מבוא לסיליקון קרביד
סיליקון קרביד (SiC) הוא חומר מוליך למחצה מורכב המורכב מפחמן וסיליקון, שהוא אחד החומרים האידיאליים לייצור התקנים בטמפרטורה גבוהה, בתדירות גבוהה, בהספק גבוה ובמתח גבוה. בהשוואה לחומר הסיליקון המסורתי (Si), פער הלהקה של סיליקון קרביד גדול פי 3 מזה של סיליקון. המוליכות התרמית גדולה פי 4-5 מזו של סיליקון; מתח הפריצה גדול פי 8-10 מזה של סיליקון; קצב סחיפה של הרוויה האלקטרונית גדול פי 2-3 מזה של סיליקון, מה שעונה על צרכי התעשייה המודרנית להספק גבוה, מתח גבוה ותדירות גבוהה. הוא משמש בעיקר לייצור רכיבים אלקטרוניים במהירות גבוהה, בתדירות גבוהה, בהספק גבוה ובעלי פולטת אור. תחומי היישומים במורד הזרם כוללים רשת חכמה, כלי רכב לאנרגיה חדשה, אנרגיית רוח פוטו-וולטאית, תקשורת 5G וכו'. דיודות סיליקון קרביד ו-MOSFETs נמצאות בשימוש מסחרי.
עמידות בטמפרטורה גבוהה. רוחב פער הפסים של סיליקון קרביד הוא פי 2-3 מזה של סיליקון, האלקטרונים אינם עוברים בקלות בטמפרטורות גבוהות, ויכולים לעמוד בטמפרטורות פעולה גבוהות יותר, והמוליכות התרמית של סיליקון קרביד היא פי 4-5 מזו של סיליקון, מה שהופך את פיזור החום של המכשיר לקל יותר ואת טמפרטורת הפעולה המגבילה גבוהה יותר. עמידות בטמפרטורה גבוהה יכולה להגדיל משמעותית את צפיפות ההספק תוך הפחתת הדרישות ממערכת הקירור, מה שהופך את ההדק לקל וקטן יותר.
עמידה בלחץ גבוה. עוצמת השדה החשמלי של סיליקון קרביד היא פי 10 מזו של סיליקון, שיכול לעמוד במתחים גבוהים יותר ומתאים יותר להתקני מתח גבוה.
התנגדות בתדר גבוה. לסיליקון קרביד יש קצב סחיפה של אלקטרונים רוויים כפול מזה של סיליקון, וכתוצאה מכך אין זנב זרם במהלך תהליך הכיבוי, מה שיכול לשפר ביעילות את תדר המיתוג של המכשיר ולהביא למזעור המכשיר.
אובדן אנרגיה נמוך. בהשוואה לחומר סיליקון, לסיליקון קרביד התנגדות הפעלה נמוכה מאוד והפסדי הפעלה נמוכים. יחד עם זאת, רוחב פער הפסים הגבוה של סיליקון קרביד מפחית מאוד את זרם הדליפה ואת אובדן ההספק. בנוסף, להתקן סיליקון קרביד אין תופעת נגררות זרם במהלך תהליך הכיבוי, והפסדי המיתוג נמוכים.
שרשרת תעשיית סיליקון קרביד
זה כולל בעיקר מצע, אפיטקסיה, תכנון המכשיר, ייצור, איטום וכן הלאה. סיליקון קרביד מהחומר ועד להתקן הספק מוליך למחצה יעבור צמיחה גבישית יחידה, חיתוך מטילי סיליקון, צמיחה אפיטקסיאלית, תכנון פרוסות סיליקון, ייצור, אריזה ותהליכים אחרים. לאחר הסינתזה של אבקת סיליקון קרביד, מיוצר תחילה מטיל סיליקון קרביד, ולאחר מכן מתקבל מצע סיליקון קרביד על ידי חיתוך, טחינה וליטוש, והיריעה האפיטקסיאלית מתקבלת על ידי צמיחה אפיטקסיאלית. פרוסות סיליקון קרביד עשויות מסיליקון קרביד באמצעות ליתוגרפיה, איכול, השתלת יונים, פסיבציה של מתכת ותהליכים אחרים, פרוסות סיליקון נחתכות לתבנית, המכשיר נארז, והמכשיר משולב למעטפת מיוחדת ומורכבת למודול.
