Sissejuhatus ränikarbiidi
Ränikarbiid (SiC) on süsinikust ja ränist koosnev liitpooljuhtmaterjal, mis on üks ideaalseid materjale kõrgtemperatuuriliste, kõrgsageduslike, suure võimsusega ja kõrgepingeseadmete valmistamiseks. Võrreldes traditsioonilise ränimaterjaliga (Si) on ränikarbiidi keelutsoon 3 korda suurem kui ränil. Soojusjuhtivus on 4–5 korda suurem kui ränil. Läbilöögipinge on 8–10 korda suurem kui ränil. Elektroonilise küllastuse triivikiirus on 2–3 korda suurem kui ränil, mis vastab tänapäevase tööstuse vajadustele suure võimsuse, kõrgepinge ja kõrgsageduse osas. Seda kasutatakse peamiselt kiirete, kõrgsageduslike, suure võimsusega ja valgust kiirgavate elektroonikakomponentide tootmiseks. Järgnevate rakendusvaldkondade hulka kuuluvad nutivõrgud, uue energiaga sõidukid, fotogalvaaniline tuuleenergia, 5G-side jne. Ränikarbiiddioodid ja MOSFETid on leidnud kaubanduslikku rakendust.
Kõrge temperatuuritaluvus. Ränikarbiidi keelutsooni laius on 2–3 korda suurem kui räni oma, elektronid ei liigu kõrgel temperatuuril kergesti ja taluvad kõrgemaid töötemperatuure. Ränikarbiidi soojusjuhtivus on 4–5 korda suurem kui räni oma, mis muudab seadme soojuse hajumise lihtsamaks ja piirab töötemperatuuri kõrgemaks. Kõrge temperatuuritaluvus võib oluliselt suurendada võimsustihedust, vähendades samal ajal jahutussüsteemi nõudeid, muutes terminali kergemaks ja väiksemaks.
Talub kõrget rõhku. Ränikarbiidi läbilöögi elektrivälja tugevus on 10 korda suurem kui räni oma, mis talub kõrgemaid pingeid ja sobib paremini kõrgepingeseadmetele.
Kõrgsageduslik takistus. Ränikarbiidi küllastunud elektronide triivikiirus on kaks korda suurem kui räni oma, mille tulemuseks on voolu saba puudumine väljalülitusprotsessi ajal, mis võib tõhusalt parandada seadme lülitussagedust ja saavutada seadme miniaturiseerimise.
Madal energiakadu. Võrreldes ränimaterjaliga on ränikarbiidil väga madal sisselülitustakistus ja väike sisselülitustakistus. Samal ajal vähendab ränikarbiidi suur keelutsoon oluliselt lekkevoolu ja võimsuskadu. Lisaks ei esine ränikarbiidil väljalülitusprotsessi ajal voolutraffiku fenomeni ja lülituskaod on väikesed.
Ränikarbiidi tööstuskett
See hõlmab peamiselt substraati, epitaksiat, seadme disaini, tootmist, tihendamist ja nii edasi. Ränikarbiidi töötlemine materjalist pooljuhtjõuseadmesse hõlmab monokristalli kasvatamist, valuplokkide viilutamist, epitaksiaalset kasvu, vahvli disaini, tootmist, pakendamist ja muid protsesse. Pärast ränikarbiidi pulbri sünteesi valmistatakse kõigepealt ränikarbiidi valuplokk, seejärel saadakse viilutamise, lihvimise ja poleerimise teel ränikarbiidi substraat ning epitaksiaalse kasvu teel saadakse epitaksiaalne leht. Epitaksiaalne vahvel valmistatakse ränikarbiidist litograafia, söövitamise, ioonimplantatsiooni, metalli passivatsiooni ja muude protsesside abil, vahvel lõigatakse stantsiks, seade pakendatakse ja seade ühendatakse spetsiaalseks kestaks ning monteeritakse mooduliks.
