炭化ケイ素の紹介
炭化ケイ素 (SiC) は炭素とケイ素で構成される化合物半導体材料であり、高温、高周波、高出力、高電圧のデバイスを製造するのに理想的な材料の 1 つです。従来のシリコン材料（Si）と比較して、炭化ケイ素のバンドギャップはシリコンの3倍です。熱伝導率はシリコンの4〜5倍です。降伏電圧はシリコンの 8 ～ 10 倍です。電子飽和ドリフト率はシリコンの 2 ～ 3 倍であり、高出力、高電圧、高周波に対する現代産業のニーズを満たしています。主に高速、高周波、高出力、発光電子部品の製造に使用されます。下流の応用分野には、スマートグリッド、新エネルギー自動車、太陽光発電、風力発電、5G通信などが含まれます。炭化ケイ素ダイオードやMOSFETが商業的に応用されています。
高温耐性。炭化ケイ素のバンドギャップ幅はシリコンの2〜3倍で、電子は高温でも遷移しにくく、より高い動作温度に耐えることができ、炭化ケイ素の熱伝導率はシリコンの4〜5倍です。デバイスの熱放散が容易になり、限界動作温度が高くなります。高温耐性により、電力密度が大幅に向上すると同時に、冷却システムの要件が軽減され、端末の軽量化と小型化が実現します。
高圧に耐えます。炭化ケイ素の破壊電界強度はシリコンの 10 倍であり、より高い電圧に耐えることができ、高電圧デバイスにより適しています。
高周波耐性。炭化ケイ素はシリコンの2倍の飽和電子ドリフト率を持っているため、シャットダウンプロセス中の電流のテーリングがなくなり、デバイスのスイッチング周波数を効果的に向上させ、デバイスの小型化を実現できます。
エネルギー損失が少ない。シリコン材料と比較して、炭化ケイ素は非常に低いオン抵抗と低いオン損失を持っています。同時に、炭化ケイ素の高いバンドギャップ幅により、漏れ電流と電力損失が大幅に減少します。さらに、炭化ケイ素デバイスはシャットダウンプロセス中に電流トレーリング現象がなく、スイッチング損失が低いです。
炭化ケイ素産業チェーン
主に基板、エピタキシー、デバイス設計、製造、封止などが含まれます。炭化ケイ素は材料から半導体パワーデバイスまで、単結晶成長、インゴットのスライス、エピタキシャル成長、ウェーハ設計、製造、パッケージングなどのプロセスを経ます。炭化珪素粉末を合成した後、まず炭化珪素インゴットを作製し、スライス、研削、研磨により炭化珪素基板を得、エピタキシャル成長によりエピタキシャルシートを得る。エピタキシャルウェーハは、リソグラフィー、エッチング、イオン注入、金属パッシベーションなどのプロセスを経て炭化ケイ素から作られ、ウェーハをダイに切断し、デバイスをパッケージングし、デバイスを専用のシェルに組み合わせてモジュールに組み立てます。
産業チェーンの上流 1: 基板 - 結晶成長がコアプロセスリンクです
炭化ケイ素基板は炭化ケイ素デバイスのコストの約47％を占め、製造技術上の障壁が最も高く、最大の価値があり、将来の大規模なSiC工業化の中核となる。
炭化珪素基板材料は電気化学的特性の違いの観点から、導電性基板（抵抗率15～30mΩ・cm領域）と半絶縁性基板（抵抗率105Ω・cm以上）に分けられます。これら 2 種類の基板は、エピタキシャル成長後にそれぞれパワーデバイスや高周波デバイスなどのディスクリートデバイスを製造するために使用されます。このうち、半絶縁炭化ケイ素基板は主に窒化ガリウムRFデバイスや光電デバイスなどの製造に使用されます。半絶縁 SIC 基板上に gan エピタキシャル層を成長させることにより、SIC エピタキシャル プレートが準備され、さらに HEMT gan 等窒化物 RF デバイスを作製することができます。導電性炭化ケイ素基板は主にパワーデバイスの製造に使用されます。従来のシリコンパワーデバイスの製造プロセスとは異なり、炭化ケイ素パワーデバイスは炭化ケイ素基板上に直接作製することができず、炭化ケイ素エピタキシャルシートを得るには導電性基板上に炭化ケイ素エピタキシャル層を成長させる必要があり、エピタキシャルこの層は、ショットキー ダイオード、MOSFET、IGBT、その他のパワー デバイス上に製造されます。
炭化ケイ素粉末は高純度炭素粉末と高純度シリコン粉末から合成され、さまざまなサイズの炭化ケイ素インゴットが特殊な温度場で成長し、複数の処理プロセスを経て炭化ケイ素基板が製造されました。コアプロセスには以下が含まれます。
原料合成：高純度シリコン粉末とトナーを配合に従って混合し、反応室内で2000℃以上の高温条件下で反応を行い、特定の結晶型と粒子を有する炭化ケイ素粒子を合成します。サイズ。その後、粉砕、選別、洗浄などのプロセスを経て、高純度の炭化ケイ素粉末原料の要件を満たします。
