantation ionique à haute température, l'oxydation à haute température, l'activation à haute température et le processus de masque dur requis par ces processus à haute température.
Croissance cristalline lente : le taux de croissance de la tige de cristal de Si peut atteindre 30 ~ 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 SiC avec la méthode PVT comme exemple, le taux de croissance est d'environ 0,2 à 0,4 mm/h, 7 jours pour croître de moins de 3 à 6 cm, le taux de croissance est inférieur à 1 % du matériau en silicium, la capacité de production est extrêmement limité.
Paramètres de produit élevés et faible rendement : les paramètres de base du substrat SiC incluent la densité des microtubules, la densité de dislocation, la résistivité, le gauchissement, la rugosité de surface, etc. Il s'agit d'une ingénierie de système complexe pour disposer les atomes dans une chambre fermée à haute température et compléter la croissance cristalline, tout en contrôlant les index des paramètres.
Le matériau a une dureté élevée, une fragilité élevée, un temps de coupe long et une usure élevée : la dureté SiC Mohs de 9,25 est juste derrière le diamant, ce qui entraîne une augmentation significative de la difficulté de coupe, de meulage et de polissage, et il faut environ 120 heures pour coupez 35 à 40 morceaux d'un lingot de 3 cm d'épaisseur. De plus, en raison de la grande fragilité du SiC, l'usure du traitement des plaquettes sera plus importante et le taux de production n'est que d'environ 60 %.
Tendance de développement : augmentation de la taille + diminution des prix
La ligne de production en volume de 6 pouces du marché mondial du SiC arrive à maturité et des entreprises leaders sont entrées sur le marché des 8 pouces. Les projets de développement nationaux portent principalement sur 6 pouces. À l'heure actuelle, bien que la plupart des entreprises nationales soient encore basées sur des lignes de production de 4 pouces, mais que l'industrie s'étend progressivement jusqu'à 6 pouces, avec la maturité de la technologie des équipements de support de 6 pouces, la technologie nationale des substrats SiC améliore également progressivement les économies de l'échelle des lignes de production de grande taille sera reflétée, et l'écart actuel entre les délais de production de masse nationale de 6 pouces s'est réduit à 7 ans. La plus grande taille de tranche peut entraîner une augmentation du nombre de puces uniques, améliorer le taux de rendement et réduire la proportion de puces de bord, et le coût de recherche et développement et la perte de rendement seront maintenus à environ 7 %, améliorant ainsi la tranche. utilisation.
Il existe encore de nombreuses difficultés dans la conception des appareils
La commercialisation de la diode SiC s'est progressivement améliorée, à l'heure actuelle, un certain nombre de fabricants nationaux ont conçu des produits SiC SBD, les produits SiC SBD moyenne et haute tension ont une bonne stabilité, dans l'OBC du véhicule, l'utilisation de SiC SBD + SI IGBT pour obtenir une stabilité densité de courant. À l'heure actuelle, il n'y a aucun obstacle à la conception de brevets pour les produits SiC SBD en Chine, et l'écart avec les pays étrangers est faible.
SiC MOS connaît encore de nombreuses difficultés, il existe toujours un écart entre SiC MOS et les fabricants étrangers et la plate-forme de fabrication correspondante est toujours en construction. À l'heure actuelle, ST, Infineon, Rohm et d'autres SiC MOS 600-1 700 V ont réalisé une production de masse et ont signé et expédié avec de nombreuses industries manufacturières, tandis que la conception nationale actuelle du SiC MOS est pratiquement achevée, un certain nombre de fabricants de conception travaillent avec des usines à l'étape d'écoulement des plaquettes, puis la vérification par le client nécessitent encore un certain temps, il reste donc encore beaucoup de temps avant une commercialisation à grande échelle.
À l'heure actuelle, la structure planaire est le choix principal et le type de tranchée sera largement utilisé dans le domaine des hautes pressions à l'avenir. Les fabricants de SiC MOS à structure planaire sont nombreux, la structure planaire n'est pas facile à produire des problèmes de panne locale par rapport à la rainure, affectant la stabilité du travail, sur le marché en dessous de 1200 V a une large gamme de valeurs d'application, et la structure planaire est relativement simple du point de vue de la fabrication, pour répondre à deux aspects de la fabricabilité et du contrôle des coûts. Le dispositif à rainure 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, faites 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, le goulot d'étranglement des limites physiques des dispositifs semi-conducteurs à base de silicium est progressivement devenu important, et les matériaux semi-conducteurs de troisième génération représentés par le carbure de silicium (SiC) ont progressivement augmenté. s'industrialiser. Du point de vue des performances du matériau, le carbure de silicium a 3 fois la largeur de bande interdite du matériau de silicium, 10 fois l'intensité du champ électrique de claquage critique, 3 fois la conductivité thermique, de sorte que les dispositifs électriques en carbure de silicium conviennent aux hautes fréquences et aux hautes pressions. les températures élevées et d'autres applications contribuent à améliorer l'efficacité et la densité de puissance des systèmes électroniques de puissance.