Tööstusahela 1. faasist ülesvoolu: substraat - kristallide kasv on peamine protsessilüli
Ränikarbiidi substraat moodustab umbes 47% ränikarbiidist seadmete maksumusest, suurimad tootmistehnilised tõkked, suurim väärtus, on ränikarbiidi tulevase laiaulatusliku industrialiseerimise tuum.
Elektrokeemiliste omaduste erinevuste seisukohast saab ränikarbiidist alusmaterjalid jagada juhtivateks alusmaterjalideks (takistusvahemik 15–30 mΩ·cm) ja poolisoleeritud alusmaterjalideks (takistus üle 105 Ω·cm). Neid kahte tüüpi alusmaterjale kasutatakse epitaksiaalse kasvatamise teel diskreetsete seadmete, näiteks vastavalt jõuseadmete ja raadiosagedusseadmete valmistamiseks. Nende hulgas kasutatakse poolisoleeritud ränikarbiidist alusmaterjali peamiselt galliumnitriidist raadiosagedusseadmete, fotoelektriliste seadmete jms tootmisel. Poolisoleeritud SIC-alusmaterjalile gan-epitaksiaalse kihi kasvatamisega valmistatakse SIC-epitaksiaalne plaat, mida saab edasi töödelda HEMT gan-iso-nitriidist raadiosagedusseadmeteks. Juhtivat ränikarbiidist alusmaterjali kasutatakse peamiselt jõuseadmete tootmisel. Erinevalt traditsioonilisest räni jõuseadme tootmisprotsessist ei saa ränikarbiidi jõuseadet otse ränikarbiidi aluspinnale valmistada, ränikarbiidi epitaksiaalkiht tuleb ränikarbiidi epitaksiaalkihi saamiseks kasvatada juhtivale aluspinnale ning epitaksiaalkiht valmistatakse Schottky dioodil, MOSFETil, IGBT-l ja muudel jõuseadmetel.
Ränikarbiidipulber sünteesiti kõrge puhtusastmega süsinikupulbrist ja kõrge puhtusastmega ränipulbrist ning erineva suurusega ränikarbiidi valuplokke kasvatati spetsiaalse temperatuurivälja all ja seejärel toodeti ränikarbiidi substraat mitmete töötlemisprotsesside abil. Põhiprotsess hõlmab järgmist:
Tooraine süntees: Kõrge puhtusastmega ränipulber ja tooner segatakse vastavalt valemile ning reaktsioon viiakse läbi reaktsioonikambris kõrgel temperatuuril üle 2000 °C, et sünteesida kindla kristallitüübi ja osakeste suurusega ränikarbiidi osakesi. Seejärel purustatakse, sõelutakse, puhastatakse ja muude protsesside abil, et täita kõrge puhtusastmega ränikarbiidi pulbri tooraine nõudeid.
Kristallide kasvatamine on ränikarbiidist aluspinna tootmise põhiprotsess, mis määrab ränikarbiidist aluspinna elektrilised omadused. Praegu on kristallide kasvatamise peamised meetodid füüsikaline auruülekanne (PVT), kõrgtemperatuurne keemiline aurustamine (HT-CVD) ja vedelfaasi epitaksia (LPE). Nende hulgas on PVT-meetod praegu ränikarbiidist aluspinna kaubanduslikuks kasvatamiseks peavoolumeetod, millel on kõrgeim tehniline küpsus ja mida kasutatakse kõige laialdasemalt masinaehituses.