結晶成長は炭化珪素基板製造の中核プロセスであり、炭化珪素基板の電気的特性を決定します。現在、結晶成長の主な方法は、物理気相輸送 (PVT)、高温化学気相成長 (HT-CVD)、および液相エピタキシー (LPE) です。その中で、PVT 法は現在商業的に SiC 基板を成長させる主流の方法であり、技術的には最も成熟しており、工学的に最も広く使用されています。
SiC基板の作製が難しく、価格が高い
温度場の制御は困難です。Si 結晶ロッドの成長には 1500℃しか必要ありませんが、SiC 結晶ロッドの成長には 2000℃以上の高温が必要です。SiC 異性体には 250 以上ありますが、主な 4H-SiC 単結晶構造はパワーデバイスの製造では、正確な制御が行われない場合でも、他の結晶構造が得られます。また、るつぼ内の温度勾配は、SiCの昇華移動速度や結晶界面でのガス原子の配置や成長モードを決定し、結晶成長速度や結晶品質に影響を与えるため、体系的な温度場を形成する必要があります。制御技術。 Si 材料と比較すると、SiC の製造における違いは、高温イオン注入、高温酸化、高温活性化などの高温プロセス、およびこれらの高温プロセスに必要なハードマスク プロセスにもあります。
遅い結晶成長：Si結晶ロッドの成長速度は30〜150mm/hに達し、1〜3mのシリコン結晶ロッドの生産には約1日しかかかりません。例として、PVT 法による SiC 結晶ロッド、成長速度は約 0.2 ～ 0.4 mm/h、3 ～ 6 cm 未満まで成長するのに 7 日、成長速度はシリコン材料の 1% 未満、生産能力は非常に高い限定。
高い製品パラメータと低い収率: SiC 基板の中核となるパラメータには、微小管密度、転位密度、抵抗率、反り、表面粗さなどが含まれます。密閉された高温チャンバー内で原子を配置し、結晶成長を完了するには複雑なシステムエンジニアリングが必要です。パラメータインデックスを制御しながら。
この材料は高硬度、高脆性、長い切削時間、高い摩耗を特徴としています。SiC モース硬度 9.25 はダイヤモンドに次ぐ硬度であり、これにより切削、研削、研磨の難易度が大幅に上昇し、切削加工には約 120 時間かかります。厚さ3cmのインゴットを35～40個切り出します。また、SiCは脆性が高いため、ウェーハ加工時の摩耗が多くなり、生産率は60％程度にとどまります。
開発傾向：大型化＋低価格化
世界のSiC市場の6インチ量産ラインは成熟しており、大手企業が8インチ市場に参入している。国内開発案件は6インチが中心。現在、ほとんどの国内企業はまだ 4 インチの生産ラインに基づいていますが、業界は徐々に 6 インチに拡大しており、6 インチのサポート機器技術の成熟に伴い、国産の SiC 基板技術も徐々に経済を改善しています。大型生産ラインの規模が反映され、現在の国内6インチ量産期間の差は7年に縮まった。ウェーハサイズが大きくなると、単一チップの数が増加し、歩留まりが向上し、エッジチップの割合が減少するため、研究開発コストと歩留り損失が約 7% に維持され、ウェーハの品質が向上します。利用。
デバイス設計にはまだ多くの困難があります
SiCダイオードの商品化は徐々に改善されており、現在、多くの国内メーカーがSiC SBD製品を設計しています。中電圧および高電圧のSiC SBD製品は安定性が高く、車両OBCではSiC SBD+SI IGBTを使用して安定性を実現しています。電流密度。現在、中国におけるSiC SBD製品の特許設計に障壁はなく、海外との差は小さい。
SiC MOSにはまだ多くの困難があり、SiC MOSと海外メーカーとの間には依然としてギャップがあり、関連する製造プラットフォームはまだ構築中です。現在、ST、インフィニオン、ロームなどの 600-1700V SiC MOS は量産を達成し、多くの製造業と契約して出荷されています。現在の国内の SiC MOS 設計は基本的に完了しており、多くの設計メーカーが国内のファブと協力しています。ウェハフロー段階、その後の顧客検証などにまだ時間がかかるため、大規模な商用化にはまだ時間がかかる。
現在はプレーナ構造が主流ですが、将来的には高圧分野ではトレンチ型が広く使用されます。プレーナ構造のSiC MOSメーカーは数多くありますが、プレーナ構造は溝に比べて局所的な破壊問題が発生しにくく、作業の安定性に影響します。1200V以下の市場では応用価値が広く、プレーナ構造は比較的生産性とコスト管理の 2 つの側面を満たすために、製造側でのシンプルな設計が可能です。グルーブデバイスには、寄生インダクタンスが極めて低く、スイッチング速度が速く、損失が少なく、比較的高性能であるという利点があります。
2--SiCウェーハニュース
炭化ケイ素市場の生産と販売の成長、需要と供給の構造的な不均衡に注意
