מבוא לסיליקון קרביד
סיליקון קרביד (SiC) הוא חומר מוליך למחצה מורכב המורכב מפחמן וסיליקון, שהוא אחד החומרים האידיאליים לייצור התקני טמפרטורה גבוהה, תדר גבוה, הספק גבוה ומתח גבוה. בהשוואה לחומר הסיליקון המסורתי (Si), פער הרצועות של סיליקון קרביד הוא פי 3 מזה של סיליקון. המוליכות התרמית היא פי 4-5 מזו של סיליקון; מתח הפירוק הוא פי 8-10 מזה של סיליקון; קצב סחיפת הרוויה האלקטרונית הוא פי 2-3 מזה של סיליקון, העונה על הצרכים של התעשייה המודרנית להספק גבוה, מתח גבוה ותדר גבוה. הוא משמש בעיקר לייצור של רכיבים אלקטרוניים מהירים, בתדר גבוה, בעל הספק גבוה ופולטי אור. תחומי היישומים במורד הזרם כוללים רשת חכמה, רכבי אנרגיה חדשים, אנרגיית רוח פוטו-וולטאית, תקשורת 5G וכו'. דיודות סיליקון קרביד ו-MOSFET יושמו באופן מסחרי.
עמידות בטמפרטורה גבוהה. רוחב הפער של הרצועה של סיליקון קרביד הוא פי 2-3 מזה של סיליקון, האלקטרונים אינם קלים למעבר בטמפרטורות גבוהות, ויכולים לעמוד בטמפרטורות עבודה גבוהות יותר, והמוליכות התרמית של סיליקון קרביד היא פי 4-5 מזו של סיליקון, מה שהופך את פיזור החום של המכשיר לקל יותר וטמפרטורת הפעולה הגבלת גבוהה יותר. ההתנגדות לטמפרטורה גבוהה יכולה להגביר באופן משמעותי את צפיפות ההספק תוך הפחתת הדרישות ממערכת הקירור, מה שהופך את המסוף לקל וקטן יותר.
לעמוד בלחץ גבוה. חוזק השדה החשמלי של סיליקון קרביד הוא פי 10 מזה של סיליקון, שיכול לעמוד במתחים גבוהים יותר ומתאים יותר למכשירי מתח גבוה.
התנגדות בתדר גבוה. לסיליקון קרביד יש קצב סחיפה רווי של אלקטרונים כפול מזה של סיליקון, וכתוצאה מכך היעדר זנב זרם במהלך תהליך הכיבוי, מה שיכול לשפר ביעילות את תדירות המיתוג של המכשיר ולממש את המזעור של המכשיר.
אובדן אנרגיה נמוך. בהשוואה לחומר סיליקון, לסיליקון קרביד יש התנגדות נמוכה מאוד והפסד נמוך. יחד עם זאת, רוחב פער הפס הגבוה של סיליקון קרביד מפחית מאוד את זרם הזליגה ואת אובדן החשמל. בנוסף, למכשיר הסיליקון קרביד אין תופעת נגרר נוכחית במהלך תהליך הכיבוי, ואובדן המיתוג נמוך.
רשת תעשיית סיליקון קרביד
זה כולל בעיקר מצע, אפיטקסיה, עיצוב מכשיר, ייצור, איטום וכן הלאה. סיליקון קרביד מהחומר למכשיר הכוח המוליך למחצה יחווה צמיחת גביש בודד, חיתוך מטיל, צמיחה אפיטקסיאלית, עיצוב פרוסות, ייצור, אריזה ותהליכים אחרים. לאחר סינתזה של אבקת סיליקון קרביד, מייצרים תחילה את מטיל הסיליקון קרביד, ולאחר מכן מתקבל מצע הסיליקון קרביד על ידי חיתוך, שחיקה והברקה, והיריעה האפיטקסיאלית מתקבלת על ידי צמיחה אפיטקסיאלית. הפרוסה האפיטקסיאלית עשויה מסיליקון קרביד באמצעות ליתוגרפיה, תחריט, השתלת יונים, פסיבציה של מתכת ותהליכים נוספים, הפרוסה נחתכת לתבנית, המכשיר נארז, והמכשיר מאוחד למעטפת מיוחדת ומורכב למודול.
