Кремний карбидімен таныстыру
Кремний карбиді (SiC) – көміртегі мен кремнийден тұратын күрделі жартылай өткізгіш материал, ол жоғары температура, жоғары жиілік, жоғары қуатты және жоғары вольтты құрылғыларды жасау үшін тамаша материалдардың бірі болып табылады. Дәстүрлі кремний материалымен (Si) салыстырғанда, кремний карбидінің жолақ аралығы кремнийден 3 есе көп. Жылу өткізгіштігі кремнийден 4-5 есе жоғары; Бұзылу кернеуі кремнийден 8-10 есе жоғары; Электрондық қанықтыру дрейф жылдамдығы кремнийден 2-3 есе жоғары, ол қазіргі заманғы өнеркәсіптің жоғары қуатқа, жоғары кернеуге және жоғары жиілікке деген қажеттіліктерін қанағаттандырады. Ол негізінен жоғары жылдамдықты, жоғары жиілікті, жоғары қуатты және жарық шығаратын электрондық компоненттерді өндіру үшін қолданылады. Төменгі ағынды қолдану салаларына смарт желі, жаңа энергия көліктері, фотоэлектрлік жел қуаты, 5G байланысы және т.б. кіреді. Кремний карбидті диодтары мен MOSFET коммерциялық мақсатта қолданылған.
Жоғары температураға төзімділік. Кремний карбидінің жолақ ені кремнийден 2-3 есе жоғары, электрондар жоғары температурада оңай ауыспайды және жоғары жұмыс температурасына төтеп бере алады, ал кремний карбидінің жылу өткізгіштігі кремнийден 4-5 есе, құрылғының жылу бөлінуін жеңілдетеді және жұмыс температурасын шектейді. Жоғары температураға төзімділік салқындату жүйесіне қойылатын талаптарды азайта отырып, қуат тығыздығын айтарлықтай арттырып, терминалды жеңілірек және кішірек етеді.
Жоғары қысымға төтеп беру. Кремний карбидінің бұзылу электр өрісінің кернеулігі кремнийден 10 есе жоғары, ол жоғары кернеулерге төтеп бере алады және жоғары вольтты құрылғылар үшін қолайлы.
Жоғары жиілікті кедергі. Кремний карбидінің қаныққан электронды дрейф жылдамдығы кремнийге қарағанда екі есе жоғары, нәтижесінде өшіру процесінде ток қалдығы болмайды, бұл құрылғының ауысу жиілігін тиімді жақсарта алады және құрылғының миниатюризациясын жүзеге асырады.
Төмен энергия шығыны. Кремний материалымен салыстырғанда, кремний карбидінің төзімділігі өте төмен және шығыны аз. Сонымен қатар, кремний карбидінің жоғары жолақ ені ағып кету тогын және қуат жоғалуын айтарлықтай азайтады. Сонымен қатар, кремний карбидінің құрылғысында өшіру процесінде ағымдағы артта қалу құбылысы болмайды және коммутацияның жоғалуы аз.
Кремний карбидінің өнеркәсіп тізбегі
Ол негізінен субстрат, эпитаксия, құрылғы дизайны, өндіру, тығыздау және т.б. Кремний карбиді материалдан жартылай өткізгіш қуат құрылғысына дейін бір кристалдың өсуін, құймаларды кесуді, эпитаксиалды өсуді, пластинаның дизайнын, өндіруді, орауды және басқа процестерді бастан кешіреді. Кремний карбиді ұнтағы синтезделгеннен кейін алдымен кремний карбидінің құймасы жасалады, содан кейін кесу, ұнтақтау және жылтырату арқылы кремний карбидінің астары алынады, ал эпитаксиалды парақ эпитаксиалды өсу арқылы алынады. Эпитаксиалды пластинаны кремний карбидінен литография, оюлау, ионды имплантациялау, металды пассивациялау және басқа процестер арқылы жасайды, пластинаны матрицаға кесіп, құрылғыны буып-түйіп, құрылғыны арнайы қабықшаға біріктіріп, модульге жинайды.
