Муқаддима ба карбиди кремний
Карбиди кремний (SiC) як маводи нимноқили мураккабест, ки аз карбон ва кремний иборат аст, ки яке аз маводҳои беҳтарин барои сохтани ҳарорати баланд, басомади баланд, қувваи баланд ва дастгоҳҳои баландшиддати баланд мебошад. Дар муқоиса бо маводи анъанавии кремний (Si), фосилаи бандҳои карбиди кремний аз кремний 3 маротиба зиёдтар аст. Кобилияти гармигузаронй нисбат ба кремний 4—5 маротиба зиёд аст; Шиддати вайроншавӣ 8-10 маротиба аз кремний аст; Суръати дрейфти электронии пур аз кремний 2-3 маротиба зиёдтар аст, ки ба талаботи саноати муосир ба нерӯи баланд, шиддати баланд ва басомади баланд ҷавобгӯ аст. Он асосан барои истеҳсоли ҷузъҳои электронии баландсуръат, басомади баланд, қудрати баланд ва нурпошӣ истифода мешавад. Соҳаҳои татбиқи поёноб шабакаи интеллектуалӣ, мошинҳои нави энергетикӣ, нерӯи шамоли фотоэлектрикӣ, алоқаи 5G ва ғайраро дар бар мегиранд. Диодҳои карбиди кремний ва MOSFETҳо ба таври тиҷоратӣ истифода шудаанд.
Муқовимат ба ҳарорати баланд. Паҳнои фосилаи банд аз карбиди кремний 2-3 маротиба аз кремний аст, электронҳо дар ҳарорати баланд гузаштан осон нестанд ва метавонанд ба ҳарорати баландтари корӣ тоб оваранд ва гузариши гармии карбиди кремний 4-5 маротиба аз кремний аст, ки паҳншавии гармии дастгоҳро осонтар мекунад ва ҳарорати лимити кориро баландтар мекунад. Муқовимат ба ҳарорати баланд метавонад зичии барқро ба таври назаррас афзоиш диҳад ва ҳангоми коҳиш додани талабот ба системаи хунуккунӣ терминалро сабуктар ва хурдтар кунад.
Ба фишори баланд тоб оваред. Қувваи шикастани майдони электрикии карбиди кремний нисбат ба кремний 10 маротиба зиёдтар аст, ки ба шиддатҳои баланд тоб оварда метавонад ва барои дастгоҳҳои баландшиддат мувофиқтар аст.
Муқовимати басомади баланд. Карбиди кремний дорои суръати дрейфти электронии тофташуда нисбат ба кремний ду маротиба зиёд аст, ки дар натиҷа дар ҷараёни хомӯш кардани думҳои ҷорӣ мавҷуд нест, ки метавонад басомади гузариши дастгоҳро ба таври муассир беҳтар кунад ва миниатюризатсияи дастгоҳро амалӣ кунад.
Талафоти ками энергия. Дар муқоиса бо маводи кремний, карбиди кремний муқовимати хеле паст ва талафоти кам дорад. Дар айни замон, паҳнои баландии фосилаи карбиди кремний ҷараёни ихроҷ ва талафоти барқро хеле кам мекунад. Илова бар ин, дастгоҳи карбиди кремний дар ҷараёни қатъшавӣ падидаи ҷорӣ надорад ва талафоти коммутатсионӣ кам аст.
Занҷираи саноати карбиди кремний
Он асосан субстрат, эпитаксия, тарроҳии дастгоҳ, истеҳсол, мӯҳр ва ғайраро дар бар мегирад. Карбиди кремний аз мавод ба дастгоҳи барқи нимноқил афзоиши кристаллӣ, буридани ингот, афзоиши эпитаксиалӣ, тарроҳии вафли, истеҳсол, бастабандӣ ва равандҳои дигарро аз сар мегузаронад. Пас аз синтези хокаи карбиди кремний, аввал инготи карбиди кремний ва баъдан бо роҳи буридан, суфтан ва сайқал додан субстрати карбиди кремний ва варақи эпитаксиалӣ бо роҳи афзоиши эпитаксиалӣ ба даст оварда мешавад. Вафли эпитаксиалӣ аз карбиди кремний ба воситаи литография, афшурӣ, имплантацияи ион, пассиватсияи металл ва дигар равандҳо сохта мешавад, вафельро ба штамп бурида, дастгоҳ бастабандӣ карда, дастгоҳро ба қабати махсус муттаҳид карда, ба модул васл мекунанд.