במעלה שרשרת התעשייה 1: מצע - צמיחת גבישים היא חוליית הליבה בתהליך
מצע סיליקון קרביד מהווה כ-47% מהעלות של מכשירי סיליקון קרביד, המחסומים הטכניים הגבוהים לייצור, הערך הגדול ביותר, הוא הליבה של התיעוש העתידי בקנה מידה גדול של SiC.
מנקודת המבט של הבדלי מאפיינים אלקטרוכימיים, ניתן לחלק חומרי מצע סיליקון קרביד למצעים מוליכים (אזור התנגדות 15~30mΩ·cm) ומצעים מבודדים למחצה (התנגדות גבוהה מ-105Ω·cm). שני סוגי מצעים אלה משמשים לייצור מכשירים נפרדים כגון התקני כוח והתקני תדר רדיו בהתאמה לאחר צמיחה אפיטקסיאלית. ביניהם, מצע סיליקון קרביד מבודד למחצה משמש בעיקר בייצור התקני RF של גליום ניטריד, מכשירים פוטו-אלקטריים וכן הלאה. על ידי גידול שכבת gan אפיטקסיאלית על מצע SIC מבודד למחצה, מכינים את הצלחת האפיטקסיאלית sic, אותה ניתן להכין עוד יותר לתוך התקני HEMT gan iso-nitride RF. מצע סיליקון קרביד מוליך משמש בעיקר בייצור מכשירי חשמל. בשונה מתהליך הייצור המסורתי של מכשיר כוח סיליקון, לא ניתן לייצר את התקן כוח סיליקון קרביד ישירות על מצע הסיליקון קרביד, יש לגדל את השכבה האפיטקסיאלית של סיליקון קרביד על המצע המוליך כדי להשיג את הגיליון האפיטקסיאלי של סיליקון קרביד, והשכבה האפיטקסיאלית של ה-Schottky ו-MOSF מיוצרת על מכשירי הכוח האחרים, MOSFIG.
אבקת סיליקון קרביד סונתזה מאבקת פחמן בטוהר גבוה ואבקת סיליקון בטוהר גבוה, וגדלים שונים של מטיל סיליקון קרביד גודלו תחת שדה טמפרטורה מיוחד, ולאחר מכן הופק מצע סיליקון קרביד באמצעות תהליכי עיבוד מרובים. תהליך הליבה כולל:
סינתזת חומרי גלם: אבקת הסיליקון + הטונר בטוהר גבוה מעורבבים לפי הנוסחה, והתגובה מתבצעת בתא התגובה בתנאי טמפרטורה גבוהה מעל 2000°C כדי לסנתז את חלקיקי הסיליקון קרביד עם סוג גביש וגודל חלקיקים ספציפיים. לאחר מכן, דרך הריסוק, ההקרנה, הניקוי ותהליכים אחרים, כדי לעמוד בדרישות של חומרי גלם אבקת סיליקון קרביד בטוהר גבוה.
צמיחת קריסטל היא תהליך הליבה של ייצור מצע סיליקון קרביד, הקובע את התכונות החשמליות של מצע סיליקון קרביד. כיום, השיטות העיקריות לצמיחת גבישים הן העברת אדים פיזית (PVT), שקיעת אדים כימית בטמפרטורה גבוהה (HT-CVD) ואפיטקסית פאזה נוזלית (LPE). ביניהם, שיטת PVT היא השיטה המרכזית לגידול מסחרי של מצע SiC כיום, עם הבשלות הטכנית הגבוהה ביותר והנפוץ ביותר בהנדסה.
