Цахиурын карбидын танилцуулга
Цахиурын карбид (SiC) нь нүүрстөрөгч, цахиураас бүрдсэн хагас дамжуулагч нийлмэл материал бөгөөд өндөр температур, өндөр давтамж, өндөр хүч, өндөр хүчдэлийн төхөөрөмж үйлдвэрлэхэд тохиромжтой материалын нэг юм. Уламжлалт цахиурын материалтай (Si) харьцуулахад цахиурын карбидын зурвасын зай нь цахиураас 3 дахин их байна. Дулаан дамжуулалт нь цахиураас 4-5 дахин их; Эвдрэлийн хүчдэл нь цахиураас 8-10 дахин их; Цахиурын ханалтын дрифтийн хурд нь цахиураас 2-3 дахин их байдаг нь орчин үеийн үйлдвэрлэлийн өндөр хүч, өндөр хүчдэл, өндөр давтамжийн хэрэгцээг хангадаг. Энэ нь ихэвчлэн өндөр хурдтай, өндөр давтамжтай, өндөр хүчин чадалтай, гэрэл ялгаруулах электрон эд ангиудыг үйлдвэрлэхэд ашиглагддаг. Ухаалаг сүлжээ, шинэ эрчим хүчний тээврийн хэрэгсэл, фотоволтайк салхины эрчим хүч, 5G харилцаа холбоо гэх мэт хэрэглээний талбарууд орно. Цахиурын карбидын диод болон MOSFET-ийг арилжааны зориулалтаар ашиглаж байна.
Өндөр температурт тэсвэртэй. Цахиурын карбидын зурвасын өргөн нь цахиураас 2-3 дахин их, электронууд нь өндөр температурт шилжихэд хялбар биш, ажлын өндөр температурыг тэсвэрлэх чадвартай, цахиурын карбидын дулаан дамжуулалт нь цахиураас 4-5 дахин их байдаг. төхөөрөмжийн дулаан ялгаралтыг хөнгөвчлөх, ажиллах температурыг хязгаарлах. Өндөр температурын эсэргүүцэл нь эрчим хүчний нягтралыг ихээхэн нэмэгдүүлж, хөргөлтийн системд тавигдах шаардлагыг бууруулж, терминалыг хөнгөн, жижиг болгодог.
Өндөр даралтыг тэсвэрлэх. Цахиурын карбидын задралын цахилгаан талбайн хүч нь цахиураас 10 дахин их байдаг бөгөөд энэ нь өндөр хүчдэлийг тэсвэрлэх чадвартай бөгөөд өндөр хүчдэлийн төхөөрөмжид илүү тохиромжтой.
Өндөр давтамжийн эсэргүүцэл. Цахиурын карбид нь цахиураас хоёр дахин их ханасан электрон шилжилтийн хурдтай тул унтрах явцад гүйдэл үүсэхгүй бөгөөд энэ нь төхөөрөмжийн шилжих давтамжийг үр дүнтэй сайжруулж, төхөөрөмжийг жижигрүүлэх боломжийг олгодог.
Эрчим хүчний алдагдал бага. Цахиурын материалтай харьцуулахад цахиурын карбид нь маш бага эсэргүүцэлтэй, алдагдал багатай байдаг. Үүний зэрэгцээ цахиурын карбидын өндөр зурвасын өргөн нь алдагдал гүйдэл болон эрчим хүчний алдагдлыг ихээхэн бууруулдаг. Түүнчлэн, цахиурын карбидын төхөөрөмж нь унтрах явцад одоогийн гүйлтийн үзэгдэл байхгүй бөгөөд шилжүүлэгчийн алдагдал бага байдаг.
Цахиурын карбидын үйлдвэрлэлийн сүлжээ
Үүнд үндсэндээ субстрат, эпитакси, төхөөрөмжийн дизайн, үйлдвэрлэл, битүүмжлэл гэх мэт орно. Материалаас хагас дамжуулагч цахилгаан төхөөрөмж хүртэлх цахиурын карбид нь нэг талст өсөлт, ембүү зүсэлт, эпитаксиаль өсөлт, вафель дизайн, үйлдвэрлэл, сав баглаа боодол болон бусад процессуудыг мэдрэх болно. Цахиурын карбидын нунтаг нийлэгжсэний дараа эхлээд цахиур карбидын ембүү, дараа нь зүсэх, нунтаглах, өнгөлөх замаар цахиур карбидын субстратыг, эпитаксиаль хавтанг эпитаксиаль ургалтын аргаар гаргаж авдаг. Эпитаксиаль хавтанцар нь литограф, сийлбэр, ион суулгах, металл идэвхгүйжүүлэх болон бусад процессоор цахиурын карбидаар хийгдсэн бөгөөд өрлөгийг зүсэж, төхөөрөмжийг савлаж, тусгай бүрхүүлд нэгтгэж, модуль болгон угсардаг.