SiC-substraadi ettevalmistamine on keeruline, mis põhjustab selle kõrget hinda
Temperatuurivälja reguleerimine on keeruline: ränikristallvarda kasvatamiseks on vaja ainult 1500 ℃, samas kui ränikarbiidikristallvarda kasvatamiseks on vaja kõrget temperatuuri üle 2000 ℃ ja ränikarbiidi isomeere on üle 250, kuid peamine 4H-SiC monokristallstruktuur võimsusseadmete tootmiseks, kui seda ei kontrollita täpselt, annab muid kristallstruktuure. Lisaks määrab tiigli temperatuurigradient ränikarbiidi sublimatsiooniülekande kiiruse ning gaasiliste aatomite paigutuse ja kasvuviisi kristalli piirpinnal, mis mõjutab kristalli kasvukiirust ja kristalli kvaliteeti, seega on vaja luua süstemaatiline temperatuurivälja reguleerimise tehnoloogia. Võrreldes ränikarbiidi materjalidega on ränikarbiidi tootmise erinevus ka kõrgtemperatuurilistes protsessides, nagu kõrgtemperatuuriline ioonide implanteerimine, kõrgtemperatuurne oksüdeerimine, kõrgtemperatuurne aktiveerimine ja nende kõrgtemperatuursete protsesside jaoks vajalik kõva maski protsess.
Aeglane kristallikasv: ränikristallvarda kasvukiirus võib ulatuda 30–150 mm/h ja 1–3 m ränikristallvarda tootmine võtab vaid umbes 1 päeva; näiteks PVT-meetodil valmistatud räniC-kristallvarda kasvukiirus on umbes 0,2–0,4 mm/h, alla 3–6 cm kasvamiseks kulub 7 päeva, kasvukiirus on alla 1% ränimaterjalist ja tootmisvõimsus on äärmiselt piiratud.
Kõrged tooteparameetrid ja madal saagis: SiC-substraadi põhiparameetrite hulka kuuluvad mikrotuubulite tihedus, dislokatsioonitihedus, takistus, deformatsioon, pinna karedus jne. Aatomite paigutamine suletud kõrgtemperatuursesse kambrisse ja kristallide kasvu lõpuleviimine, kontrollides samal ajal parameetrite indekseid, on keeruline süsteemitehnika.
Materjalil on kõrge kõvadus, suur rabedus, pikk lõikeaeg ja suur kulumiskindlus: SiC Mohsi kõvadus 9,25 on teisel kohal ainult teemandi järel, mis suurendab oluliselt lõikamise, lihvimise ja poleerimise raskust ning 3 cm paksuse valuploki 35–40 tüki lõikamine võtab umbes 120 tundi. Lisaks on SiC suure rabeduse tõttu vahvlite töötlemise kulumine suurem ja väljundsuhe on vaid umbes 60%.
Arengutrend: suuruse suurenemine + hinna langus
Globaalse SiC turu 6-tollise mahuga tootmisliin on küpsemas faasis ja juhtivad ettevõtted on sisenenud 8-tollisele turule. Kodumaised arendusprojektid on peamiselt 6-tollised. Praegu, kuigi enamik kodumaiseid ettevõtteid põhineb endiselt 4-tollistel tootmisliinidel, laieneb tööstusharu järk-järgult 6-tollistele. 6-tollise tugiseadmete tehnoloogia küpsusega paraneb järk-järgult ka kodumaine SiC aluspinna tehnoloogia, mis kajastub suuremahuliste tootmisliinide mastaabisäästus ja praegune kodumaine 6-tollise masstootmise ajavahe on vähenenud 7 aastani. Suurem vahvli suurus võib kaasa tuua üksikute kiipide arvu suurenemise, parandada saagikust ja vähendada servakiipide osakaalu, samas kui teadus- ja arendustegevuse kulud ning saagikuse kadu jäävad umbes 7% juurde, parandades seeläbi vahvlite kasutamist.
Seadmete disainimisel on endiselt palju raskusi
SiC-dioodide turustamine paraneb järk-järgult ja praegu on mitmed kodumaised tootjad välja töötanud SiC SBD-tooteid. Kesk- ja kõrgepinge SiC SBD-toodetel on hea stabiilsus. Sõidukite OBC-s kasutatakse SiC SBD + SI IGBT-d stabiilse voolutiheduse saavutamiseks. Praegu ei ole Hiinas SiC SBD-toodete patenteerimisel takistusi ja vahe välisriikidega on väike.