הכנת מצע SiC קשה, מה שמוביל למחירו הגבוה
בקרת שדה הטמפרטורה קשה: גידול מוט גביש Si צריך רק 1500℃, בעוד שמוט גביש SiC צריך לגדל בטמפרטורה גבוהה מעל 2000℃, ויש יותר מ-250 איזומרים SiC, אבל המבנה הראשי 4H-SiC גבישי יחיד לייצור התקני כוח, אם לא מבנים מדויקים אחרים, יקבל שליטה מדויקת אחרת. בנוסף, שיפוע הטמפרטורה בכור ההיתוך קובע את קצב העברת הסובלימציה של SiC ואת סידור וצורת הצמיחה של אטומים גזים על ממשק הגביש, מה שמשפיע על קצב צמיחת הגביש ואיכות הגביש, ולכן יש צורך ליצור טכנולוגיית בקרת שדה טמפרטורה שיטתית. בהשוואה לחומרי Si, ההבדל בייצור SiC הוא גם בתהליכים בטמפרטורה גבוהה כגון השתלת יונים בטמפרטורה גבוהה, חמצון בטמפרטורה גבוהה, הפעלה בטמפרטורה גבוהה, ותהליך המסכה הקשה הנדרש על ידי תהליכים בטמפרטורה גבוהה אלה.
צמיחה איטית של גבישים: קצב הצמיחה של מוט קריסטל Si יכול להגיע ל-30 ~ 150 מ"מ לשעה, והייצור של מוט קריסטל סיליקון באורך 1-3 מ' לוקח רק יום אחד; מוט קריסטל SiC בשיטת PVT כדוגמה, קצב הצמיחה הוא כ-0.2-0.4 מ"מ/שעה, 7 ימים לגדול פחות מ-3-6 ס"מ, קצב הצמיחה הוא פחות מ-1% מחומר הסיליקון, כושר הייצור מוגבל ביותר.
פרמטרים גבוהים של מוצר ותפוקה נמוכה: פרמטרי הליבה של מצע SiC כוללים צפיפות מיקרו-צינוריות, צפיפות נקע, התנגדות, עיוות, חספוס פני השטח וכו'. זוהי הנדסת מערכת מורכבת לסדר אטומים בתא סגור בטמפרטורה גבוהה וצמיחה מלאה של גבישים, תוך שליטה על מדדי פרמטרים.
החומר בעל קשיות גבוהה, פריכות גבוהה, זמן חיתוך ארוך ובלאי גבוה: קשיות SiC Mohs של 9.25 היא שנייה רק ליהלום, מה שמוביל לעלייה משמעותית בקושי החיתוך, השחזה והליטוש, ולוקח כ-120 שעות לחתוך 35-40 חתיכות של מטיל בעובי 3 ס"מ. בנוסף, בשל השבריריות הגבוהה של SiC, הבלאי של עיבוד פרוסות יהיה יותר, ויחס התפוקה הוא רק כ-60%.
מגמת התפתחות: עליית גודל + ירידת מחיר
קו הייצור בנפח 6 אינץ' בשוק SiC העולמי מתבגר, וחברות מובילות נכנסו לשוק ה-8 אינץ'. פרויקטי פיתוח מקומיים הם בעיקר 6 אינץ'. נכון לעכשיו, למרות שרוב החברות המקומיות עדיין מבוססות על קווי ייצור בגודל 4 אינץ', אך התעשייה מתרחבת בהדרגה ל-6 אינץ', עם הבגרות של טכנולוגיית ציוד תומך בגודל 6 אינץ', טכנולוגיית מצע SiC המקומית גם משפרת בהדרגה את יתרונות הגודל של קווי ייצור בגודל גדול, והזמן המקומי הנוכחי ייצור המוני של 6 אינץ' מתבטא בפער של 6 אינץ'. גודל הפרוסות הגדול יותר יכול להביא לגידול במספר השבבים הבודדים, לשפר את קצב התפוקה ולהקטין את שיעור שבבי הקצה, ועלות המחקר והפיתוח ואובדן התפוקה תישמר על כ-7%, ובכך תשפר את ניצול הפרוסות.
יש עדיין קשיים רבים בעיצוב המכשיר
המסחור של דיודת SiC משתפר בהדרגה, נכון לעכשיו, מספר יצרנים מקומיים תכננו מוצרי SiC SBD, למוצרי SiC SBD במתח בינוני וגבוה יש יציבות טובה, ברכב OBC, השימוש ב-SiC SBD+SI IGBT כדי להשיג צפיפות זרם יציבה. נכון לעכשיו, אין חסמים בעיצוב הפטנט של מוצרי SiC SBD בסין, והפער עם מדינות זרות קטן.