Болоравии занҷири саноат 1: субстрат - афзоиши кристалл пайванди асосии раванд аст
Субстрати карбиди кремний тақрибан 47% арзиши дастгоҳҳои карбиди кремнийро ташкил медиҳад, баландтарин монеаҳои техникии истеҳсолӣ, арзиши калонтарин, асосии индустрикунонии миқёси калони ояндаи SiC мебошад.
Аз нуқтаи назари фарқиятҳои моликияти электрохимиявӣ, маводи оксиди карбиди кремнийро ба субстратҳои гузаронанда (минтақаи муқовимат 15 ~ 30mΩ·cm) ва субстратҳои нимизолятсия (муқовимат аз 105Ω·см зиёдтар) тақсим кардан мумкин аст. Ин ду намуди субстратҳо барои истеҳсоли дастгоҳҳои дискретӣ ба монанди дастгоҳҳои барқ ва дастгоҳҳои басомади радио мутаносибан пас аз афзоиши эпитаксиалӣ истифода мешаванд. Дар байни онхо субстрати нимизоляи карбиди кремний асосан дар истехсоли дастгоххои галлий нитриди РФ, аппаратхои фотоэлектрикй ва гайра истифода мешавад. Бо парвариши қабати эпитаксиалии ган дар субстрати нимизолятсияи SIC, плитаи эпитаксиалии sic омода карда мешавад, ки онро минбаъд дар дастгоҳҳои HEMT gan изо-нитриди РФ омода кардан мумкин аст. Субстрати карбиди кремнийи гузаронанда асосан дар истеҳсоли дастгоҳҳои энергетикӣ истифода мешавад. Тафовут аз раванди истеҳсоли анъанавии дастгоҳи барқии кремний, дастгоҳи барқи карбиди кремнийро мустақиман дар субстрати карбиди кремний сохтан мумкин нест, қабати эпитаксиалии карбиди кремний бояд дар субстрат гузаронанда парвариш карда шавад, то варақи эпитаксиалии кремнийи карбиди кремний ва қабати эпитаксиалӣ дар дастгоҳҳои дигари Schotde MBT, Schotde, MBTOS истеҳсол карда шавад.
Хокаи карбиди кремний аз хокаи карбиди баланд ва хокаи кремнийи тозаи баланд синтез карда шуд ва андозаҳои гуногуни инготи карбиди кремний дар майдони махсуси ҳарорат парвариш карда шуданд ва сипас тавассути равандҳои сершумори коркард субстрати карбиди кремний истеҳсол карда шуд. Раванди асосӣ инҳоро дар бар мегирад:
Синтези ашёи хом: Хокаи баландсифати кремний + тонер мувофиқи формула омехта карда мешавад ва реаксия дар камераи реаксия дар ҳолати ҳарорати баланд аз 2000 ° C барои синтез кардани зарраҳои карбиди кремний бо навъи кристалл ва андозаи мушаххас анҷом дода мешавад. Сипас тавассути майдакунӣ, скрининг, тозакунӣ ва дигар равандҳо, барои қонеъ кардани талаботи ашёи хоми хокаи карбиди кремний.
Афзоиши кристалл раванди асосии истеҳсоли субстрат карбиди кремний мебошад, ки хосиятҳои электрикии субстрати карбиди кремнийро муайян мекунад. Дар айни замон, усулҳои асосии афзоиши кристалл интиқоли буғи физикӣ (PVT), таҳшиншавии буғи кимиёвии ҳарорати баланд (HT-CVD) ва эпитаксияи фазаи моеъ (LPE) мебошанд. Дар байни онҳо, усули PVT усули асосии афзоиши тиҷоратии субстрати SiC дар айни замон бо камолоти техникӣ баландтарин ва васеътарин дар муҳандисӣ истифода мешавад.
Тайёр кардани субстрати SiC душвор аст, ки ба нархи баланди он оварда мерасонад
Назорати майдони ҳарорат душвор аст: Рушди асои булӯрии Si танҳо ба 1500 ℃ ниёз дорад, дар ҳоле ки асои булӯрии SiC бояд дар ҳарорати баланд аз 2000 ℃ парвариш карда шавад ва зиёда аз 250 изомерҳои SiC мавҷуданд, аммо сохтори асосии монокристалии 4H-SiC барои истеҳсоли дастгоҳҳои энергетикӣ, агар сохторҳои дигари дақиқ ба даст наоянд. Илова бар ин, градиенти ҳарорат дар тигель суръати интиқоли сублиматсияи SiC ва тартиби ҷойгиршавӣ ва афзоиши атомҳои газро дар интерфейси кристалл муайян мекунад, ки ба суръати афзоиши кристалл ва сифати кристалл таъсир мерасонад, аз ин рӯ технологияи мунтазами назорати ҳароратро ташкил кардан лозим аст. Дар муқоиса бо маводи Si, фарқияти истеҳсоли SiC инчунин дар равандҳои ҳарорати баланд, аз қабили имплантатсияи ионҳои ҳарорати баланд, оксидшавии ҳарорати баланд, фаъолсозии ҳарорати баланд ва раванди ниқоби сахт, ки ин равандҳои ҳарорати баланд талаб мекунанд.