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 les domaines de l'automobile, du stockage d'énergie, des piles de recharge, du photovoltaïque et autres ; 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 atteindre, techniquement avec un scellage de coque relativement mature comme courant dominant, l'avenir ou le développement du scellage plastique. , ses caractéristiques de développement personnalisées sont plus adaptées aux modules SiC.
La vitesse de baisse du prix du carbure de silicium ou au-delà de l'imagination
L'application des dispositifs en carbure de silicium est principalement limitée par le coût élevé, le prix du MOSFET SiC au même niveau est 4 fois plus élevé que celui de l'IGBT à base de Si, car le processus du carbure de silicium est complexe, dans lequel la croissance de Le monocristal et l'épitaxie sont non seulement nocifs pour l'environnement, mais leur taux de croissance est également lent et le traitement du monocristal dans le substrat doit passer par le processus de découpe et de polissage. Sur la base de ses propres caractéristiques matérielles et d'une technologie de traitement immature, le rendement du substrat national est inférieur à 50 % et divers facteurs conduisent à des prix élevés du substrat et de l'épitaxie.
Cependant, la composition des coûts des dispositifs en carbure de silicium et des dispositifs à base de silicium est diamétralement opposée, les coûts de substrat et d'épitaxie du canal avant représentent respectivement 47 % et 23 % de l'ensemble du dispositif, totalisant environ 70 %, la conception, la fabrication du dispositif et les liens d'étanchéité du canal arrière ne représentent que 30 %, le coût de production des dispositifs à base de silicium est principalement concentré dans la fabrication des tranches du canal arrière, à hauteur d'environ 50 %, et le coût du substrat ne représente que 7 %. Le phénomène de la valeur à l'envers de la chaîne industrielle du carbure de silicium signifie que les fabricants d'épitaxie de substrat en amont ont le droit fondamental de s'exprimer, ce qui est la clé de la configuration des entreprises nationales et étrangères.
Du point de vue dynamique du marché, réduire le coût du carbure de silicium, en plus d'améliorer le processus de cristal long et de découpage du carbure de silicium, consiste à augmenter la taille de la tranche, ce qui est également la voie mature du développement des semi-conducteurs dans le passé. Les données de Wolfspeed montrent que la mise à niveau du substrat en carbure de silicium de 6 pouces à 8 pouces, la production de puces qualifiées peut augmenter de 80 à 90 % et contribuer à améliorer le rendement. Peut réduire le coût unitaire combiné 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 place 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 en métal nu SiC de 200 mm à un certain nombre d'entreprises ; Tianyue Advanced et Tianke Heda ont également signé des accords à long terme avec Infineon pour fournir à l'avenir des substrats en carbure de silicium de 8 pouces.
À partir de cette année, le carbure de silicium passera de 6 pouces à 8 pouces, Wolfspeed s'attend à ce que d'ici 2024, le coût unitaire de la puce d'un substrat de 8 pouces par rapport au coût unitaire de la puce d'un substrat de 6 pouces en 2022 soit réduit de plus de 60 % , et la baisse des coûts ouvrira davantage le marché des applications, ont souligné les données de recherche de Ji Bond Consulting. La part de marché actuelle des produits de 8 pouces est inférieure à 2 % et 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 beaucoup de gens, l'offre actuelle du marché pour le substrat de 6 pouces est de 4 000 à 5 000 yuans/pièce, par rapport au début de l'année, elle a beaucoup diminué, c'est 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 concentrée dans le L'offre de substrats en carbure de silicium a été relativement suffisante dans le domaine de la basse tension, les fabricants nationaux et étrangers augmentent de manière agressive leur capacité de production, ou laissent l'offre excédentaire de substrats en carbure de silicium plus tôt qu'on ne l'imaginait.
Heure de publication : 19 janvier 2024