ל-SiC MOS עדיין יש קשיים רבים, עדיין קיים פער בין SiC MOS ליצרנים בחו"ל, ופלטפורמת הייצור הרלוונטית עדיין בבנייה. נכון לעכשיו, ST, Infineon, Rohm ועוד 600-1700V SiC MOS השיגו ייצור המוני ונחתמו ונשלחו עם תעשיות ייצור רבות, בעוד שתכנון ה-SiC MOS המקומי הנוכחי הושלם בעצם, מספר יצרני עיצוב עובדים עם מותגים בשלב זרימת ה-Wafer, ובהמשך לאימות הלקוח עדיין זקוק לזמן רב, כך שעדיין יש זמן מסחרי בקנה מידה גדול.
נכון לעכשיו, המבנה המישורי הוא הבחירה המרכזית, וסוג התעלה נמצא בשימוש נרחב בשדה הלחץ הגבוה בעתיד. מבנה מישורי SiC MOS יצרני רבים, המבנה המישורי לא קל לייצר בעיות התמוטטות מקומיות בהשוואה לחריץ, המשפיעים על יציבות העבודה, בשוק מתחת ל-1200V יש מגוון רחב של ערך יישום, והמבנה המישורי פשוט יחסית בקצה הייצור, כדי לעמוד ביכולות הייצור ובקרת העלויות בשני היבטים. למכשיר החריץ יתרונות של השראות טפילית נמוכה במיוחד, מהירות מיתוג מהירה, הפסד נמוך וביצועים גבוהים יחסית.
2--חדשות רקיקות SiC
ייצור וצמיחת המכירות בשוק סיליקון קרביד, שימו לב לחוסר איזון מבני בין היצע וביקוש
עם הצמיחה המהירה של ביקוש השוק לאלקטרוניקה בתדר גבוה והספק גבוה, צוואר הבקבוק הפיזי של התקני מוליכים למחצה מבוססי סיליקון הפך בולט בהדרגה, וחומרי המוליכים למחצה מהדור השלישי המיוצגים על ידי סיליקון קרביד (SiC) הפכו בהדרגה לתועשים. מנקודת מבט של ביצועי החומר, לסיליקון קרביד יש פי 3 מרוחב פער הרצועה של חומר סיליקון, פי 10 מעוצמת השדה החשמלי הפירוק הקריטי, פי 3 מהמוליכות התרמית, כך שמכשירי כוח סיליקון קרביד מתאימים לתדר גבוה, לחץ גבוה, טמפרטורה גבוהה ויישומים אחרים, עוזרים לשפר את היעילות וצפיפות ההספק של מערכות אלקטרוניות כוח.
נכון לעכשיו, דיודות SiC ו-SiC MOSFET עברו בהדרגה לשוק, ויש מוצרים בוגרים יותר, ביניהם דיודות SiC נמצאות בשימוש נרחב במקום דיודות מבוססות סיליקון בתחומים מסוימים, משום שאין להן היתרון של טעינת התאוששות הפוכה; SiC MOSFET משמש בהדרגה גם בתחום הרכב, אחסון אנרגיה, ערימת טעינה, פוטו-וולטאים ואחרים; בתחום יישומי הרכב, מגמת המודולריזציה הופכת יותר ויותר בולטת, הביצועים המעולים של SiC צריכים להסתמך על תהליכי אריזה מתקדמים כדי להשיג, מבחינה טכנית עם איטום מעטפת בוגר יחסית כמיינסטרים, לעתיד או לפיתוח איטום פלסטיק, מאפייני הפיתוח המותאמים שלו מתאימים יותר למודולי SiC.