Рушди кристаллҳои суст: суръати афзоиши асои булӯрии Si метавонад ба 30 ~ 150 мм / соат расад ва истеҳсоли асои булӯри кремний 1-3м танҳо тақрибан 1 рӯзро мегирад; Асои булӯри SiC бо усули PVT ҳамчун намуна, суръати афзоиш тақрибан 0,2-0,4 мм / соат, 7 рӯз ба воя камтар аз 3-6 см, суръати афзоиш камтар аз 1% маводи кремний аст, иқтидори истеҳсолӣ хеле маҳдуд аст.
Параметрҳои баланди маҳсулот ва ҳосили паст: параметрҳои асосии субстрати SiC зичии microtubule, зичии дислокатсия, муқовимат, warpage, ноҳамвори рӯизаминӣ ва ғайраҳоро дар бар мегиранд. Ин як муҳандисии мураккаби система барои ба тартиб даровардани атомҳо дар як камераи пӯшидаи ҳарорати баланд ва афзоиши пурраи кристалл, ҳангоми назорати индексҳои параметрӣ мебошад.
Мавод сахтии баланд, шикастани баланд, вақти буридани тӯлонӣ ва фарсудашавии баланд дорад: Сахтии SiC Mohs 9,25 пас аз алмос дар ҷои дуюм аст, ки боиси хеле зиёд шудани душвории буридан, суфтан ва сайқал додан мегардад ва барои буридани 35-40 дона зарфи ғафси 3 см тақрибан 120 соат вақт лозим аст. Илова бар ин, аз сабаби brittleness баланди SiC, фарсудашавии коркарди вафли бештар хоҳад буд ва таносуби истеҳсолот танҳо тақрибан 60% аст.
Тамоюли рушд: Афзоиши андоза + пастшавии нарх
Бозори ҷаҳонии SiC хати истеҳсоли ҳаҷми 6 дюймӣ ба камол расида истодааст ва ширкатҳои пешбар ба бозори 8 дюймӣ ворид шуданд. Лоиҳаҳои рушди дохилӣ асосан 6 дюйм доранд. Дар айни замон, гарчанде ки аксари ширкатҳои ватанӣ ҳоло ҳам ба хатҳои истеҳсолии 4 дюйм асос ёфтаанд, аммо саноат тадриҷан ба 6 дюйм васеъ мешавад, бо камолоти технологияи таҷҳизоти ёрирасони 6 дюйм, технологияи субстрати ватании SiC низ тадриҷан иқтисодҳои миқёси хатҳои истеҳсолии калонро беҳтар мекунад, инъикос карда мешавад ва фарқияти истеҳсоли ҳозираи ватанӣ то 6 дюймаи истеҳсоли солҳо коҳиш ёфтааст. Андозаи калонтари вафли метавонад боиси афзоиши шумораи микросхемаҳои ягона, баланд бардоштани ҳосилнокӣ ва кам кардани ҳиссаи микросхемаҳои канорӣ гардад ва арзиши тадқиқот ва коркард ва талафоти ҳосил тақрибан 7% нигоҳ дошта мешавад ва ба ин васила истифодаи вафлиро беҳтар мекунад.
Дар конструк-цияи дастгоххо хануз бисьёр душворихо мавчуданд
Тиҷоратизатсияи диодҳои SiC тадриҷан такмил дода мешавад, дар айни замон як қатор истеҳсолкунандагони ватанӣ маҳсулоти SiC SBD-ро тарҳрезӣ кардаанд, маҳсулоти миёна ва баландшиддати SiC SBD устувории хуб доранд, дар автомобил OBC, истифодаи SiC SBD+SI IGBT барои ноил шудан ба зичии устувори ҷорӣ. Дар айни замон дар тарҳрезии патентии маҳсулоти SiC SBD дар Чин монеа вуҷуд надорад ва тафовут бо кишварҳои хориҷӣ хурд аст.