במעלה הזרם של שרשרת התעשייה 1: מצע - גידול גבישים הוא חוליית התהליך המרכזית
מצע סיליקון קרביד מהווה כ-47% מעלות התקני סיליקון קרביד, והוא בעל המכשולים הטכניים הגבוהים ביותר בייצור והערך הגדול ביותר, והוא הליבה של התיעוש בקנה מידה גדול בעתיד של SiC.
מנקודת מבט של הבדלי תכונות אלקטרוכימיות, 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 התקנים בדידים כגון התקני כוח והתקני תדר רדיו בהתאמה לאחר גידול אפיטקסיאלי. ביניהם, מצע סיליקון קרביד מבודד למחצה משמש בעיקר לייצור התקני RF גליום ניטריד, התקנים פוטואלקטריים וכן הלאה. על ידי גידול שכבה אפיטקסיאלית של gan על מצע SIC מבודד למחצה, מכינים את הלוח האפיטקסיאלי של sic, שניתן להכין אותו עוד להתקני RF איזו-ניטריד gan HEMT. מצע סיליקון קרביד מוליך משמש בעיקר לייצור התקני כוח. בשונה מתהליך ייצור התקן כוח סיליקון מסורתי, התקן כוח סיליקון קרביד אינו יכול להתבצע ישירות על מצע סיליקון קרביד, יש צורך לגדל את שכבת האפיטקסיאל של סיליקון קרביד על המצע המוליך כדי לקבל את יריעת האפיטקסיאל של סיליקון קרביד, והשכבה האפיטקסיאלית מיוצרת על דיודת שוטקי, MOSFET, IGBT והתקני כוח אחרים.
אבקת סיליקון קרביד סונתזה מאבקת פחמן טהורה ואבקת סיליקון טהורה, ומטיל סיליקון קרביד בגדלים שונים גודל תחת שדה טמפרטורה מיוחד, ולאחר מכן יוצר מצע סיליקון קרביד באמצעות תהליכי עיבוד מרובים. התהליך המרכזי כולל:
סינתזת חומרי גלם: אבקת סיליקון טהורה + טונר מעורבבים לפי הנוסחה, והתגובה מתבצעת בתא התגובה בתנאי טמפרטורה גבוהים מעל 2000 מעלות צלזיוס כדי לסנתז את חלקיקי הסיליקון קרביד בעלי סוג גביש וגודל חלקיקים ספציפיים. לאחר מכן, עוברים ריסוק, סינון, ניקוי ותהליכים אחרים כדי לעמוד בדרישות של חומרי גלם של אבקת סיליקון קרביד טהורה במיוחד.
גידול גבישים הוא התהליך המרכזי בייצור מצע סיליקון קרביד, הקובע את התכונות החשמליות של מצע סיליקון קרביד. נכון לעכשיו, השיטות העיקריות לגידול גבישים הן העברת אדים פיזיקלית (PVT), שקיעת אדים כימית בטמפרטורה גבוהה (HT-CVD) ואפיטקסיה של פאזה נוזלית (LPE). ביניהן, שיטת PVT היא השיטה המרכזית לגידול מסחרי של מצע סיליקון קרביד כיום, עם הבשלות הטכנית הגבוהה ביותר והנפוצה ביותר בהנדסה.
הכנת מצע SiC קשה, מה שמוביל למחירו הגבוה.
