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, une conductivité thermique quatre à cinq fois plus élevée, une tension de claquage huit à dix fois supérieure et une vitesse de dérive de saturation deux à trois fois plus faible. Il répond ainsi aux exigences de l'industrie moderne en matière de puissance, de tension et de fréquence élevées. Principalement utilisé pour la production de composants électroniques haute vitesse, haute fréquence, haute puissance et d'émission de lumière, il trouve des applications dans les réseaux intelligents, les véhicules à énergies nouvelles, l'énergie photovoltaïque et éolienne, la 5G, etc. Les diodes et les transistors MOSFET en carbure de silicium sont déjà commercialisés.
Résistance aux hautes températures. La largeur de la bande interdite du carbure de silicium est 2 à 3 fois supérieure à celle du silicium. Les électrons y sont moins susceptibles de se désexciter à haute température, ce qui permet de supporter des températures de fonctionnement plus élevées. De plus, la conductivité thermique du carbure de silicium est 4 à 5 fois supérieure à celle du silicium, facilitant ainsi la dissipation thermique du dispositif et repoussant les limites de température de fonctionnement. Cette résistance aux hautes températures permet d'accroître significativement la densité de puissance tout en réduisant les exigences du système de refroidissement, ce qui rend les composants plus légers et plus compacts.
Résistance à la haute pression. La rigidité diélectrique du carbure de silicium est 10 fois supérieure à celle du silicium, ce qui lui permet de supporter des tensions plus élevées et le rend plus adapté aux dispositifs haute tension.
Résistance aux hautes fréquences. Le carbure de silicium présente un taux de dérive électronique saturé deux fois supérieur à celui du silicium, ce qui entraîne l'absence de traînée de courant lors du processus d'arrêt, permettant ainsi d'améliorer efficacement la fréquence de commutation du dispositif et de réaliser sa miniaturisation.
Faibles pertes d'énergie. Comparé au silicium, le carbure de silicium présente une résistance à l'état passant et des pertes à l'état passant très faibles. De plus, sa large bande interdite réduit considérablement le courant de fuite et les pertes de puissance. Enfin, les dispositifs en carbure de silicium ne présentent pas de courant résiduel lors de la mise hors tension, et les pertes par commutation sont faibles.
chaîne industrielle du carbure de silicium
Le processus comprend principalement les étapes suivantes : substrat, épitaxie, conception du dispositif, fabrication, scellement, etc. La transformation du carbure de silicium en dispositif semi-conducteur de puissance passe par la croissance monocristalline, le découpage du lingot, la croissance épitaxiale, la conception de la plaquette, la fabrication, le conditionnement et d'autres procédés. Après la synthèse de la poudre de carbure de silicium, un lingot est fabriqué, puis le substrat est obtenu par découpage, meulage et polissage. La feuille épitaxiale est ensuite obtenue par croissance épitaxiale. La plaquette épitaxiale est fabriquée à partir de carbure de silicium par lithographie, gravure, implantation ionique, passivation métallique et autres procédés. La plaquette est ensuite découpée en puce, le dispositif est conditionné, puis intégré dans un boîtier spécifique et assemblé en module.
En amont de la chaîne industrielle 1 : substrat – la croissance cristalline constitue le maillon essentiel du processus.
Le substrat en carbure de silicium représente environ 47 % du coût des dispositifs en carbure de silicium, constitue le principal obstacle technique à la fabrication, représente la plus grande valeur et 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 se divisent en substrats conducteurs (résistivité de 15 à 30 mΩ·cm) et semi-isolants (résistivité supérieure à 10⁵ Ω·cm). Ces deux types de substrats servent à la fabrication de dispositifs discrets, tels que des composants de puissance et des dispositifs radiofréquences, après croissance épitaxiale. Le substrat semi-isolant en carbure de silicium est principalement utilisé pour la fabrication de dispositifs RF au nitrure de gallium, de dispositifs photoélectriques, etc. La croissance d'une couche épitaxiale de GaN sur un substrat semi-isolant en carbure de silicium permet d'obtenir une plaque épitaxiale de silicium, qui peut ensuite être utilisée pour la fabrication de transistors HEMT RF à base d'isonitrure de GaN. Le substrat conducteur en carbure de silicium est principalement utilisé pour la fabrication de composants de puissance. Contrairement au procédé 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 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 de puissance.