SiC MOS то ҳол мушкилоти зиёде дорад, дар байни SiC MOS ва истеҳсолкунандагони хориҷа фарқият вуҷуд дорад ва платформаи истеҳсолии дахлдор ҳанӯз дар ҳоли сохтмон аст. Дар айни замон, ST, Infineon, Rohm ва дигар 600-1700V SiC MOS ба истеҳсоли оммавӣ ноил шудаанд ва бо бисёр соҳаҳои истеҳсолӣ имзо ва фиристода шудаанд, дар ҳоле ки тарҳи кунунии SiC MOS асосан ба итмом расидааст, як қатор истеҳсолкунандагони тарроҳӣ бо фабҳо дар марҳилаи ҷараёни вафли кор мекунанд ва баъдтар санҷиши тиҷоратии муштариён ҳанӯз вақти зиёдро талаб мекунад.
Дар айни замон, сохтори планарӣ интихоби асосӣ аст ва навъи хандак дар оянда дар майдони фишори баланд васеъ истифода мешавад. Сохтори планарии SiC MOS истеҳсолкунандагони зиёде ҳастанд, сохтори планарӣ дар муқоиса бо чуқурӣ мушкилоти пошхӯрии маҳаллӣ осон нест, ки ба устувории кор таъсир мерасонад, дар бозор дар зери 1200V дорои доираи васеи арзиши татбиқ аст ва сохтори планарӣ дар охири истеҳсол нисбатан содда аст, то ба истеҳсолот ва назорати хароҷот ду ҷанбаро қонеъ кунад. Дастгоҳи чуқурӣ бартариҳои индуктивии хеле пасти паразитӣ, суръати зудгузар, талафоти кам ва иҷрои нисбатан баланд дорад.
2--Ахбори вафли SiC
Истеҳсол ва афзоиши фурӯши бозори карбиди кремний, ба номутавозунии сохтории байни талабот ва пешниҳод таваҷҷӯҳ кунед
Бо афзоиши босуръати талаботи бозор ба электроникаи баландбасомад ва пуриқтидор, маҳдудияти физикии дастгоҳҳои нимноқил дар асоси кремний тадриҷан намоён гардид ва маводи нимноқилҳои насли сеюм, ки бо карбиди кремний (SiC) муаррифӣ мешаванд, тадриҷан саноатӣ шуданд. Аз нуқтаи назари кори моддӣ, карбиди кремний дорои 3 маротиба паҳнои банд аз маводи кремний, 10 маротиба шиддатнокии майдони электрикии критикӣ, 3 маротиба гармӣгузаронӣ мебошад, аз ин рӯ дастгоҳҳои барқии карбиди кремний барои басомади баланд, фишори баланд, ҳарорати баланд ва дигар барномаҳо мувофиқанд, ба баланд бардоштани самаранокӣ ва зичии қувваи системаҳои электронии барқ ёрӣ мерасонанд.
Дар айни замон, diodes SiC ва SiC MOSFETs тадриҷан ба бозор кӯчид, ва маҳсулоти пухта бештар вуҷуд дорад, ки дар байни онҳо diodes SiC ба ҷои diodes дар асоси кремний дар баъзе соҳаҳо васеъ истифода бурда мешавад, зеро онҳо бартарии заряди барқарорсозии баръакс надоранд; SiC MOSFET низ тадриҷан дар автомобилсозӣ, нигоҳдории энергия, пуркунандаи барқ, фотоэлектрикӣ ва дигар соҳаҳо истифода мешавад; Дар соҳаи татбиқи мошинсозӣ, тамоюли модулизатсия торафт бештар намоён мешавад, иҷрои аълои SiC бояд ба равандҳои пешрафтаи бастабандӣ такя кунад, то аз ҷиҳати техникӣ бо мӯҳри нисбатан баркамол пӯлоди пӯлод ҳамчун ҷараёни асосӣ, оянда ё рушди мӯҳри пластикӣ, хусусиятҳои рушди фармоишии он барои модулҳои SiC мувофиқтар аст.
Суръати паст шудани нархи карбиди кремний ё аз тасаввурот фаротар аст
Истифодаи дастгоҳҳои карбиди кремний асосан бо арзиши гарон маҳдуд аст, нархи SiC MOSFET дар як сатҳ нисбат ба IGBT дар асоси Si 4 маротиба баландтар аст, ин аз он сабаб аст, ки раванди карбиди кремний мураккаб аст, ки дар он афзоиши яккристалл ва эпитаксиалӣ на танҳо ба муҳити зист сахт аст, балки суръати афзоиш низ суст аст ва раванди буридани субстрат ва полишинг бояд ба раванди ягонаи кристалл гузарад. Дар асоси хусусиятҳои моддии худ ва технологияи коркарди номукаммал, ҳосили субстрати ватанӣ камтар аз 50% -ро ташкил медиҳад ва омилҳои гуногун боиси баланд шудани нархи субстрат ва эпитаксиалӣ мегарданд.
