탄화규소 소개
탄화규소(SiC)는 탄소와 실리콘으로 구성된 화합물 반도체 소재로, 고온, 고주파, 고전력 및 고전압 소자 제작에 이상적인 소재 중 하나입니다. 기존 실리콘 소재(Si)와 비교했을 때, 탄화규소의 밴드갭은 실리콘의 3배입니다. 열전도도는 실리콘의 4~5배, 항복 전압은 실리콘의 8~10배, 전자 포화 드리프트율은 실리콘의 2~3배로, 현대 산업의 고전력, 고전압 및 고주파 요구를 충족합니다. 주로 고속, 고주파, 고전력 및 발광 전자 부품 생산에 사용됩니다. 후속 응용 분야로는 스마트 그리드, 신에너지 자동차, 태양광 풍력 발전, 5G 통신 등이 있습니다. 탄화규소 다이오드와 MOSFET이 상업적으로 적용되었습니다.
고온 저항성. 탄화규소의 밴드갭 폭은 실리콘의 2~3배이며, 고온에서 전자가 쉽게 전이되지 않아 더 높은 작동 온도를 견딜 수 있습니다. 탄화규소의 열전도도는 실리콘의 4~5배로, 소자의 방열을 용이하게 하고 작동 한계 온도를 높여줍니다. 고온 저항성은 전력 밀도를 크게 높이는 동시에 냉각 시스템 요구 사항을 줄여 단말기를 더 가볍고 작게 만들 수 있습니다.
고압을 견딥니다. 탄화규소의 파괴 전계 강도는 실리콘의 10배로, 더 높은 전압을 견딜 수 있어 고전압 장치에 더 적합합니다.
고주파 저항. 실리콘 카바이드는 실리콘의 두 배에 달하는 포화 전자 드리프트율을 가지고 있어 셧다운 과정에서 전류 테일링 현상이 발생하지 않아 소자의 스위칭 주파수를 효과적으로 향상시키고 소자의 소형화를 실현할 수 있습니다.
낮은 에너지 손실. 실리콘 소재에 비해 실리콘 카바이드는 매우 낮은 온 저항과 낮은 온 손실을 가지고 있습니다. 동시에, 실리콘 카바이드의 높은 밴드갭 폭은 누설 전류와 전력 손실을 크게 줄입니다. 또한, 실리콘 카바이드 소자는 셧다운 과정에서 전류 후행 현상이 발생하지 않으며 스위칭 손실도 낮습니다.
탄화규소 산업 사슬
주로 기판, 에피택시, 소자 설계, 제조, 밀봉 등을 포함합니다. 탄화규소는 반도체 전력 소자의 재료로서 단결정 성장, 잉곳 슬라이싱, 에피택셜 성장, 웨이퍼 설계, 제조, 패키징 등의 공정을 거칩니다. 탄화규소 분말을 합성한 후, 탄화규소 잉곳을 먼저 제작하고, 슬라이싱, 연삭, 연마 공정을 거쳐 탄화규소 기판을 얻은 후, 에피택셜 성장을 통해 에피택셜 시트를 얻습니다. 에피택셜 웨이퍼는 리소그래피, 에칭, 이온 주입, 금속 패시베이션 등의 공정을 통해 탄화규소로 제작됩니다. 웨이퍼를 다이(die)로 절단하고, 소자를 패키징한 후, 특수 쉘(shell)에 결합하여 모듈로 조립합니다.
산업 체인 1의 상류: 기판 - 결정 성장은 핵심 공정 링크입니다.
탄화규소 기판은 탄화규소 소자 비용의 약 47%를 차지하며, 제조 기술 장벽이 가장 높고 가치가 가장 크며, SiC의 미래 대규모 산업화의 핵심입니다.
전기화학적 특성 차이의 관점에서, 탄화규소 기판 재료는 전도성 기판(저항률 영역 15~30mΩ·cm)과 반절연성 기판(저항률 105Ω·cm 이상)으로 구분할 수 있습니다. 이 두 종류의 기판은 에피택셜 성장 후 각각 전력 소자 및 무선 주파수 소자와 같은 개별 소자를 제조하는 데 사용됩니다. 이 중 반절연성 탄화규소 기판은 주로 질화갈륨 RF 소자, 광전 소자 등의 제조에 사용됩니다. 반절연성 탄화규소 기판에 에피택셜층을 성장시켜 탄화규소 에피택셜판을 제조하고, 이를 HEMT(질화갈륨) 또는 이소질화물 RF 소자로 제조할 수 있습니다. 전도성 탄화규소 기판은 주로 전력 소자 제조에 사용됩니다. 기존의 실리콘 전력 소자 제조 공정과 달리, 실리콘 카바이드 전력 소자는 실리콘 카바이드 기판에 직접 제작할 수 없으며, 실리콘 카바이드 에피택셜층을 전도성 기판에 성장시켜 실리콘 카바이드 에피택셜 시트를 얻어야 하며, 에피택셜층은 쇼트키 다이오드, MOSFET, IGBT 및 기타 전력 소자에 제조됩니다.