1-өнеркәсіп тізбегінің жоғары ағыны: субстрат - кристалдың өсуі негізгі процестің буыны болып табылады
Кремний карбидті субстрат кремний карбиді құрылғыларының құнының шамамен 47% құрайды, ең жоғары өндірістік техникалық кедергілер, ең үлкен құндылық, SiC болашақ кең ауқымды индустрияландырудың өзегі болып табылады.
Электрохимиялық қасиеттердің айырмашылықтары тұрғысынан кремний карбидті негіз материалдарын өткізгіш субстраттарға (кедергі аймағы 15~30мΩ·см) және жартылай оқшауланған астарларға (қарсылығы 105Ω·см жоғары) бөлуге болады. Бұл екі субстрат түрі эпитаксиалды өсуден кейін сәйкесінше қуат құрылғылары және радиожиілік құрылғылары сияқты дискретті құрылғыларды өндіру үшін қолданылады. Олардың ішінде жартылай оқшауланған кремний карбидті субстрат негізінен галлий нитриді РЖ құрылғыларын, фотоэлектрлік құрылғыларды және т.б. өндіруде қолданылады. Жартылай оқшауланған SIC субстратында ган эпитаксиалды қабатын өсіру арқылы sic эпитаксиалды пластина дайындалады, оны әрі қарай HEMT gan изо-нитридті RF құрылғыларына дайындауға болады. Өткізгіш кремний карбидті субстрат негізінен күштік құрылғыларды өндіруде қолданылады. Дәстүрлі кремний қуат құрылғысын өндіру процесінен айырмашылығы, кремний карбидінің қуат құрылғысын кремний карбиді субстратта тікелей жасауға болмайды, кремний карбидінің эпитаксиалды қабатын кремний карбиді эпитаксиалды парағын алу үшін өткізгіш субстратта өсіру керек, ал эпитаксиалды қабат Schottky диодында, MOSFET, IGBT және басқа қуат құрылғыларында жасалады.
Кремний карбиді ұнтағы жоғары таза көміртегі ұнтағы мен жоғары таза кремний ұнтағынан синтезделді және кремний карбиді құймасының әртүрлі өлшемдері арнайы температура өрісінде өсірілді, содан кейін кремний карбиді субстраты бірнеше өңдеу процестері арқылы шығарылды. Негізгі процесс мыналарды қамтиды:
Шикізат синтезі: жоғары таза кремний ұнтағы + тонер формулаға сәйкес араласады және реакция 2000 ° C-тан жоғары жоғары температура жағдайында реакция камерасында арнайы кристалдық түрі мен бөлшектері бар кремний карбиді бөлшектерін синтездеу үшін жүзеге асырылады. өлшемі. Содан кейін жоғары тазалықтағы кремний карбиді ұнтағы шикізатының талаптарын қанағаттандыру үшін ұсақтау, сүзу, тазалау және басқа процестер арқылы.
Кристаллдың өсуі кремний карбиді субстратының электрлік қасиеттерін анықтайтын кремний карбиді астарын өндірудің негізгі процесі болып табылады. Қазіргі уақытта кристалды өсірудің негізгі әдістеріне физикалық бу беру (PVT), жоғары температурадағы химиялық буларды тұндыру (HT-CVD) және сұйық фазалық эпитаксис (LPE) жатады. Олардың ішінде PVT әдісі қазіргі уақытта ең жоғары техникалық жетілген және машина жасауда кеңінен қолданылатын SiC субстратының коммерциялық өсуінің негізгі әдісі болып табылады.
SiC субстратын дайындау қиын, бұл оның жоғары бағасына әкеледі
Температура өрісін бақылау қиын: Si кристалды таяқшаның өсуі тек 1500 ℃ қажет, ал SiC кристалды таяқша 2000 ℃ жоғары температурада өсірілуі керек және 250-ден астам SiC изомерлері бар, бірақ негізгі 4H-SiC монокристалдық құрылымы қуат құрылғыларының өндірісі, егер нақты бақылау болмаса, басқа кристалдық құрылымдарды алады. Сонымен қатар, тигельдегі температура градиенті SiC сублимациясының берілу жылдамдығын және кристалдық интерфейстегі газ тәріздес атомдардың орналасуы мен өсу режимін анықтайды, бұл кристалдың өсу жылдамдығына және кристалдың сапасына әсер етеді, сондықтан жүйелі температура өрісін қалыптастыру қажет. бақылау технологиясы. Si материалдарымен салыстырғанда, SiC өндірісіндегі айырмашылық жоғары температурада иондарды имплантациялау, жоғары температурада тотығу, жоғары температурада белсендіру және осы жоғары температура процестері талап ететін қатты маска процесі сияқты жоғары температуралық процестерде де болады.