高周波・高出力パワーエレクトロニクスの市場需要の急速な成長に伴い、シリコンベースの半導体デバイスの物理的限界ボトルネックが徐々に顕在化し、炭化ケイ素（SiC）に代表される第3世代半導体材料が徐々に登場してきました。工業化される。材料性能の観点から見ると、炭化ケイ素はシリコン材料のバンドギャップ幅が 3 倍、臨界破壊電界強度が 10 倍、熱伝導率が 3 倍であるため、炭化ケイ素パワーデバイスは高周波、高圧、高温およびその他のアプリケーションでの使用は、パワー エレクトロニクス システムの効率と電力密度の向上に役立ちます。
現在、SiC ダイオードと SiC MOSFET は徐々に市場に投入されており、より成熟した製品が存在します。その中で、SiC ダイオードは、逆回復電荷の利点がないため、一部の分野ではシリコンベースのダイオードの代わりに広く使用されています。 SiC MOSFET は、自動車、エネルギー貯蔵、充電パイル、太陽光発電などの分野でも徐々に使用されています。自動車用途の分野では、モジュール化の傾向がますます顕著になってきており、SiCの優れた性能を実現するには、技術的には比較的成熟したシェルシーリングが主流となり、将来またはプラスチックシーリングの開発に依存する必要があります。 、そのカスタマイズされた開発特性は、SiC モジュールにより適しています。
炭化ケイ素の価格下落スピードが想像以上
炭化ケイ素デバイスの用途は、主に高コストによって制限されています。同レベルのSiC MOSFETの価格は、SiベースのIGBTの価格の4倍です。これは、炭化ケイ素のプロセスが複雑であり、成長が複雑であるためです。単結晶とエピタキシャルは環境に厳しいだけでなく、成長速度が遅く、単結晶を基板に加工するには切断と研磨のプロセスを経る必要があります。独自の材料特性と未熟な加工技術により、国産基板の歩留まりは50%未満であり、さまざまな要因により基板価格やエピタキシャル価格が高騰しています。
ただし、炭化ケイ素デバイスとシリコンベースのデバイスのコスト構成は正反対で、フロントチャネルの基板コストとエピタキシャルコストがそれぞれデバイス全体の47%と23%、合計約70%を占め、デバイスの設計、製造にかかるコストが異なります。バックチャネルのシーリングリンクはわずか30％を占め、シリコンベースのデバイスの製造コストは主にバックチャネルのウェハ製造に約50％集中し、基板コストはわずか7％を占めます。炭化ケイ素産業チェーンの価値がひっくり返る現象は、上流の基板エピタキシーメーカーが中核的な発言権を持っていることを意味し、これが国内外の企業配置の鍵となる。
市場のダイナミックな観点から見ると、炭化ケイ素のコストを削減することは、炭化ケイ素の長結晶とスライスプロセスを改善することに加えて、ウェーハサイズを拡大することであり、これは過去の半導体開発の成熟した道でもあります。 Wolfspeed のデータによると、炭化ケイ素基板が 6 インチから 8 インチにアップグレードされると、認定チップの生産量が 80% ～ 90% 増加し、歩留まりの向上に役立つことが示されています。合計単価を50％削減できます。
2023年は「8インチSiC元年」として知られており、今年はウルフスピード社が炭化ケイ素の生産拡大に145億5,000万ドルという狂気の投資を行うなど、国内外の炭化ケイ素メーカーが8インチ炭化ケイ素のレイアウトを加速させており、その重要な部分は、多くの企業への200 mm SiCベアメタルの将来の供給を確実にするための8インチSiC基板製造プラントの建設です。国内のTianyue AdvancedとTianke Hedaも、将来的に8インチの炭化ケイ素基板を供給するため、インフィニオンと長期契約を締結した。
今年から炭化ケイ素は6インチから8インチへと加速し、2024年までに8インチ基板のチップ単価は2022年の6インチ基板のチップ単価と比較して60%以上削減されるとWolfspeedは予想している、そしてコストの低下によりアプリケーション市場がさらに開放されると、Ji Bond Consultingの調査データは指摘しています。現在、8インチ製品の市場シェアは2%未満ですが、2026年までに市場シェアは約15%に拡大すると予想されています。
実際、炭化ケイ素基板の価格下落率は多くの人々の想像を超えている可能性があり、現在の6インチ基板の市場価格は4000～5000元/枚で、年初に比べて大幅に下落している。来年は4000元を下回ると予想されているが、一部のメーカーが最初の市場を獲得するために、販売価格を以下のコストラインまで引き下げ、主にシリコンに集中する価格競争のモデルをオープンにしたことは注目に値する低電圧分野における炭化珪素基板の供給は比較的十分であり、国内外のメーカーが積極的に生産能力を拡大しており、想定よりも早く炭化珪素基板の供給過剰状態に陥っている。
投稿日時: 2024 年 1 月 19 日