SiC MOS-il on endiselt palju raskusi, SiC MOS-i ja välismaiste tootjate vahel on endiselt lõhe ning vastav tootmisplatvorm on alles väljatöötamisel. Praegu on ST, Infineon, Rohm ja teised 600–1700 V SiC MOS-id saavutanud masstootmise ning on allkirjastanud ja tarninud lepinguid paljudele töötlevatele tööstusharudele, samas kui praegune kodumaine SiC MOS-i disain on põhimõtteliselt valmis, mitmed disainitootjad töötavad vahvlivoo etapis tehastega ja hilisem kliendi kinnitamine võtab veel aega, seega on laiaulatusliku turustamiseni veel pikk aeg.
Praegu on tasapinnaline struktuur peamine valik ja tulevikus kasutatakse kraavitüüpi laialdaselt kõrgsurve valdkonnas. Tasapinnalise struktuuriga SiC MOS-i tootjaid on palju, tasapinnaline struktuur ei tekita võrreldes soonelise struktuuriga lokaalseid rikkeprobleeme, mis mõjutab töö stabiilsust. Turul alla 1200 V on sellel lai rakendusväärtuste vahemik. Tasapinnaline struktuur on tootmise seisukohast suhteliselt lihtne, et täita kahte valmistatavuse ja kulude kontrolli aspekti. Soonelise seadme eelised on äärmiselt madal parasiitse induktiivsus, kiire lülituskiirus, väike kaotus ja suhteliselt kõrge jõudlus.
2--SiC vahvli uudised
Ränikarbiidi turu tootmise ja müügi kasv, pöörake tähelepanu pakkumise ja nõudluse struktuurilisele tasakaalustamatusele
Turu nõudluse kiire kasvuga kõrgsageduslike ja suure võimsusega jõuelektroonika järele on ränipõhiste pooljuhtseadmete füüsikaline kitsaskoht järk-järgult esile kerkinud ning ränikarbiidi (SiC) esindatud kolmanda põlvkonna pooljuhtmaterjalid on järk-järgult industrialiseerunud. Materjali jõudluse seisukohast on ränikarbiidi keelutsooni laius 3 korda suurem kui ränimaterjalil, kriitilise läbilöögi elektrivälja tugevus 10 korda suurem ja soojusjuhtivus 3 korda suurem, seega sobivad ränikarbiidist jõuseadmed kõrgsageduslikeks, kõrge rõhu, kõrge temperatuuri ja muudeks rakendusteks ning aitavad parandada jõuelektroonikasüsteemide efektiivsust ja võimsustihedust.
Praegu on SiC-dioodid ja SiC-MOSFETid järk-järgult turule jõudnud ning on olemas küpsemaid tooteid, mille hulgas SiC-dioode kasutatakse mõnes valdkonnas laialdaselt ränidioodide asemel, kuna neil puudub pöördlaadimise eelis; SiC-MOSFETi kasutatakse järk-järgult ka autotööstuses, energia salvestamisel, laadimismahutites, fotogalvaanikas ja muudes valdkondades; autotööstuse rakenduste valdkonnas on modulariseerimise trend üha enam esile kerkinud ja SiC suurepärase jõudluse saavutamiseks tuleb tugineda täiustatud pakendamisprotsessidele, et saavutada tehniliselt suhteliselt küps kesttihendus, nagu peavoolus, tulevikus või plasttihendite arendamisel, sobivad selle kohandatud arendusomadused SiC-moodulitele paremini.
Ränikarbiidi hinnalanguse kiirus või kujutlusvõime ületamine
Ränikarbiidist seadmete kasutamist piirab peamiselt kõrge hind. Sama hinnaga SiC MOSFET-transistori hind on neli korda kõrgem kui Si-põhisel IGBT-transistoril. Selle põhjuseks on ränikarbiidi keerukas protsess, kus monokristalli kasv ja epitaksiaalne struktuur ei ole mitte ainult keskkonnale kahjulikud, vaid ka kasvukiirus on aeglane ning monokristalli töötlemine aluspinnaks peab läbima lõikamis- ja poleerimisprotsessi. Oma materjali omaduste ja ebaküpse töötlemistehnoloogia tõttu on kodumaise aluspinna saagis alla 50% ning mitmesugused tegurid põhjustavad aluspinna ja epitaksiaalse struktuuri kõrgeid hindu.