Баяу кристалдық өсу: Si кристалды таяқшасының өсу жылдамдығы 30 ~ 150 мм/сағ жетуі мүмкін, ал 1-3 м кремний кристалды таяқшасын өндіру шамамен 1 күнді алады; Мысал ретінде PVT әдісімен SiC кристалды таяқша, өсу жылдамдығы шамамен 0,2-0,4 мм/сағ, 3-6 см-ден аз өсу үшін 7 күн, өсу қарқыны кремний материалының 1% -дан аз, өндірістік қуаттылық өте жоғары шектелген.
Өнімнің жоғары параметрлері және төмен кірістілік: SiC субстратының негізгі параметрлеріне микротүтіктердің тығыздығы, дислокацияның тығыздығы, кедергісі, деформациясы, бетінің кедір-бұдырлығы және т.б. жатады. Бұл атомдарды жабық жоғары температуралы камерада орналастыруға және кристалдың толық өсуіне арналған күрделі жүйе инженериясы, параметр индекстерін басқару кезінде.
Материал жоғары қаттылықпен, жоғары сынғыштықпен, ұзақ кесу уақытымен және жоғары тозумен ерекшеленеді: SiC Mohs 9,25 қаттылығы алмаздан кейін екінші орында, бұл кесу, тегістеу және жылтырату қиындықтарының айтарлықтай өсуіне әкеледі және оны өңдеуге шамамен 120 сағат кетеді. қалыңдығы 3 см құйманың 35-40 бөлігін кесіңіз. Сонымен қатар, SiC жоғары сынғыштығына байланысты, пластинаны өңдеудің тозуы көбірек болады, ал шығу коэффициенті шамамен 60% құрайды.
Даму тенденциясы: Өлшемнің өсуі + бағаның төмендеуі
Жаһандық SiC нарығы 6 дюймдік көлемді өндіріс желісі жетіліп келеді және жетекші компаниялар 8 дюймдік нарыққа шықты. Ішкі даму жобалары негізінен 6 дюймді құрайды. Қазіргі уақытта отандық компаниялардың көпшілігі әлі де 4 дюймдік өндірістік желілерге негізделгенімен, сала бірте-бірте 6 дюймге дейін кеңейіп келеді, 6 дюймдік қолдау көрсететін жабдық технологиясының жетілуімен отандық SiC субстрат технологиясы да экономиканы біртіндеп жақсартады. ірі өндіріс желілерінің ауқымы көрініс табады және қазіргі отандық 6 дюймдік жаппай өндіріс уақыт аралығы 7 жылға дейін қысқарды. Вафлидің үлкен өлшемі бір жоңқалар санын көбейтуге, кірістілік жылдамдығын жақсартуға және шеткі чиптердің үлесін азайтуға әкелуі мүмкін, ал зерттеу мен әзірлемелердің құны және кірісті жоғалту шамамен 7% деңгейінде сақталады, осылайша вафлиді жақсартады. пайдалану.
Құрылғыны жобалауда әлі де көптеген қиындықтар бар
SiC диодын коммерцияландыру бірте-бірте жетілдірілуде, қазіргі уақытта бірқатар отандық өндірушілер SiC SBD өнімдерін әзірледі, орташа және жоғары вольтты SiC SBD өнімдері жақсы тұрақтылыққа ие, OBC көлік құралында тұрақтылыққа қол жеткізу үшін SiC SBD+SI IGBT пайдалану. ток тығыздығы. Қазіргі уақытта Қытайда SiC SBD өнімдерінің патенттік дизайнында ешқандай кедергілер жоқ, ал шет елдермен алшақтық аз.