고순도 탄소 분말과 고순도 실리콘 분말을 이용하여 탄화규소 분말을 합성하고, 특수 온도장에서 다양한 크기의 탄화규소 잉곳을 성장시킨 후, 여러 공정을 거쳐 탄화규소 기판을 제작했습니다. 핵심 공정은 다음과 같습니다.
원료 합성: 고순도 실리콘 분말 + 토너를 배합법에 따라 혼합하고, 2000°C 이상의 고온 반응 챔버에서 반응을 진행하여 특정 결정형 및 입자 크기를 갖는 탄화규소 입자를 합성합니다. 이후 파쇄, 선별, 세정 등의 공정을 거쳐 고순도 탄화규소 분말 원료의 요건을 충족합니다.
결정 성장은 탄화규소 기판 제조의 핵심 공정으로, 탄화규소 기판의 전기적 특성을 결정합니다. 현재 주요 결정 성장 방법으로는 물리 기상 전이(PVT), 고온 화학 기상 증착(HT-CVD), 액상 에피택시(LPE)가 있습니다. 이 중 PVT 방법은 현재 SiC 기판의 상업적 성장을 위한 주류를 이루고 있으며, 기술 성숙도가 가장 높고 엔지니어링 분야에서 가장 널리 사용되고 있습니다.
SiC 기판의 제조가 어려워 가격이 높다
온도장 제어는 어렵습니다. Si 결정 막대 성장에는 1500℃만 필요한 반면, SiC 결정 막대는 2000℃ 이상의 고온에서 성장해야 하며, SiC 이성질체는 250종이 넘습니다. 전력 소자 생산에 사용되는 주요 4H-SiC 단결정 구조는 정밀한 제어가 없으면 다른 결정 구조를 갖게 됩니다. 또한, 도가니 내 온도 구배는 SiC 승화 전이 속도와 결정 계면에서 기체 원자의 배열 및 성장 방식을 결정하여 결정 성장 속도와 결정 품질에 영향을 미치므로 체계적인 온도장 제어 기술이 필요합니다. Si 소재와 비교했을 때, SiC 생산의 차이점은 고온 이온 주입, 고온 산화, 고온 활성화, 그리고 이러한 고온 공정에 필요한 하드 마스크 공정과 같은 고온 공정에서도 나타납니다.
결정 성장이 느림: Si 결정 막대의 성장 속도는 30~150mm/h에 달할 수 있으며, 1~3m 실리콘 결정 막대를 생산하는 데 약 1일밖에 걸리지 않습니다. 예를 들어 PVT 방법을 사용하는 SiC 결정 막대의 성장 속도는 약 0.2~0.4mm/h이고, 7일 동안 3~6cm 이하로 성장하며, 성장 속도는 실리콘 재료의 1% 미만으로 생산 능력이 극히 제한적입니다.
높은 제품 매개변수와 낮은 수율: SiC 기판의 핵심 매개변수에는 미세소관 밀도, 전위 밀도, 저항률, 휨, 표면 거칠기 등이 포함됩니다. 폐쇄된 고온 챔버에서 원자를 배열하고 매개변수 지수를 제어하면서 결정 성장을 완료하는 것은 복잡한 시스템 엔지니어링입니다.
이 소재는 경도, 취성, 절삭 시간, 마모도가 높습니다. SiC는 모스 경도 9.25로 다이아몬드에 이어 두 번째로 높아 절삭, 연삭, 연마의 난이도가 크게 증가합니다. 3cm 두께의 잉곳 35~40개를 절삭하는 데 약 120시간이 소요됩니다. 또한, SiC의 높은 취성으로 인해 웨이퍼 가공 마모가 더 심해지고, 생산량은 약 60%에 불과합니다.