Аж үйлдвэрийн 1-р гинжин хэлхээний дээд хэсэг: субстрат - болор өсөлт нь процессын гол холбоос юм
Цахиурын карбидын субстрат нь цахиурын карбидын төхөөрөмжийн зардлын 47 орчим хувийг эзэлдэг бөгөөд үйлдвэрлэлийн хамгийн өндөр техникийн саад тотгор, хамгийн том үнэ цэнэ нь SiC-ийн ирээдүйн томоохон үйлдвэржилтийн гол цөм юм.
Цахилгаан химийн шинж чанарын ялгааны үүднээс цахиурын карбидын субстратын материалыг дамжуулагч субстрат (эсэргүүцлийн бүс 15~30мΩ·см) болон хагас тусгаарлагдсан субстрат (эсэргүүцэл 105Ω·см-ээс их) гэж хувааж болно. Эдгээр хоёр төрлийн субстратыг эпитаксиаль өсөлтийн дараа цахилгаан төхөөрөмж, радио давтамжийн төхөөрөмж гэх мэт салангид төхөөрөмжүүдийг үйлдвэрлэхэд ашигладаг. Тэдгээрийн дотроос хагас дулаалгатай цахиурын карбидын субстратыг голчлон галлийн нитридын RF төхөөрөмж, фотоэлектрик төхөөрөмж гэх мэт үйлдвэрлэлд ашигладаг. Хагас дулаалгатай SIC субстрат дээр ган эпитаксиаль давхаргыг ургуулах замаар sic эпитаксиаль хавтанг бэлтгэж, цаашид HEMT gan изо-нитридийн RF төхөөрөмж болгон бэлтгэх боломжтой. Дамжуулагч цахиурын карбидын субстратыг цахилгаан төхөөрөмж үйлдвэрлэхэд голчлон ашигладаг. Уламжлалт цахиурын цахилгаан төхөөрөмж үйлдвэрлэх процессоос ялгаатай нь цахиурын карбидын цахилгаан төхөөрөмжийг цахиурын карбидын субстрат дээр шууд хийх боломжгүй, цахиурын карбидын эпитаксиаль давхаргыг дамжуулагч субстрат дээр ургуулж, цахиурын карбидын эпитаксиаль хавтанг авах шаардлагатай. давхарга нь Schottky диод, MOSFET, IGBT болон бусад цахилгаан төхөөрөмж дээр үйлдвэрлэгддэг.
Цахиур карбидын нунтагыг өндөр цэвэршилттэй нүүрстөрөгчийн нунтаг болон өндөр цэвэршилттэй цахиурын нунтагаас нийлэгжүүлж, янз бүрийн хэмжээтэй цахиурын карбидын ембүүг тусгай температурын нөхцөлд ургуулж, дараа нь олон төрлийн боловсруулалтын явцад цахиур карбидын субстратыг гаргаж авсан. Үндсэн үйл явц нь дараахь зүйлийг агуулна.
Түүхий эдийн нийлэгжилт: Өндөр цэвэршилттэй цахиурын нунтаг + хорыг томъёоны дагуу хольж, урвалын камерт 2000°С-аас дээш өндөр температурт урвалыг явуулж, тодорхой болор төрөл, тоосонцор бүхий цахиурын карбидын тоосонцорыг нэгтгэнэ. хэмжээ. Дараа нь бутлах, шигших, цэвэрлэх болон бусад процессоор дамжуулан өндөр цэвэршилттэй цахиурын карбидын нунтаг түүхий эдэд тавигдах шаардлагыг хангана.
