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 бандҳои карбиди кремний аз 2-3 маротиба аз кремний аст, электронҳо дар ҳарорати баланд гузаранда осон нестанд ва метавонанд ба ҳарорати баландтари корӣ тоб оранд ва гузариши гармии карбиди кремний 4-5 маротиба аз кремний, паҳншавии гармии дастгоҳро осонтар ва ҳарорати лимити корро 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 дастгоҳи барқии кремний, дастгоҳи барқи карбиди кремнийро мустақиман дар субстрати карбиди кремний сохтан мумкин нест, қабати эпитаксиалии карбиди кремний бояд дар субстрати гузаронанда парвариш карда шавад, то варақи эпитаксиалии кремний карбиди ва эпитаксиалӣ қабат дар диодҳои Schottky, MOSFET, IGBT ва дигар дастгоҳҳои барқӣ истеҳсол карда мешавад.
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 заррача гузаронида мешавад. андоза.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 буда, боиси баланд шудани нархи он мегардад
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 яккристаллии 4H-SiC барои истехсоли дастгоххои энергетики, агар назорати дакик набошад, дигар конструкцияхои кристаллро ба даст меорад.Илова бар ин, градиенти ҳарорат дар тигел 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, бинобар ин, майдони ҳароратро ташкил кардан лозим аст. технологияи назорат.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 аст, 7 рӯз ба воя камтар аз 3-6 см, суръати афзоиш камтар аз 1% маводи кремний аст, иқтидори истеҳсолӣ бениҳоят аст маҳдуд.
Параметрҳои баланди маҳсулот ва ҳосили паст: параметрҳои асосии субстрати SiC зичии microtubule, зичии dislocation, муқовимат, warpage, ноҳамворӣ рӯи ва ғайра дар бар мегирад. Ин як муҳандисии системаи мураккаб барои ташкили атомҳо дар як камераи ҳарорати пӯшида ва афзоиши пурраи кристалл, ҳангоми назорат кардани индексҳои параметр.
Мавод сахтии баланд, шикастани баланд, вақти буридани тӯлонӣ ва фарсудашавии баланд дорад: Сахтии SiC Mohs аз 9,25 пас аз алмос дуюм аст, ки боиси афзоиши назарраси душвории буридан, суфтан ва сайқал додан мегардад ва барои коркарди он тақрибан 120 соат вақт лозим аст. 35—40 дона ангури гафсаш 3 сантиметрй бурида мешавад.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 6-дюймаи дастгирӣ, технологияи субстрати ватании SiC низ тадриҷан иқтисодиётро беҳтар мекунад миқёси хатҳои истеҳсолии калонҳаҷм инъикос хоҳад шуд ва фарқияти вақти истеҳсоли оммавии дохилии 6 дюймӣ то 7 сол кам шуд.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 вафли беҳтар карда мешавад. истифода бурдан.
Дар конструк-цияи дастгоххо хануз бисьёр душворихо мавчуданд
Тиҷоратии 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 устувории устувор зичии 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 мешаванд, дар ҳоле ки тарҳи ҳозираи SiC MOS асосан ба анҷом расидааст, як қатор истеҳсолкунандагони тарроҳӣ бо фабҳо дар марҳилаи ҷараёни вафли ва баъдтар тафтиши муштарӣ ҳанӯз каме вақтро талаб мекунад, бинобар ин то тиҷоратикунонии миқёси калон ҳанӯз вақти зиёд вуҷуд дорад.
Дар айни замон, сохтори планарӣ интихоби асосӣ аст ва навъи хандак дар оянда дар майдони фишори баланд васеъ истифода мешавад.Сохтори Planar SiC MOS истеҳсолкунандагони бисёр аст, сохтори planar аст, осон нест, ба истеҳсоли мушкилоти пошхӯрии маҳаллӣ дар муқоиса бо чуқури, таъсир устувории кор, дар бозор зери 1200V дорои доираи васеи арзиши татбиқ, ва сохтори planar нисбатан аст, содда дар охири истеҳсолот, барои қонеъ кардани қобилияти истеҳсолӣ ва назорати хароҷот ду ҷанба.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 номутаносибии сохтории байни талабот ва пешниҳод диққат диҳед
Бо афзоиши босуръати талаботи бозор ба электроникаи басомади баланд ва пуриқтидор, маҳдудияти физикии дастгоҳҳои нимноқилҳои кремний тадриҷан намоён шуд ва маводи нимноқилҳои насли сеюм, ки бо карбиди кремний (SiC) муаррифӣ мешаванд, тадриҷан намоён шуданд. саноатй гарданд.Аз нуқтаи назари иҷрои моддӣ, карбиди кремний дорои 3 маротиба паҳнои бандҳои маводи кремний, 10 маротиба шиддатнокии майдони электрикии шикаста, 3 маротиба гармӣгузаронӣ мебошад, бинобар ин дастгоҳҳои барқии карбиди кремний барои басомади баланд, фишори баланд мувофиқанд. ҳарорати баланд ва дигар барномаҳо, барои 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 ноил шавад. , хусусиятҳои таҳияи фармоишии он барои модулҳои SiC мувофиқтаранд.