개발 추세: 규모 증가 + 가격 하락
글로벌 SiC 시장의 6인치 양산 라인이 성숙 단계에 접어들고 있으며, 선도 기업들은 8인치 시장에 진출하고 있습니다. 국내 개발 프로젝트는 주로 6인치입니다. 현재 국내 기업들은 대부분 4인치 생산 라인을 기반으로 하고 있지만, 업계는 점차 6인치로 확장하고 있으며, 6인치 지원 장비 기술의 성숙도와 함께 국내 SiC 기판 기술도 점차 개선되고 있어 대형 생산 라인의 규모의 경제가 반영될 것이며, 현재 국내 6인치 양산 시차는 7년으로 좁혀졌습니다. 웨이퍼 크기가 커질수록 단일 칩의 개수가 늘어나 수율이 향상되고, 에지 칩의 비중이 줄어들며, 연구 개발 비용과 수율 손실은 약 7%로 유지되어 웨이퍼 활용도가 향상될 것입니다.
아직도 기기 설계에 많은 어려움이 있습니다
SiC 다이오드의 상용화는 점차 향상되고 있으며, 현재 다수의 국내 제조업체에서 SiC SBD 제품을 설계하고 있습니다. 중·고압 SiC SBD 제품은 안정성이 우수하여 차량용 OBC에 SiC SBD+SI IGBT를 사용하여 안정적인 전류 밀도를 달성하고 있습니다. 현재 중국에서는 SiC SBD 제품 특허 설계에 대한 장벽이 없으며, 해외와의 격차도 크지 않습니다.
SiC MOS는 여전히 많은 어려움을 겪고 있으며, 해외 제조업체와 격차가 존재하고 관련 제조 플랫폼도 아직 구축 중입니다. 현재 ST, Infineon, Rohm 등 600-1700V SiC MOS는 양산을 완료하고 여러 제조 업체와 계약을 체결하여 공급하고 있습니다. 현재 국내 SiC MOS 설계는 기본적으로 완료되었으며, 여러 설계 제조업체가 웨이퍼 생산 단계에서 팹과 협력하고 있습니다. 이후 고객 검증에는 시간이 필요하기 때문에 대량 상용화까지는 아직 시간이 많이 걸립니다.
현재 평면 구조가 주류를 이루고 있으며, 향후 고압 분야에서는 트렌치 구조가 널리 사용될 것으로 예상됩니다. 평면 구조 SiC MOS 제조업체는 많습니다. 평면 구조는 홈 구조에 비해 국부적인 절연 파괴 문제가 발생하기 어려워 작업 안정성에 영향을 미칩니다. 1200V 이하 시장에서 적용 범위가 넓으며, 제조 공정이 비교적 간단하여 제조 용이성과 비용 절감이라는 두 가지 측면을 모두 충족합니다. 홈 구조 소자는 기생 인덕턴스가 매우 낮고, 스위칭 속도가 빠르며, 손실이 적고, 성능이 비교적 우수하다는 장점이 있습니다.
2--SiC 웨이퍼 뉴스
실리콘 카바이드 시장 생산 및 판매 성장, 공급과 수요의 구조적 불균형에 주의
고주파 및 고전력 전력 전자 시장 수요가 빠르게 성장함에 따라 실리콘 기반 반도체 소자의 물리적 한계가 점차 두드러지게 되었고, 탄화규소(SiC)로 대표되는 3세대 반도체 소재가 점차 산업화되고 있습니다. 재료 성능 측면에서 탄화규소는 실리콘 소재의 3배에 달하는 밴드갭 폭, 10배에 달하는 임계 파괴 전계 강도, 그리고 3배에 달하는 열전도도를 가지고 있어, 탄화규소 전력 소자는 고주파, 고압, 고온 등의 다양한 응용 분야에 적합하며, 전력 전자 시스템의 효율과 전력 밀도 향상에 기여합니다.
현재, SiC 다이오드와 SiC MOSFET은 점차 시장에 출시되고 있으며, 더욱 성숙한 제품도 있습니다. 그 중 SiC 다이오드는 역회복 전하의 이점이 없기 때문에 일부 분야에서 실리콘 기반 다이오드를 대신하여 널리 사용됩니다. SiC MOSFET은 자동차, 에너지 저장, 충전 파일, 태양광 및 기타 분야에서도 점차 사용됩니다. 자동차 응용 분야에서는 모듈화 추세가 점점 더 두드러지고 있으며, SiC의 우수한 성능을 달성하려면 첨단 패키징 공정에 의존해야 합니다. 기술적으로 비교적 성숙한 셸 밀봉이 주류를 이루고 있지만, 미래에는 플라스틱 밀봉이 개발될 것이며, 맞춤형 개발 특성이 SiC 모듈에 더 적합합니다.