De la poudre de carbure de silicium a été synthétisée à partir de poudre de carbone et de poudre de silicium de haute pureté. Des lingots de carbure de silicium de différentes tailles ont été obtenus par croissance sous un champ de température spécifique, puis un substrat en carbure de silicium a été produit par plusieurs étapes de traitement. Le procédé principal comprend :
Synthèse des matières premières : La poudre de silicium de haute pureté et le toner sont mélangés selon la formule définie, puis la réaction est réalisée dans une chambre de réaction à haute température (supérieure à 2 000 °C) afin de synthétiser des particules de carbure de silicium présentant un type cristallin et une granulométrie spécifiques. Après broyage, tamisage, nettoyage et autres étapes de traitement, le produit final répond aux exigences de pureté de la poudre de carbure de silicium.
La croissance cristalline est l'étape clé de la fabrication des substrats en carbure de silicium, car elle 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 celles-ci, la méthode PVT est la plus répandue pour la production industrielle de substrats SiC ; elle présente la plus grande maturité technique et est la plus utilisée en ingénierie.
La préparation du substrat SiC est difficile, ce qui explique son prix élevé.
Le contrôle du champ de température est complexe : la croissance de barres de cristal de silicium (Si) ne nécessite que 1 500 °C, tandis que celle de barres de cristal de carbure de silicium (SiC) requiert une température élevée, supérieure à 2 000 °C. De plus, il existe plus de 250 isomères de SiC, mais la structure monocristalline 4H-SiC, principale pour la production de dispositifs de puissance, est privilégiée. Un contrôle imprécis peut conduire à l’obtention d’autres structures cristallines. Par ailleurs, le gradient de température dans le creuset détermine la vitesse de sublimation du SiC ainsi que l’agencement et le mode de croissance des atomes gazeux à l’interface cristalline, influençant ainsi la vitesse de croissance et la qualité des cristaux. Il est donc indispensable de développer une méthode systématique de contrôle du champ de température. Comparée à la production de silicium, la fabrication du SiC se distingue également par les procédés à haute température, tels que l’implantation ionique, l’oxydation et l’activation à haute température, ainsi que le masquage dur nécessaire à ces procédés.
Croissance cristalline lente : le taux de croissance d’une tige de cristal de Si peut atteindre 30 à 150 mm/h, et la production d’une tige de cristal de silicium de 1 à 3 m ne prend qu’environ une journée ; pour une tige de cristal de SiC avec la méthode PVT par exemple, le taux de croissance est d’environ 0,2 à 0,4 mm/h, 7 jours sont nécessaires pour obtenir une longueur inférieure à 3 à 6 cm, le taux de croissance est inférieur à 1 % de celui du silicium, la capacité de production est extrêmement limitée.
Paramètres de produit élevés et faible rendement : les paramètres clés du substrat SiC comprennent la densité de microtubules, la densité de dislocations, la résistivité, la déformation, la rugosité de surface, etc. L’agencement des atomes dans une chambre fermée à haute température et la croissance cristalline complète, tout en contrôlant les indices de paramètres, constituent un système d’ingénierie complexe.
Ce matériau présente une dureté et une fragilité élevées, un temps de coupe long et une forte usure : la dureté Mohs du SiC, de 9,25, n’est surpassée que par celle du diamant. Il en résulte une difficulté accrue pour la découpe, le meulage et le polissage, et environ 120 heures sont nécessaires pour usiner 35 à 40 pièces à partir d’un lingot de 3 cm d’épaisseur. De plus, la grande fragilité du SiC entraîne une usure plus importante lors du traitement des plaquettes, et le rendement n’est que d’environ 60 %.