Кристал өсөлт нь цахиурын карбидын субстратын цахилгаан шинж чанарыг тодорхойлдог цахиурын карбидын субстратын үйлдвэрлэлийн үндсэн процесс юм. Одоогийн байдлаар болор өсөлтийн гол аргууд нь физик уур дамжуулах (PVT), өндөр температурт химийн уурын хуримтлал (HT-CVD) болон шингэн фазын эпитакси (LPE) юм. Тэдгээрийн дотроос PVT арга нь SiC субстратыг арилжааны аргаар өсгөх гол арга бөгөөд техникийн хамгийн өндөр төлөвшилтэй, инженерчлэлд хамгийн өргөн хэрэглэгддэг.
SiC субстратыг бэлтгэх нь хэцүү бөгөөд энэ нь өндөр үнэд хүргэдэг
Температурын талбайн хяналтад хэцүү байдаг: Si болор саваа ургах нь зөвхөн 1500 ℃ байхад SiC болор савааг 2000 ℃-аас дээш өндөр температурт ургуулах шаардлагатай бөгөөд 250 гаруй SiC изомерууд байдаг боловч үндсэн 4H-SiC нэг талст бүтэц нь эрчим хүчний төхөөрөмжүүдийн үйлдвэрлэл, хэрэв нарийн хяналтгүй бол бусад болор бүтцийг олж авах болно. Түүнчлэн тигель дэх температурын градиент нь SiC сублимацын шилжилтийн хурд болон талст интерфейс дээрх хийн атомуудын зохион байгуулалт, өсөлтийн горимыг тодорхойлдог бөгөөд энэ нь болорын өсөлтийн хурд, талст чанарт нөлөөлдөг тул системчилсэн температурын талбарыг бүрдүүлэх шаардлагатай. хяналтын технологи. Si материалтай харьцуулахад SiC үйлдвэрлэлийн ялгаа нь өндөр температурт ион суулгах, өндөр температурт исэлдүүлэх, өндөр температурт идэвхжүүлэх, эдгээр өндөр температурт процесст шаардагдах хатуу маск зэрэг өндөр температурт үйл явц юм.
Удаан болор өсөлт: Si болор бариулын өсөлтийн хурд 30 ~ 150мм / ц хүрч, 1-3м цахиурын болор саваа үйлдвэрлэхэд ердөө 1 хоног зарцуулдаг; Жишээ нь PVT аргатай SiC болор саваа, өсөлтийн хурд нь ойролцоогоор 0.2-0.4мм / цаг, 7 хоног 3-6 см-ээс бага ургадаг, өсөлтийн хурд нь цахиурын материалын 1% -иас бага, үйлдвэрлэлийн хүчин чадал нь маш өндөр байдаг. хязгаарлагдмал.
Бүтээгдэхүүний өндөр үзүүлэлт, бага гарц: SiC субстратын үндсэн үзүүлэлтүүд нь бичил гуурсан хоолойн нягтрал, мултрах нягтрал, эсэргүүцэл, эвдрэл, гадаргуугийн барзгар байдал гэх мэт. Энэ нь өндөр температурт хаалттай камерт атомуудыг байрлуулж, талст ургалтыг бүрэн гүйцэд хийх цогц системийн инженерчлэл юм. параметрийн индексийг хянах үед.
Материал нь өндөр хатуулагтай, хэврэгшил ихтэй, зүсэх хугацаа урт, элэгдэл ихтэй: SiC Mohs хатуулаг нь 9.25 нь алмазын дараа ордог бөгөөд энэ нь зүсэх, нунтаглах, өнгөлөхөд ихээхэн хүндрэл учруулдаг бөгөөд энэ нь ойролцоогоор 120 цаг зарцуулдаг. 3 см зузаантай ембүүгээс 35-40 ширхэг зүснэ. Нэмж дурдахад, SiC-ийн өндөр хэврэг байдлаас шалтгаалан вафель боловсруулах элэгдэл илүү их байх ба гаралтын харьцаа ердөө 60% байна.