실리콘 카바이드 가격 하락 속도 상상 이상
실리콘 카바이드 소자의 적용은 주로 높은 비용으로 인해 제약을 받습니다. 동급 SiC MOSFET의 가격은 Si 기반 IGBT보다 4배 높습니다. 이는 실리콘 카바이드 공정이 복잡하고, 단결정 및 에피택셜 성장이 환경에 악영향을 미칠 뿐만 아니라 성장 속도가 느리며, 기판에 단결정을 가공하려면 절삭 및 연마 공정을 거쳐야 하기 때문입니다. 실리콘 카바이드 자체의 재료 특성과 미숙한 가공 기술로 인해 국내 기판 수율은 50% 미만이며, 여러 요인으로 인해 기판 및 에피택셜 가격이 높습니다.
그러나 실리콘 카바이드 소자와 실리콘 기반 소자의 비용 구성은 정반대입니다. 프런트 채널의 기판 비용과 에피택셜 비용이 각각 전체 소자의 47%와 23%를 차지하여 총 약 70%에 달합니다. 백 채널의 소자 설계, 제조 및 밀봉 링크는 30%에 불과합니다. 실리콘 기반 소자의 생산 비용은 주로 백 채널의 웨이퍼 제조에 약 50%가 집중되어 있으며 기판 비용은 7%에 불과합니다. 실리콘 카바이드 산업 체인의 가치 상승 현상은 상류 기판 에피택시 제조업체가 핵심 발언권을 가지고 있음을 의미하며, 이는 국내외 기업의 레이아웃에 핵심입니다.
시장의 역동적인 관점에서 볼 때, 실리콘 카바이드 원가 절감은 실리콘 카바이드 장결정 및 슬라이싱 공정 개선과 더불어 웨이퍼 크기 확장을 의미합니다. 이는 과거 반도체 개발의 성숙한 방향이기도 합니다. Wolfspeed 데이터에 따르면 실리콘 카바이드 기판을 6인치에서 8인치로 업그레이드하면 칩 생산량을 80~90% 증가시키고 수율을 향상시키는 데 도움이 됩니다. 또한, 전체 단위 원가를 50% 절감할 수 있습니다.
2023년은 "8인치 SiC 원년"으로 불립니다. 올해 국내외 실리콘 카바이드 제조업체는 8인치 실리콘 카바이드 레이아웃을 가속화하고 있습니다. 예를 들어 Wolfspeed는 실리콘 카바이드 생산 확장에 145억 5천만 달러를 투자했습니다. 그 중 중요한 부분은 8인치 SiC 기판 제조 공장을 건설하는 것입니다. 이는 앞으로 여러 회사에 200mm SiC 베어 메탈을 공급하기 위한 것입니다. 국내 Tianyue Advanced와 Tianke Heda도 Infineon과 장기 계약을 체결하여 앞으로 8인치 실리콘 카바이드 기판을 공급할 예정입니다.
올해부터 실리콘 카바이드(SiC)는 6인치에서 8인치로 빠르게 성장할 것으로 예상됩니다. 울프스피드(Wolfspeed)는 2024년까지 8인치 기판의 단위 칩 원가가 2022년 6인치 기판 단위 칩 원가 대비 60% 이상 하락할 것으로 예상하며, 이러한 원가 하락은 응용 시장 확대에 더욱 기여할 것이라고 지본드 컨설팅(Ji Bond Consulting)의 리서치 데이터를 인용했습니다. 현재 8인치 제품의 시장 점유율은 2% 미만이며, 2026년까지 약 15%까지 성장할 것으로 예상됩니다.
사실, 실리콘 카바이드 기판 가격의 하락 속도는 많은 사람들의 상상을 뛰어넘을 수 있습니다. 현재 6인치 기판의 시장 가격은 4000~5000위안/개로 올해 초에 비해 많이 떨어졌으며 내년에는 4000위안 이하로 떨어질 것으로 예상됩니다. 일부 제조업체가 첫 번째 시장을 차지하기 위해 판매 가격을 원가선 아래로 낮추어 가격 전쟁의 모델을 열었다는 점에 주목할 필요가 있습니다. 주로 실리콘 카바이드 기판 공급이 저전압 분야에서 비교적 충분했기 때문에 국내외 제조업체가 공격적으로 생산 능력을 확대하거나 실리콘 카바이드 기판이 예상보다 일찍 공급 과잉 단계에 도달하게 했습니다.
게시 시간: 2024년 1월 19일