Tendance d'évolution : Augmentation de la taille + baisse des prix
Le marché mondial du SiC, et plus particulièrement les lignes de production de 6 pouces, arrive à maturité, et les entreprises leaders se sont lancées sur le marché des 8 pouces. Les projets de développement nationaux se concentrent principalement sur les 6 pouces. Actuellement, bien que la plupart des entreprises chinoises utilisent encore des lignes de production de 4 pouces, le secteur s'étend progressivement aux 6 pouces. Grâce à la maturité des équipements de support et à l'amélioration progressive de la technologie des substrats SiC pour les grandes dimensions, les économies d'échelle des lignes de production grand format se concrétiseront. L'écart de temps entre la production en série de plaquettes de 6 pouces en Chine et le marché national est désormais réduit à 7 ans. La plus grande taille des plaquettes permet d'augmenter le nombre de puces unitaires, d'améliorer le rendement et de réduire la proportion de puces de bord. Les coûts de recherche et développement ainsi que les pertes de rendement seront maintenus à environ 7 %, optimisant ainsi l'utilisation des plaquettes.
Il subsiste encore de nombreuses difficultés dans la conception des appareils
La commercialisation des diodes SiC progresse graduellement. Actuellement, plusieurs fabricants chinois proposent des diodes Schottky SiC (SBD) moyennes et hautes tensions présentant une bonne stabilité. Dans les systèmes de contrôle embarqués (OBC) des véhicules, l'utilisation de diodes SiC SBD associées à des IGBT en silicium (SI) permet d'obtenir une densité de courant stable. À l'heure actuelle, aucun obstacle ne freine le dépôt de brevets pour les diodes SiC SBD en Chine, et l'écart avec les pays étrangers est faible.
La technologie SiC MOS présente encore de nombreuses difficultés. Un fossé persiste entre les fabricants SiC MOS et les fabricants étrangers, et les plateformes de production associées sont toujours en développement. Actuellement, les SiC MOS 600-1700 V de ST, Infineon, Rohm et d'autres fabricants ont atteint la production en série et ont signé des contrats avec de nombreux partenaires industriels. En Chine, la conception des SiC MOS est quasiment finalisée ; certains concepteurs collaborent avec les fonderies à l'étape de production sur plaquettes, et la validation par les clients prend encore du temps. Par conséquent, une commercialisation à grande échelle n'est pas pour demain.
Actuellement, la structure planaire est la plus répandue, tandis que la structure à tranchées devrait être largement utilisée dans le domaine des hautes tensions. Les fabricants de transistors MOS SiC planaires sont nombreux. Contrairement à la structure à tranchées, la structure planaire est moins sujette aux claquages locaux, ce qui améliore la stabilité de fonctionnement. Elle présente un large potentiel d'application sur le marché des transistors de moins de 1200 V et sa fabrication relativement simple permet de concilier facilité de production et maîtrise des coûts. Les transistors à tranchées offrent quant à eux une inductance parasite extrêmement faible, une vitesse de commutation rapide, de faibles pertes et des performances relativement élevées.
2--Actualités sur les plaquettes de SiC
Croissance de la production et des ventes sur le marché du carbure de silicium : attention au déséquilibre structurel entre l’offre et la demande
Face à la croissance rapide de la demande du marché en électronique de puissance haute fréquence et haute puissance, les limitations physiques des dispositifs semi-conducteurs à base de silicium sont devenues un goulot d'étranglement majeur. Les matériaux semi-conducteurs de troisième génération, représentés par le carbure de silicium (SiC), ont progressivement été industrialisés. Du point de vue des performances, le carbure de silicium présente une bande interdite trois fois supérieure à celle du silicium, une rigidité diélectrique dix fois plus élevée et une conductivité thermique trois fois plus importante. De ce fait, les dispositifs de puissance en carbure de silicium sont adaptés aux applications haute fréquence, haute pression, haute température et autres, contribuant ainsi à améliorer l'efficacité et la densité de puissance des systèmes d'électronique de puissance.
Actuellement, les diodes et les MOSFET en carbure de silicium (SiC) sont progressivement arrivés sur le marché et offrent une gamme de produits plus aboutis. Parmi eux, les diodes SiC sont largement utilisées à la place des diodes à base de silicium dans certains domaines, car elles ne présentent pas l'avantage de la récupération de charge inverse. Les MOSFET SiC sont également de plus en plus utilisés dans l'automobile, le stockage d'énergie, les bornes de recharge, le photovoltaïque et d'autres secteurs. Dans le domaine automobile, la modularisation est une tendance de plus en plus marquée. Les performances supérieures du SiC nécessitent des procédés d'encapsulation avancés. Si le scellage par boîtier, techniquement mature, reste la norme, l'avenir s'oriente vers le scellage plastique, dont les caractéristiques de développement sur mesure sont particulièrement adaptées aux modules SiC.