SiC MOS әлі де көптеген қиындықтарға тап болады, SiC MOS және шетелдік өндірушілер арасында әлі де алшақтық бар және тиісті өндірістік платформа әлі де салынуда. Қазіргі уақытта ST, Infineon, Rohm және басқа 600-1700V SiC MOS жаппай өндіріске қол жеткізді және көптеген өңдеуші салалармен қол қойылып, жөнелтілді, ал қазіргі отандық SiC MOS дизайны негізінен аяқталды, бірқатар дизайн өндірушілері фабрикалармен жұмыс істеуде. вафли ағынының кезеңі және кейінірек тұтынушыны тексеру әлі де біраз уақытты қажет етеді, сондықтан кең ауқымды коммерцияландыруға әлі көп уақыт бар.
Қазіргі уақытта жазық құрылым негізгі таңдау болып табылады, ал траншея түрі болашақта жоғары қысымды өрісте кеңінен қолданылады. Планарлы құрылым SiC MOS өндірушілері көп, жазық құрылымы жұмыстың тұрақтылығына әсер ететін ойықпен салыстырғанда жергілікті бұзылу проблемаларын шығару оңай емес, нарықта 1200 В төмен қолдану ауқымы кең, ал жазық құрылымы салыстырмалы түрде Өндірістің соңында қарапайым, өндіргіштік пен шығындарды бақылау екі аспектіге сәйкес келеді. Ойық құрылғының артықшылығы өте төмен паразиттік индуктивтіліктің, жылдам ауысу жылдамдығының, төмен жоғалтудың және салыстырмалы түрде жоғары өнімділіктің.
2--SiC вафли жаңалықтары
Кремний карбиді нарығының өндірісі мен сатылымының өсуі, сұраныс пен ұсыныс арасындағы құрылымдық теңгерімсіздікке назар аударыңыз
Жоғары жиілікті және жоғары қуатты электрлік электроникаға нарық сұранысының жылдам өсуімен кремний негізіндегі жартылай өткізгіш құрылғылардың физикалық шектеулері бірте-бірте белгілі болды, ал кремний карбиді (SiC) арқылы ұсынылған үшінші буындағы жартылай өткізгіш материалдар бірте-бірте белгілі болды. индустрияландыруға айналды. Материалдық өнімділік тұрғысынан кремний карбиді кремний материалының жолақ ені 3 есе, сыни электр өрісінің кернеулігі 10 есе, жылу өткізгіштік 3 есе, сондықтан кремний карбидінің қуат құрылғылары жоғары жиілікті, жоғары қысымды, жоғары температура және басқа қолданбалар қуат электронды жүйелерінің тиімділігі мен қуат тығыздығын арттыруға көмектеседі.
Қазіргі уақытта SiC диодтары мен SiC MOSFET бірте-бірте нарыққа көшті және жетілген өнімдер бар, олардың ішінде кейбір салаларда кремний негізіндегі диодтардың орнына SiC диодтары кеңінен қолданылады, өйткені олардың кері қалпына келтіру зарядының артықшылығы жоқ; SiC MOSFET бірте-бірте автомобильде, энергияны сақтауда, зарядтау қадасында, фотоэлектрлік және басқа салаларда қолданылады; Автокөлік қолдану саласында модульдеу тенденциясы барған сайын көрнекті бола түсуде, SiC-тің жоғары өнімділігі техникалық тұрғыдан салыстырмалы түрде жетілген қабықпен тығыздауды негізгі, болашаққа немесе пластикалық тығыздағышты дамытуға қол жеткізу үшін озық орау процестеріне сүйену керек. , оның теңшелген әзірлеу сипаттамалары SiC модульдері үшін қолайлырақ.
Кремний карбиді бағасының төмендеуі жылдамдығы немесе қиялдан тыс
Кремний карбиді құрылғыларын қолдану негізінен жоғары құнымен шектеледі, SiC MOSFET бағасы бірдей деңгейде Si негізіндегі IGBT-тен 4 есе жоғары, бұл кремний карбиді процесі күрделі болғандықтан, олардың өсуі өседі. монокристалды және эпитаксиалды қоршаған ортаға қатал ғана емес, сонымен қатар өсу жылдамдығы баяу және субстратқа монокристалды өңдеу кесу және жылтырату процесінен өтуі керек. Өзінің материалдық сипаттамалары мен жетілмеген өңдеу технологиясына сүйене отырып, отандық субстраттың шығымы 50% -дан аз, ал әртүрлі факторлар субстрат пен эпитаксиалды бағаның жоғары болуына әкеледі.