בקרת שדה טמפרטורה קשה: גידול מוט גביש Si דורש רק 1500 מעלות צלזיוס, בעוד שמוט גביש SiC דורש גידול בטמפרטורה גבוהה מעל 2000 מעלות צלזיוס, וישנם יותר מ-250 איזומרים של SiC, אך מבנה הגביש החד-יחיד העיקרי של 4H-SiC לייצור התקני כוח, אם לא תהיה בקרה מדויקת, יקבל מבני גביש אחרים. בנוסף, גרדיאנט הטמפרטורה בכור ההיתוך קובע את קצב העברת הסובלימציה של SiC ואת סידור ומצב הגידול של אטומי גז על ממשק הגביש, מה שמשפיע על קצב גידול הגביש ואיכות הגביש, ולכן יש צורך ליצור טכנולוגיית בקרת שדה טמפרטורה שיטתית. בהשוואה לחומרי Si, ההבדל בייצור SiC טמון 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.
גידול גבישים איטי: קצב הגידול של מוט גביש סיליקון יכול להגיע ל-30 ~ 150 מ"מ/שעה, וייצור מוט גביש סיליקון בגודל 1-3 מטר אורך רק כיממה אחת; מוט גביש SiC בשיטת PVT לדוגמה, קצב הגידול הוא כ-0.2-0.4 מ"מ/שעה, גידול של פחות מ-3-6 ס"מ לוקח 7 ימים, קצב הגידול הוא פחות מ-1% מחומר הסיליקון, וקיבולת הייצור מוגבלת ביותר.
פרמטרי מוצר גבוהים ותפוקה נמוכה: הפרמטרים המרכזיים של מצע SiC כוללים צפיפות מיקרוטובולים, צפיפות פריקה, התנגדות, עיוות, חספוס פני השטח וכו'. זוהי הנדסת מערכת מורכבת לסידור אטומים בתא סגור בטמפרטורה גבוהה ולהשלמת צמיחת גבישים, תוך שליטה על אינדקסי הפרמטרים.
לחומר קשיות גבוהה, שבירות גבוהה, זמן חיתוך ארוך ובלאי גבוה: קשיות Mohs של SiC 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 שבירותו הגבוהה של SiC, הבלאי בעיבוד פרוסות יהיה גבוה יותר, ויחס התפוקה הוא רק כ-60%.
מגמת התפתחות: עלייה בגודל + ירידה במחיר
שוק קווי הייצור הנפחיים של SiC בגודל 6 אינץ' העולמי מתבגר, וחברות מובילות נכנסו לשוק ה-8 אינץ'. פרויקטים מקומיים מתמקדים בעיקר בקווי ייצור של 6 אינץ'. כיום, למרות שרוב החברות המקומיות עדיין מבוססות על קווי ייצור של 4 אינץ', התעשייה מתרחבת בהדרגה ל-6 אינץ'. עם הבשלת טכנולוגיית הציוד התומך ב-6 אינץ', טכנולוגיית מצעי SiC המקומית גם משתפרת בהדרגה, וכך יבוא לידי ביטוי יתרונות הגודל של קווי ייצור גדולים, ופער הזמן הנוכחי של ייצור המוני בגודל 6 אינץ' המקומי הצטמצם ל-7 שנים. גודל פרוסות גדול יותר יכול להביא לעלייה במספר השבבים הבודדים, לשיפור שיעור התפוקה ולהפחתת שיעור שבבי הקצה, ועלות המחקר והפיתוח ואובדן התפוקה יישמרו על כ-7%, ובכך ישפרו את ניצול הפרוסות.
עדיין קיימות קשיים רבים בתכנון המכשיר
המסחור של דיודות SiC משתפר בהדרגה, וכיום מספר יצרנים מקומיים עיצבו מוצרי SiC SBD, למוצרי SiC SBD במתח בינוני וגבוה יש יציבות טובה, וב-OBC לרכב, השימוש ב-SiC SBD + SI IGBT משיג צפיפות זרם יציבה. כיום, אין חסמים בתכנון פטנטים 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 נמצאת בבנייה. נכון לעכשיו, ST, Infineon, Rohm ו-SiC MOS אחרים בטווח של 600-1700V השיגו ייצור המוני וחתמו ושלחו עם תעשיות ייצור רבות, בעוד שתכנון ה-SiC MOS המקומי הנוכחי הושלם למעשה, מספר יצרני תכנון עובדים עם מפעלים בשלב זרימת הוופלים, ואימות לקוחות מאוחר יותר עדיין דורש זמן מה, כך שעדיין יש זמן רב עד למסחור בקנה מידה גדול.