La baisse du prix du carbure de silicium est-elle plus rapide ou plus irréelle que ce que l'on pourrait imaginer ?
L'utilisation des dispositifs en carbure de silicium est principalement limitée par leur coût élevé. À performances égales, le prix d'un MOSFET SiC est quatre fois supérieur à celui d'un IGBT à base de silicium. Ceci s'explique par la complexité du procédé de fabrication du carbure de silicium : la croissance de monocristaux et de couches épitaxiales est non seulement agressive pour l'environnement, mais aussi lente. De plus, la transformation des monocristaux en substrats nécessite des étapes de découpe et de polissage. Compte tenu des caractéristiques intrinsèques du matériau et du manque de maturité des techniques de fabrication, le rendement des substrats produits en Chine est inférieur à 50 %. Ces différents facteurs contribuent aux prix élevés des substrats et des couches épitaxiales.
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 % du coût total 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 dans la fabrication des plaquettes du canal arrière (environ 50 %), le coût du substrat ne représentant que 7 %. Ce renversement de la chaîne de valeur de l'industrie du carbure de silicium confère aux fabricants de substrats et d'épitaxie en amont un pouvoir de négociation essentiel, déterminant ainsi l'implantation des entreprises nationales et internationales.
Du point de vue de la dynamique du marché, la réduction du coût du carbure de silicium, outre l'amélioration des procédés de fabrication et de découpe des longs cristaux, implique l'augmentation de la taille des plaquettes. Cette approche, déjà bien établie dans le développement des semi-conducteurs, a été démontrée par les données de Wolfspeed. Le passage d'un substrat en carbure de silicium de 6 à 8 pouces permet d'accroître la production de puces conformes de 80 à 90 %, d'améliorer le rendement et de réduire le coût unitaire global de 50 %.
2023 est considérée comme la première année du SiC de 8 pouces. Cette année, les fabricants de carbure de silicium nationaux et étrangers accélèrent le déploiement de la production de carbure de silicium de 8 pouces. Par exemple, Wolfspeed investit massivement 14,55 milliards de dollars américains dans l'expansion de sa production de carbure de silicium, dont une partie importante est consacrée à la construction d'une usine de fabrication de substrats SiC de 8 pouces. Ceci afin de garantir l'approvisionnement futur en métal nu SiC de 200 mm à de nombreuses entreprises. Les entreprises chinoises Tianyue Advanced et Tianke Heda ont également signé des accords à long terme avec Infineon pour la fourniture future de substrats en carbure de silicium de 8 pouces.
À compter de cette année, la transition du carbure de silicium de 6 à 8 pouces s'accélérera. Wolfspeed prévoit que d'ici 2024, le coût unitaire d'une puce sur substrat 8 pouces sera inférieur de plus de 60 % à celui d'une puce sur substrat 6 pouces en 2022. Cette baisse des coûts devrait élargir le marché des applications, selon les données de l'étude de Ji Bond Consulting. La part de marché actuelle des produits 8 pouces est inférieure à 2 %, mais elle devrait atteindre environ 15 % d'ici 2026.
En réalité, la baisse du prix des substrats en carbure de silicium pourrait dépasser les attentes. Le prix actuel d'un substrat de 6 pouces se situe entre 4 000 et 5 000 yuans pièce, un prix en forte baisse par rapport au début de l'année. On s'attend à ce qu'il passe sous la barre des 4 000 yuans l'année prochaine. Il est à noter que certains fabricants, afin de conquérir des parts de marché, ont baissé leurs prix au point de rupture, déclenchant ainsi une guerre des prix. Cette situation se concentre principalement sur le marché des substrats en carbure de silicium. L'offre étant relativement suffisante dans le domaine des basses tensions, les fabricants nationaux et étrangers augmentent agressivement leurs capacités de production, ce qui pourrait entraîner une surproduction de substrats en carbure de silicium plus tôt que prévu.
Date de publication : 19 janvier 2024