Хөгжлийн чиг хандлага: Хэмжээ өсөх + үнэ буурах
Дэлхийн SiC зах зээлийн 6 инчийн эзэлхүүнтэй үйлдвэрлэлийн шугам төлөвшиж, тэргүүлэгч компаниуд 8 инчийн зах зээлд нэвтэрч байна. Дотоодын хөгжлийн төслүүд нь ихэвчлэн 6 инч байдаг. Одоогийн байдлаар дотоодын ихэнх компаниуд 4 инчийн үйлдвэрлэлийн шугам дээр суурилсаар байгаа хэдий ч салбар нь аажмаар 6 инч хүртэл өргөжин тэлж, 6 инчийн дэмжих тоног төхөөрөмжийн технологийн төлөвшлийн дагуу дотоодын SiC субстрат технологи нь эдийн засгийг аажмаар сайжруулж байна. томоохон хэмжээний үйлдвэрлэлийн шугамын цар хүрээг тусгах бөгөөд одоогийн дотоодын 6 инчийн масс үйлдвэрлэх хугацааны зөрүү 7 жил болж багассан. Өргөст ялтсын хэмжээ ихсэх нь дан чипний тоог нэмэгдүүлж, гарцын хэмжээг сайжруулж, захын чипний эзлэх хувийг бууруулж, судалгаа, боловсруулалтын зардал, ургацын алдагдал 7 орчим хувьтай байх ба ингэснээр өрмөнцөрт сайжирна. ашиглалт.
Төхөөрөмжийн дизайн хийхэд олон бэрхшээл байсаар байна
SiC диодыг арилжаалах нь аажмаар сайжирч, одоогийн байдлаар дотоодын хэд хэдэн үйлдвэрлэгчид SiC SBD бүтээгдэхүүнийг зохион бүтээсэн, дунд болон өндөр хүчдэлийн SiC SBD бүтээгдэхүүнүүд сайн тогтвортой, тээврийн хэрэгслийн OBC, SiC SBD + SI IGBT ашиглан тогтвортой байдалд хүрч байна. одоогийн нягт. Одоогийн байдлаар БНХАУ-д SiC SBD бүтээгдэхүүний патентын загварт ямар ч саад бэрхшээл байхгүй, гадаад орнуудтай зөрүү бага байна.
SiC MOS нь олон бэрхшээлтэй хэвээр байгаа бөгөөд SiC MOS болон гадаадын үйлдвэрлэгчдийн хооронд ялгаа байсаар байгаа бөгөөд холбогдох үйлдвэрлэлийн платформ баригдаж байна. Одоогийн байдлаар ST, Infineon, Rohm болон бусад 600-1700V SiC MOS үйлдвэрүүд олноор үйлдвэрлэгдэж, олон үйлдвэрлэлийн үйлдвэрүүдтэй гэрээ байгуулж, нийлүүлсэн бол одоогийн дотоодын SiC MOS загвар үндсэндээ дуусч, хэд хэдэн загвар үйлдвэрлэгчид үйлдвэрүүдтэй хамтран ажиллаж байна. өрмөнцөрийн урсгалын үе шат, дараа нь үйлчлүүлэгчийн баталгаажуулалтад багагүй хугацаа шаардагддаг тул томоохон хэмжээний арилжаанд оруулахад нэлээд хугацаа үлдсэн байна.
Одоогийн байдлаар хавтгай бүтэц нь үндсэн сонголт бөгөөд шуудууны төрлийг ирээдүйд өндөр даралтын талбайд өргөнөөр ашиглах болно. Хавтгай бүтэц SiC MOS үйлдвэрлэгчид олон байдаг, хавтгай бүтэц нь ховилтой харьцуулахад орон нутгийн эвдрэлийн асуудал үүсгэхэд хялбар биш, ажлын тогтвортой байдалд нөлөөлдөг, зах зээл дээр 1200 В-оос доош хүчдэл нь өргөн хүрээний хэрэглээний үнэ цэнэтэй, хавтгай бүтэц нь харьцангуй Үйлдвэрлэлийн төгсгөлд энгийн бөгөөд үйлдвэрлэх чадвар, зардлын хяналтын хоёр талыг хангах. Ховилын төхөөрөмж нь маш бага шимэгчийн индукц, хурдан шилжих хурд, алдагдал багатай, харьцангуй өндөр үзүүлэлттэй давуу талтай.