מחיר סיליקון קרביד יורד במהירות או מעבר לכל דמיון
היישום של התקני סיליקון קרביד מוגבל בעיקר על ידי העלות הגבוהה, המחיר של SiC MOSFET באותה רמה גבוה פי 4 מזה של IGBT מבוסס Si, הסיבה לכך היא שתהליך הסיליקון קרביד מורכב, שבו הצמיחה של גביש יחיד ואפיטקסי לא רק קשה על הסביבה, אלא גם קצב הצמיחה איטי, ותהליך חיתוך המצע הבודד חייב לעבור את תהליך חיתוך המצע. בהתבסס על מאפייני החומר שלו וטכנולוגיית עיבוד לא בשלה, התשואה של מצע ביתי היא פחות מ-50%, וגורמים שונים מובילים למחירי מצע ואפיטקסיות גבוהים.
עם זאת, הרכב העלויות של התקני סיליקון קרביד והתקנים מבוססי סיליקון הוא הפוך בצורה דימטרית, עלויות המצע והאפיטקסיאליות של התעלה הקדמית מהוות 47% ו-23% מהמכשיר כולו בהתאמה, מסתכם בכ-70%, תכנון, ייצור ואיטום של קישורי התעלה האחורית מהווה בעיקר את עלות הייצור המרוכזת של 30% בלבד. ייצור פרוסות של התעלה האחורית כ-50%, ועלות המצע מהווה רק 7%. תופעת הערך של שרשרת תעשיית הסיליקון קרביד הפוכה פירושה שליצרני אפיטקסיות מצע במעלה הזרם יש את זכות הליבה לדבר, שהיא המפתח לפריסה של ארגונים מקומיים וזרים.
מנקודת המבט הדינמית בשוק, הפחתת העלות של סיליקון קרביד, בנוסף לשיפור תהליך הגביש הארוך והחיתוך של סיליקון קרביד, היא הרחבת גודל הפרוסות, שהוא גם הנתיב הבוגר של פיתוח מוליכים למחצה בעבר, נתוני Wolfspeed מראים שמצע הסיליקון קרביד יכול להגדיל את ייצור השבב מ-8 אינצ'ים. 80%-90%, ועוזרים לשפר את התשואה. יכול להפחית את עלות היחידה המשולבת ב-50%.
2023 ידועה בתור "8 אינץ' SiC השנה הראשונה", השנה, יצרני סיליקון קרביד מקומיים וזרים מאיצים את הפריסה של סיליקון קרביד בגודל 8 אינץ', כמו השקעה מטורפת של Wolfspeed של 14.55 מיליארד דולר להרחבת ייצור סיליקון קרביד, שחלק חשוב ממנה הוא בניית המצע העתידי של 8 אינץ' של סיליקון קרביד. mm SiC מתכת חשופה למספר חברות; גם Tianyue Advanced ו-Tianke Heda המקומיים חתמו על הסכמים ארוכי טווח עם Infineon לאספקת מצעי סיליקון קרביד בגודל 8 אינץ' בעתיד.
החל משנה זו, סיליקון קרביד יואץ מ-6 אינץ' ל-8 אינץ', וולפספיד צופה שעד 2024, עלות השבב ליחידה של מצע של 8 אינץ' בהשוואה לעלות השבב ליחידה של מצע 6 אינץ' בשנת 2022, תופחת ביותר מ-60%, והירידה בעלויות תגרום לכך שהנתונים יפתחו עוד יותר את שוק היישומים, Ji Bond. נתח השוק הנוכחי של מוצרי 8 אינץ' הוא פחות מ-2%, ונתח השוק צפוי לגדול לכ-15% עד 2026.
למעשה, קצב הירידה במחיר מצע סיליקון קרביד עשוי לעלות על דמיונם של אנשים רבים, היצע השוק הנוכחי של מצע 6 אינץ' הוא 4000-5000 יואן/חתיכה, בהשוואה לתחילת השנה ירד מאוד, צפוי לרדת מתחת ל-4000 יואן בשנה הבאה, מהיצרן שווה את המחיר הראשון לא להוזיל את ההזמנה לשוק. שורה למטה, פתח את המודל של מלחמת המחירים, מרוכז בעיקר באספקת מצע סיליקון קרביד היה מספיק יחסית בתחום המתח הנמוך, יצרנים מקומיים וזרים מרחיבים באגרסיביות את כושר הייצור, או נותנים למצע אספקת יתר של סיליקון קרביד בשלב מוקדם מהדמיין.
זמן פרסום: 19 בינואר 2024