כיום, מבנה מישורי הוא הבחירה המרכזית, וסוג התעלה יהיה בשימוש נרחב בתחום הלחץ הגבוה בעתיד. יצרני SiC MOS בעלי מבנה מישורי רבים, מבנה מישורי אינו מייצר בקלות בעיות התמוטטות מקומיות בהשוואה לחריץ, דבר המשפיע על יציבות העבודה. בשוק מתחת ל-1200V יש ערך יישומים רחב, והמבנה המישורי פשוט יחסית מבחינת ייצור, כדי לעמוד בשני היבטים של יכולת ייצור ובקרת עלויות. להתקן החריץ יש יתרונות של השראות טפילית נמוכה במיוחד, מהירות מיתוג מהירה, הפסד נמוך וביצועים גבוהים יחסית.
2 - חדשות פרוסות סיליקון
צמיחת ייצור ומכירות שוק סיליקון קרביד, שימו לב לחוסר איזון מבני בין היצע לביקוש
עם הצמיחה המהירה של הביקוש בשוק לאלקטרוניקה להספק בתדר גבוה והספק גבוה, צוואר הבקבוק הפיזי של התקני מוליכים למחצה מבוססי סיליקון הפך בהדרגה לבולט, וחומרי מוליכים למחצה מהדור השלישי המיוצגים על ידי סיליקון קרביד (SiC) הפכו בהדרגה למתועשים. מנקודת מבט של ביצועי החומר, לסיליקון קרביד יש רוחב פער פס פי 3 מחומר סיליקון, עוצמת שדה חשמלי קריטית פי 10, מוליכות תרמית פי 3, כך שהתקני הספק מסיליקון קרביד מתאימים ליישומים בתדר גבוה, לחץ גבוה, טמפרטורה גבוהה ויישומים אחרים, ועוזרים לשפר את היעילות וצפיפות ההספק של מערכות אלקטרוניות הספק.
כיום, דיודות SiC ו-MOSFETs של SiC נכנסו בהדרגה לשוק, וישנם מוצרים בוגרים יותר, ביניהם דיודות SiC נמצאות בשימוש נרחב במקום דיודות מבוססות סיליקון בתחומים מסוימים מכיוון שאין להן את היתרון של מטען התאוששות הפוך; MOSFET של SiC נמצא בשימוש בהדרגה גם בתחומי הרכב, אחסון אנרגיה, ערימת טעינה, פוטו-וולטאית ותחומים אחרים; בתחום יישומי הרכב, מגמת המודולריזציה הופכת בולטת יותר ויותר, והביצועים המעולים של SiC צריכים להסתמך על תהליכי אריזה מתקדמים כדי להשיג, מבחינה טכנית עם איטום מעטפת בוגר יחסית כמיינסטרים, בעתיד או לפיתוח איטום פלסטיק, מאפייני הפיתוח המותאמים אישית שלו מתאימים יותר למודולי SiC.
מהירות ירידת מחיר סיליקון קרביד או מעבר לדמיון
היישום של התקני סיליקון קרביד מוגבל בעיקר בשל העלות הגבוהה. מחיר ה-SiC MOSFET באותה רמה גבוה פי 4 מזה של IGBT מבוסס סיליקון. הסיבה לכך היא שתהליך הפיתוח של סיליקון קרביד מורכב, שבו גידול גבישי יחיד ואפיטקסליים אינו רק קשה לסביבה, אלא גם קצב הגידול איטי, ועיבוד גבישי יחיד למצע חייב לעבור תהליך חיתוך וליטוש. בהתבסס על מאפייני החומר שלו וטכנולוגיית עיבוד לא בשלה, התפוקה של המצע המקומי היא פחות מ-50%, וגורמים שונים מובילים למחירים גבוהים של מצעים ואפיטקסליים.