Бо вуҷуди ин, таркиби арзиши дастгоҳҳои карбиди кремний ва дастгоҳҳои кремний ба таври куллӣ муқобил аст, хароҷоти субстрат ва эпитаксиалии канали пешӣ мутаносибан 47% ва 23% тамоми дастгоҳро ташкил медиҳанд, ки тақрибан 70% -ро ташкил медиҳад, тарҳи дастгоҳ, истеҳсол ва мӯҳри канали қафо танҳо 30% -ро ташкил медиҳад. истеҳсоли канали пушти тақрибан 50% ва арзиши субстрат танҳо 7% -ро ташкил медиҳад. Падидаи арзиши занҷири саноати кремнийи карбиди зеру забар маънои онро дорад, ки истеҳсолкунандагони эпитаксияҳои зеризаминии болооб ҳуқуқи асосии сухан гуфтан доранд, ки калиди тарҳбандии корхонаҳои ватанӣ ва хориҷӣ мебошад.
Аз нуқтаи назари динамикӣ дар бозор, кам кардани арзиши карбиди кремний, ба ғайр аз беҳтар кардани кристалл дарозии карбиди кремний ва буридан, васеъ кардани андозаи вафли мебошад, ки ин ҳам роҳи баркамол дар гузаштаи рушди нимноқилҳо мебошад, маълумотҳои Wolfspeed нишон медиҳанд, ки истеҳсоли карбиди кремний метавонад аз 6 адад афзоиш ёбад. 80%-90% ва ба беҳтар шудани ҳосил мусоидат мекунад. Метавонад арзиши як воҳиди ягонаро 50% кам кунад.
Соли 2023 ҳамчун "соли аввали 8-дюймаи SiC" маълум аст, имсол истеҳсолкунандагони карбиди кремнийи ватанӣ ва хориҷӣ тарҳрезии карбиди кремнийи 8-дюймаро суръат мебахшанд, ба монанди сармоягузории девонаи Wolfspeed барои тавсеаи истеҳсоли карбиди кремний 14,55 миллиард доллари амрикоиро, ки як қисми муҳими он сохтмони корхонаи ояндаи субстрат бо субстратҳои SiC таъмин карда мешавад. 200 мм SiC металли холӣ ба як қатор ширкатҳо; Tianyue Advanced ва Tianke Heda ватанӣ инчунин бо Infineon созишномаҳои дарозмуддатро оид ба таҳвили субстратҳои карбиди 8 дюймаи кремний дар оянда имзо карданд.
Аз ин сол сар карда, карбиди кремний аз 6 дюйм то 8 дюйм суръат хоҳад гирифт, Wolfspeed интизор аст, ки то соли 2024 арзиши чипи воҳиди 8 дюймаи субстрат дар муқоиса бо арзиши воҳиди чипи 6 дюймӣ дар соли 2022 беш аз 60% коҳиш хоҳад ёфт ва коҳиши арзиш бозори таҳқиқоти барномаро боз хоҳад кард. Ҳиссаи ҳозираи бозори маҳсулоти 8 дюймӣ камтар аз 2% аст ва интизор меравад, ки ҳиссаи бозор то соли 2026 тақрибан 15% афзоиш ёбад.
Дарвоқеъ, суръати коҳиши нархи субстрати карбиди кремний метавонад аз тасаввуроти бисёр одамон зиёдтар бошад, пешниҳоди бозории 6-дюймаи субстрат 4000-5000 юан / дона аст, дар муқоиса бо аввали сол хеле коҳиш ёфтааст, интизор меравад, ки дар соли оянда аз 4000 юан камтар афтад. Дар зер, Модели ҷанги нархро кушод, ки асосан дар таъминоти оксиди карбиди кремний мутамарказ шудааст, дар майдони пастшиддат нисбатан кофӣ буд, истеҳсолкунандагони ватанӣ ва хориҷӣ иқтидори истеҳсолиро ба таври хашмгин васеъ мекунанд ё бигзоред, ки субстрати карбиди кремний марҳилаи барзиёдро аз тасаввурот пештар гузорад.
Вақти фиристодан: январ-19-2024