Суръати паст шудани нархи карбиди кремний ё аз тасаввурот фаротар аст
Истифодаи дастгоҳҳои карбиди кремний асосан бо арзиши баланд маҳдуд аст, нархи SiC MOSFET дар як сатҳ нисбат ба Si дар асоси IGBT 4 маротиба баландтар аст, зеро раванди карбиди кремний мураккаб аст, ки дар он афзоиши як кристалл ва эпитаксиалӣ на танҳо ба муҳити зист сахт аст, балки суръати афзоиш низ суст аст ва коркарди як кристалл ба субстрат бояд аз раванди буридан ва сайқал додан 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 пеш мутаносибан 47% ва 23% тамоми дастгоҳро ташкил медиҳанд, ки тақрибан 70% -ро ташкил медиҳад, тарҳи дастгоҳ, истеҳсолот. ва пайвандҳои мӯҳри канали қафо ҳамагӣ 30% -ро ташкил медиҳад, арзиши истеҳсоли дастгоҳҳои кремний асосан дар истеҳсоли вафли канали қафо тақрибан 50% мутамарказ шудааст ва арзиши субстрат ҳамагӣ 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 такмил додани кристалл дарозии карбиди кремний ва раванди буридан, васеъ кардани андозаи вафли аст, ки он низ роҳи баркамол рушди нимноқилҳо дар гузашта мебошад, Маълумоти Wolfspeed нишон медиҳад, ки аз 6 дюйм ба 8 дюйм навсозии субстрати карбиди кремний, истеҳсоли чипҳои тахассусӣ метавонад 80% -90% афзоиш ёбад ва ба беҳтар шудани ҳосил мусоидат кунад.Метавонад арзиши воҳиди якҷояро 50% кам кунад.
Соли 2023 ҳамчун "соли аввали 8-дюймаи SiC" маъруф аст, имсол истеҳсолкунандагони карбиди кремнийи ватанӣ ва хориҷӣ тарҳрезии карбиди кремнийи 8-дюймаро суръат мебахшанд, ба монанди сармоягузории девонаи Wolfspeed 14.55 миллиард доллар барои тавсеаи истеҳсоли карбиди кремний, ки қисми муҳими он сохтмони корхонаи истеҳсоли субстрат 8-дюймаи SiC мебошад, Барои таъмини ояндаи 200 миллиметрии металли урёни SiC 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.
Шурӯъ аз соли равон карбиди кремний аз 6 дюйм то 8 дюйм суръат мегирад, Wolfspeed интизор аст, ки то соли 2024 арзиши чипи воҳиди 8 дюймӣ дар муқоиса бо арзиши чипи воҳиди 6 дюйм субстрат дар соли 2022 беш аз 60% кам карда мешавад. , ва коҳиши хароҷот боз бозори барномаҳоро боз хоҳад кард, маълумотҳои тадқиқотии Ji Bond Consulting қайд карданд.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 субстрат карбиди кремний метавонад аз тасаввуроти бисёр одамон зиёдтар бошад, пешниҳоди ҳозираи бозории субстрати 6 дюймӣ 4000-5000 юан / дона аст, дар муқоиса бо аввали сол хеле коҳиш ёфтааст. интизор меравад, ки дар соли оянда аз 4000 юан камтар афтад, бояд қайд кард, ки баъзе истеҳсолкунандагон бо мақсади ба даст овардани бозори аввал, нархи фурӯшро ба хати арзиши поён коҳиш доданд, Модели ҷанги нархро кушод, асосан дар субстрати карбиди кремний мутамарказ шудааст. таъминот дар майдони пастшиддат нисбатан кофӣ буд, истеҳсолкунандагони ватанӣ ва хориҷӣ иқтидори истеҳсолиро ба таври хашмгин васеъ мекунанд ё бигзоред, ки субстрати карбиди кремний аз ҳад зиёд аз ҳад зиёд аз тасаввурот барвақттар шавад.
Вақти фиристодан: январ-19-2024