2--SiC өрмөнцөрийн мэдээ
Цахиурын карбидын зах зээлийн үйлдвэрлэл, борлуулалтын өсөлт, эрэлт, нийлүүлэлтийн бүтцийн тэнцвэргүй байдалд анхаарлаа хандуулаарай
Өндөр давтамжийн болон өндөр хүчин чадалтай цахилгаан хэрэгслийн зах зээлийн эрэлт хэрэгцээ хурдацтай өсөхийн хэрээр цахиурт суурилсан хагас дамжуулагч төхөөрөмжүүдийн физик хязгаарлагдмал бөглөрөл аажмаар мэдэгдэхүйц болж, цахиурын карбид (SiC) -ээр илэрхийлэгддэг гурав дахь үеийн хагас дамжуулагч материалууд аажмаар нэмэгдэж байна. үйлдвэржсэн болно. Материалын гүйцэтгэлийн үүднээс авч үзвэл цахиурын карбид нь цахиурын материалаас 3 дахин их зурвасын өргөн, 10 дахин чухал задралын цахилгаан талбайн хүч, 3 дахин их дулаан дамжилтын илтгэлцүүртэй тул цахиур карбидын цахилгаан төхөөрөмж нь өндөр давтамж, өндөр даралт, өндөр температур болон бусад хэрэглээ нь цахилгаан эрчим хүчний электрон системийн үр ашиг, эрчим хүчний нягтралыг сайжруулахад тусалдаг.
Одоогийн байдлаар SiC диодууд болон SiC MOSFET-ууд аажмаар зах зээлд шилжиж, илүү боловсронгуй бүтээгдэхүүнүүд байдаг бөгөөд тэдгээрийн дотор SiC диодууд нь урвуу нөхөн сэргээх цэнэгийн давуу талгүй тул зарим салбарт цахиурт суурилсан диодуудын оронд өргөн хэрэглэгддэг; SiC MOSFET нь автомашин, эрчим хүч хадгалах, цэнэглэх овоо, фотоволтайк болон бусад салбарт аажмаар ашиглагддаг; Автомашины хэрэглээний салбарт модульчлах хандлага улам бүр нэмэгдэж байгаа тул SiC-ийн өндөр гүйцэтгэл нь техникийн хувьд харьцангуй боловсорч гүйцсэн бүрхүүлийн битүүмжлэлийг үндсэн урсгал, ирээдүйд эсвэл хуванцар битүүмжлэлийн хөгжилд хүрэхийн тулд дэвшилтэт савлагааны процесст найдах шаардлагатай байна. , түүний тохируулсан хөгжүүлэлтийн шинж чанар нь SiC модулиудад илүү тохиромжтой.
Цахиурын карбидын үнэ буурах хурд эсвэл төсөөлөхөөс давсан
Цахиурын карбидын төхөөрөмжүүдийн хэрэглээ нь ихэвчлэн өндөр өртөгөөр хязгаарлагддаг бөгөөд ижил түвшний SiC MOSFET үнэ нь Si дээр суурилсан IGBT-ээс 4 дахин өндөр байдаг, учир нь цахиурын карбидын үйл явц нь нарийн төвөгтэй бөгөөд өсөлт нь нэмэгддэг. дан болор ба эпитаксиаль нь хүрээлэн буй орчинд хор хөнөөлтэй төдийгүй өсөлтийн хурд нь удаан бөгөөд субстрат руу дан болор боловсруулалт нь зүсэх, өнгөлөх процессоор дамжих ёстой. Өөрийн материалын шинж чанар, боловсорч гүйцээгүй боловсруулалтын технологид үндэслэн дотоодын субстратын гарц нь 50% -иас бага байдаг бөгөөд янз бүрийн хүчин зүйлүүд нь субстрат болон эпитаксийн үнийг өндөр түвшинд хүргэдэг.
Гэсэн хэдий ч цахиурын карбидын төхөөрөмж ба цахиурт суурилсан төхөөрөмжүүдийн зардлын найрлага нь огт эсрэгээрээ, урд талын сувгийн субстрат ба эпитаксиаль зардал нь нийт төхөөрөмжийн 47% ба 23%, нийт 70 орчим хувийг эзэлж, төхөөрөмжийн дизайн, үйлдвэрлэл. ба арын сувгийн битүүмжлэх холбоосууд нь ердөө 30% -ийг эзэлдэг бөгөөд цахиурт суурилсан төхөөрөмжүүдийн үйлдвэрлэлийн өртөг нь голчлон хавтан дээр төвлөрдөг. арын сувгийн үйлдвэрлэл 50 орчим хувь, субстратын зардал ердөө 7 хувийг эзэлдэг. Цахиурын карбидын үйлдвэрлэлийн гинжин хэлхээний үнэ цэнийн үзэгдэл нь дээд талын субстратын эпитакси үйлдвэрлэгчид ярих үндсэн эрхтэй бөгөөд энэ нь дотоод, гадаадын аж ахуйн нэгжүүдийн зохион байгуулалтын гол түлхүүр юм.