Ränikarbiidist ja ränipõhiste seadmete kulukoostis on aga diametraalselt vastupidine: esikanali aluspinna ja epitaksiaalkulud moodustavad vastavalt 47% ja 23% kogu seadmest, kokku umbes 70%, tagakanali seadme projekteerimise, tootmise ja tihendusühenduste maksumus on vaid 30%, ränipõhiste seadmete tootmiskulud koonduvad peamiselt tagakanali vahvlite tootmisse umbes 50% ja aluspinna maksumus moodustab vaid 7%. Ränikarbiidi tööstusahela väärtuse tagurpidi pööramise nähtus tähendab, et ülesvoolu aluspinna epitaksiaaltootjatel on põhiline sõnaõigus, mis on kodumaiste ja välismaiste ettevõtete paigutuse võti.
Turu dünaamilisest vaatenurgast lähtudes on ränikarbiidi maksumuse vähendamine lisaks ränikarbiidi pikkade kristallide ja viilutamisprotsessi parandamisele ka vahvlite suuruse suurendamine, mis on olnud ka pooljuhtide arendamise küps tee minevikus. Wolfspeedi andmed näitavad, et ränikarbiidi aluspinna uuendamine 6 tollilt 8 tollile võib kvalifitseeritud kiibi tootmist suurendada 80–90% ja aidata parandada saagikust. See võib vähendada kombineeritud ühikuhinda 50%.
2023. aastat tuntakse kui "8-tollise ränikarbiidi esimest aastat". Sel aastal kiirendavad nii kodumaised kui ka välismaised ränikarbiidi tootjad 8-tollise ränikarbiidi tootmist. Näiteks Wolfspeed investeeris ränikarbiidi tootmise laiendamisse 14,55 miljardit USA dollarit, mille oluline osa on 8-tollise ränikarbiidi aluspinna tootmistehase ehitamine. Et tagada 200 mm ränikarbiidi paljasmetalli tarnimine mitmetele ettevõtetele tulevikus, on ka Domestic Tianyue Advanced ja Tianke Heda sõlminud Infineoniga pikaajalised lepingud 8-tolliste ränikarbiidi aluspindade tarnimiseks tulevikus.
Alates käesolevast aastast kiireneb ränikarbiidi läbimõõt 6 tollilt 8 tollile. Wolfspeed eeldab, et 2024. aastaks väheneb 8-tollise aluspinna ühikukiibi hind võrreldes 6-tollise aluspinna ühikukiibi hinnaga 2022. aastal enam kui 60% ning Ji Bond Consultingu uuringuandmete kohaselt avab kulude langus veelgi rakendusturgu. 8-tolliste toodete praegune turuosa on alla 2% ja turuosa peaks 2026. aastaks kasvama umbes 15%-ni.
Tegelikult võib ränikarbiidist aluspinna hinna languse määr ületada paljude inimeste kujutlusvõimet. 6-tollise aluspinna praegune turupakkumine on 4000–5000 jüaani tükk. Võrreldes aasta algusega on see palju langenud ja eeldatavasti langeb järgmisel aastal alla 4000 jüaani. Väärib märkimist, et mõned tootjad on esimese turu saamiseks vähendanud müügihinda allapoole kulude rida. Avatud on hinnasõja mudel, mis keskendub peamiselt ränikarbiidist aluspinna pakkumisele, mis on madalpinge valdkonnas olnud suhteliselt piisav. Nii kodumaised kui ka välismaised tootjad laiendavad agressiivselt tootmisvõimsust või lasevad ränikarbiidist aluspinna ülepakkumisel tekkida varem kui arvati.
Postituse aeg: 19. jaanuar 2024