Дегенмен, кремний карбидті құрылғылардың және кремний негізіндегі құрылғылардың өзіндік құнының құрамы мүлдем қарама-қарсы, алдыңғы арнаның субстрат және эпитаксистік шығындары сәйкесінше бүкіл құрылғының 47% және 23% құрайды, жалпы алғанда шамамен 70%, құрылғының дизайны, өндірісі және артқы арнаның тығыздағыш буындары тек 30% құрайды, кремний негізіндегі құрылғылардың өндірістік құны негізінен пластинаға шоғырланған. артқы арнаның өндірісі шамамен 50% құрайды, ал субстрат құны тек 7% құрайды. Кремний карбидінің өнеркәсіп тізбегінің мәнін төңкеру құбылысы жоғарыдағы субстрат эпитаксиді өндірушілердің сөйлеуге негізгі құқығы бар екенін білдіреді, бұл отандық және шетелдік кәсіпорындардың орналасуының кілті болып табылады.
Нарықтағы динамикалық тұрғыдан кремний карбидінің құнын төмендету, кремний карбидінің ұзын кристалын және кесу процесін жақсартудан басқа, пластинаның өлшемін кеңейту болып табылады, бұл да өткен жартылай өткізгішті дамытудың жетілген жолы болып табылады, Wolfspeed деректері кремний карбиді субстратының 6 дюймден 8 дюймге дейін жаңартылғанын көрсетеді, білікті чип өндірісі ұлғаюы мүмкін. 80%-90% және өнімділікті жақсартуға көмектеседі. Біріктірілген бірлік құнын 50%-ға төмендете алады.
2023 жыл «8 дюймдік SiC бірінші жылы» ретінде белгілі, биылғы жылы отандық және шетелдік кремний карбиді өндірушілері 8 дюймдік кремний карбидінің орналасуын жеделдетуде, мысалы, Wolfspeed кремний карбиді өндірісін кеңейту үшін 14,55 миллиард АҚШ доллары инвестициясы, оның маңызды бөлігі болашақта жеткізуді қамтамасыз ету үшін 8 дюймдік SiC субстрат өндіру зауытының құрылысы болып табылады. Бірқатар компанияларға 200 мм SiC жалаң металл; Сондай-ақ отандық Tianyue Advanced және Tianke Heda Infineon компаниясымен болашақта 8 дюймдік кремний карбидті негіздерді жеткізу туралы ұзақ мерзімді келісімдерге қол қойды.
Осы жылдан бастап кремний карбиді 6 дюймден 8 дюймге дейін жеделдетіледі, Wolfspeed 2024 жылға қарай 8 дюймдік субстрат бірлігі чипінің құны 2022 жылы 6 дюймдік субстрат бірлігінің чип құнымен салыстырғанда 60% -дан астамға төмендейді деп күтеді. , және шығындардың төмендеуі қосымшалар нарығын одан әрі ашады, Ji Bond Consulting зерттеу деректері атап өтті. 8 дюймдік өнімдердің қазіргі нарықтағы үлесі 2% -дан аз, ал нарық үлесі 2026 жылға қарай шамамен 15% -ға дейін өседі деп күтілуде.
Шын мәнінде, кремний карбидті субстрат бағасының құлдырау жылдамдығы көптеген адамдардың қиялынан асып кетуі мүмкін, 6 дюймдік субстраттың ағымдағы нарықтық ұсынысы 4000-5000 юань/дана, жыл басымен салыстырғанда айтарлықтай төмендеді. келесі жылы 4000 юаньнан төмен түседі деп күтілуде, кейбір өндірушілер бірінші нарықты алу үшін сату бағасын өзіндік құнына дейін төмендеткенін атап өткен жөн. Төменде, негізінен кремний карбиді субстратында шоғырланған баға соғысының моделі ашылды, төмен вольтты өрісте салыстырмалы түрде жеткілікті болды, отандық және шетелдік өндірушілер өндірістік қуаттылықты қарқынды түрде кеңейтуде немесе кремний карбиді субстратының артық жеткізілу кезеңіне елестетілгеннен ертерек мүмкіндік берді. .
Жіберу уақыты: 19 қаңтар 2024 ж