Зах зээл дээрх динамик үүднээс авч үзвэл цахиурын карбидын өртөгийг бууруулах нь цахиурын карбидын урт талст, зүсэх процессыг сайжруулахаас гадна талст хавтангийн хэмжээг өргөжүүлэх явдал бөгөөд энэ нь өнгөрсөн хугацаанд хагас дамжуулагчийн хөгжлийн төлөвшсөн зам юм. Wolfspeed-ийн өгөгдөл нь цахиурын карбидын субстратыг 6 инчээс 8 инч хүртэл сайжруулснаар мэргэшсэн чипний үйлдвэрлэл нэмэгдэх боломжтойг харуулж байна. 80%-90%, ургацыг сайжруулахад тусална. Нэгжийн өртгийг 50%-иар бууруулах боломжтой.
2023 оныг "8 инчийн SiC эхний жил" гэж нэрлэдэг бөгөөд энэ жил дотоодын болон гадаадын цахиурын карбидын үйлдвэрлэгчид 8 инчийн цахиурын карбидын зохион байгуулалтыг хурдасгаж байна, тухайлбал Wolfspeed цахиурын карбидын үйлдвэрлэлийг өргөжүүлэхэд зориулж 14.55 тэрбум ам.долларын хөрөнгө оруулалт хийсэн, Үүний чухал хэсэг нь 8 инчийн SiC субстрат үйлдвэрлэх үйлдвэр барих явдал юм. Хэд хэдэн компанид 200 мм SiC нүцгэн металл; Дотоодын Tianyue Advanced болон Tianke Heda нар ирээдүйд 8 инчийн цахиурын карбидын субстрат нийлүүлэх урт хугацааны гэрээнд Infineon-тэй гарын үсэг зурсан.
Энэ жилээс эхлэн цахиурын карбид 6 инчээс 8 инч хүртэл хурдасна. Wolfspeed 2024 он гэхэд 8 инчийн субстратын нэгж чипний өртөгийг 2022 онд 6 инчийн субстратын нэгж чипийн өртөгтэй харьцуулахад 60 гаруй хувиар буурна гэж Wolfspeed найдаж байна. , зардлын бууралт нь хэрэглээний зах зээлийг цаашид нээх болно гэж Ji Bond Consulting судалгааны тоо баримт онцолжээ. Одоогийн байдлаар 8 инчийн бүтээгдэхүүний зах зээлд эзлэх хувь 2% хүрэхгүй байгаа бөгөөд 2026 он гэхэд зах зээлийн эзлэх хувь ойролцоогоор 15% хүртэл өсөх төлөвтэй байна.
Үнэн хэрэгтээ, цахиурын карбидын субстратын үнийн бууралтын хурд нь олон хүний төсөөллөөс давж магадгүй, одоогийн зах зээлийн санал болгож буй 6 инчийн субстрат 4000-5000 юань/ширхэг, оны эхэн үетэй харьцуулахад маш их буурсан байна. Ирэх жил 4000 юаниас доош унах төлөвтэй байгаа тул зарим үйлдвэрлэгчид анхны зах зээлд гарахын тулд борлуулалтын үнийг зардлын шугам болгон бууруулсныг тэмдэглэх нь зүйтэй. доор, Үнийн дайны загварыг нээсэн, голчлон цахиурын карбидын субстратын нийлүүлэлт бага хүчдэлийн салбарт харьцангуй хангалттай байсан, дотоодын болон гадаадын үйлдвэрлэгчид үйлдвэрлэлийн хүчин чадлыг эрчимтэй өргөжүүлж байна, эсвэл цахиурын карбидын субстратын илүүдэл нийлүүлэлтийн үе шатыг төсөөлж байснаас эрт зөвшөөрөв. .
Шуудангийн цаг: 2024 оны 1-р сарын 19-ний хооронд