עם זאת, הרכב העלויות של התקני סיליקון קרביד והתקנים מבוססי סיליקון הפוך לחלוטין, עלויות המצע והאפיטקסיה של הערוץ הקדמי מהוות 47% ו-23% מכלל ההתקן בהתאמה, שהם כ-70% בסך הכל, תכנון ההתקן, ייצורו ואטימתו של ערוץ האחורי מהווים רק 30%, עלות הייצור של התקנים מבוססי סיליקון מרוכזת בעיקר בייצור פרוסות סיליקון של הערוץ האחורי כ-50%, ועלות המצע מהווה רק 7%. תופעת השינוי בערך שרשרת תעשיית הסיליקון קרביד פירושה שליצרני אפיטקסיה של מצעים במעלה הזרם יש זכות דיבור מרכזית, שהיא המפתח לפריסה של מפעלים מקומיים וזרים.
מנקודת מבט דינמית של השוק, הפחתת עלות הסיליקון קרביד, בנוסף לשיפור תהליך החיתוך והגביש הארוך של סיליקון קרביד, נועדה להרחיב את גודל הוופל, שהוא גם נתיב בוגר של פיתוח מוליכים למחצה בעבר. נתוני Wolfspeed מראים ששדרוג מצע סיליקון קרביד מ-6 אינץ' ל-8 אינץ' יכול להגדיל את ייצור השבבים המאושרים ב-80%-90%, ולעזור לשפר את התפוקה. זה יכול להפחית את עלות היחידה המשולבת ב-50%.
שנת 2023 ידועה כ"שנת ה-SiC הראשונה בגודל 8 אינץ'". השנה, יצרני סיליקון קרביד מקומיים וזרים מאיצים את פריסת ייצור סיליקון קרביד בגודל 8 אינץ'. חברת Wolfspeed השקיעה 14.55 מיליארד דולר בהרחבת ייצור סיליקון קרביד, שחלק חשוב מכך הוא בניית מפעל לייצור מצעים של סיליקון קרביד בגודל 8 אינץ'. על מנת להבטיח אספקה עתידית של מתכת חשופה של 200 מ"מ SiC למספר חברות, חתמו חברות Domestic Tianyue Advanced ו-Tianke Heda גם על הסכמים ארוכי טווח עם Infineon לאספקת מצעים של סיליקון קרביד בגודל 8 אינץ' בעתיד.
החל משנה זו, גודל הסיליקון קרביד יאיץ מ-6 אינץ' ל-8 אינץ'. חברת Wolfspeed צופה שעד 2024, עלות יחידת השבב של מצע בגודל 8 אינץ' תצטמצם ביותר מ-60% בהשוואה לעלות יחידת השבב של מצע בגודל 6 אינץ' בשנת 2022, וירידת העלויות תפתח עוד יותר את שוק היישומים, כך עולה מנתוני מחקר של Ji Bond Consulting. נתח השוק הנוכחי של מוצרים בגודל 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 רבים. היצע השוק הנוכחי של מצע 6 אינץ' עומד על 4000-5000 יואן ליחידה. בהשוואה לתחילת השנה ירד המחיר באופן משמעותי, וצפוי לרדת מתחת ל-4000 יואן בשנה הבאה. ראוי לציין שכמה יצרנים, כדי להגיע לשוק הראשון, הפחיתו את מחיר המכירה לקו העלות הנמוך. פתחו את מודל מלחמת המחירים, המתמקד בעיקר באספקת מצע סיליקון קרביד מספקת יחסית בתחום המתח הנמוך. יצרנים מקומיים וזרים מרחיבים באופן אגרסיבי את כושר הייצור, או נותנים לשלב ההיצע העודף של מצע סיליקון קרביד להגיע מוקדם מהצפוי.
זמן פרסום: 19 בינואר 2024