탄화규소 소개
실리콘카바이드(SiC)는 탄소와 실리콘으로 구성된 화합물 반도체 소재로 고온, 고주파, 고전력, 고전압 소자 제작에 이상적인 소재 중 하나이다.전통적인 실리콘 소재(Si)와 비교하여 실리콘 카바이드의 밴드 갭은 실리콘 밴드 갭의 3배입니다.열전도율은 실리콘의 4~5배입니다.항복 전압은 실리콘의 8~10배입니다.전자 포화 드리프트율은 실리콘의 2~3배로 고전력, 고전압 및 고주파수에 대한 현대 산업의 요구를 충족합니다.주로 고속, 고주파, 고출력 및 발광 전자 부품 생산에 사용됩니다.다운스트림 응용 분야로는 스마트 그리드, 신에너지 자동차, 태양광 풍력, 5G 통신 등이 있습니다. 실리콘 카바이드 다이오드와 MOSFET이 상업적으로 적용되었습니다.
고온 저항.탄화규소의 밴드갭 폭은 규소의 2~3배이고, 전자는 고온에서 쉽게 전이되지 않으며 더 높은 작동 온도를 견딜 수 있으며, 탄화규소의 열전도도는 규소의 4~5배입니다. 장치의 열 방출을 더 쉽게 만들고 제한 작동 온도를 더 높게 만듭니다.높은 온도 저항은 전력 밀도를 크게 높이는 동시에 냉각 시스템에 대한 요구 사항을 줄여 터미널을 더 가볍고 작게 만들 수 있습니다.
고압을 견딥니다.탄화규소의 파괴 전계 강도는 규소의 10배로 더 높은 전압을 견딜 수 있어 고전압 장치에 더 적합합니다.
고주파 저항.탄화규소는 포화 전자 드리프트 속도가 실리콘의 두 배이므로 셧다운 과정에서 전류 테일링이 발생하지 않아 장치의 스위칭 주파수를 효과적으로 향상시키고 장치의 소형화를 실현할 수 있습니다.
낮은 에너지 손실.실리콘 소재에 비해 탄화규소는 온 저항과 온 손실이 매우 낮습니다.동시에 탄화규소의 높은 밴드갭 폭은 누설 전류와 전력 손실을 크게 줄입니다.또한 탄화규소 소자는 셧다운 과정에서 전류 끌림 현상이 없고 스위칭 손실도 낮다.
실리콘 카바이드 산업 체인
주로 기판, 에피택시, 장치 설계, 제조, 밀봉 등이 포함됩니다.탄화규소는 재료부터 반도체 전력소자까지 단결정 성장, 잉곳 슬라이싱, 에피택셜 성장, 웨이퍼 설계, 제조, 패키징 및 기타 공정을 거치게 됩니다.탄화규소 분말을 합성한 후 탄화규소 잉곳을 먼저 만든 후 슬라이싱, 연삭, 연마를 통해 탄화규소 기판을 얻고 에피택셜 성장을 통해 에피택셜 시트를 얻습니다.에피택셜 웨이퍼는 리소그래피, 에칭, 이온 주입, 금속 패시베이션 및 기타 공정을 통해 탄화규소로 만들어지며, 웨이퍼는 다이로 절단되고, 장치는 패키징되며, 장치는 특수 쉘에 결합되어 모듈로 조립됩니다.
산업 체인의 업스트림 1: 기판 - 결정 성장이 핵심 프로세스 링크입니다.
실리콘 카바이드 기판은 실리콘 카바이드 장치 비용의 약 47%를 차지하며 제조 기술 장벽이 가장 높고 가장 큰 가치는 SiC의 미래 대규모 산업화의 핵심입니다.
전기화학적 특성의 차이 측면에서 실리콘 카바이드 기판 소재는 전도성 기판(비저항 영역 15~30mΩ·cm)과 반절연 기판(비저항 105Ω·cm 이상)으로 나눌 수 있습니다.이 두 종류의 기판은 에피택셜 성장 후에 각각 전력 장치 및 무선 주파수 장치와 같은 개별 장치를 제조하는 데 사용됩니다.그 중 반절연 탄화규소 기판은 주로 질화갈륨 RF 장치, 광전 장치 등의 제조에 사용됩니다.반절연 SIC 기판에 간 에피택셜 층을 성장시킴으로써 SiC 에피택셜 플레이트가 준비되며, 이는 HEMT 간 이소질화물 RF 장치로 추가로 제조될 수 있습니다.전도성 탄화규소 기판은 주로 전력 장치 제조에 사용됩니다.전통적인 실리콘 전력 장치 제조 공정과 달리 탄화 규소 전력 장치는 탄화 규소 기판에 직접 만들 수 없으며 탄화 규소 에피 택셜 시트를 얻으려면 탄화 규소 에피 택셜 층을 전도성 기판에서 성장시켜야하며 에피 택셜은 레이어는 쇼트키 다이오드, MOSFET, IGBT 및 기타 전력 장치에서 제조됩니다.
고순도 탄소분말과 고순도 규소분말을 이용하여 탄화규소 분말을 합성하고, 특수 온도장에서 다양한 크기의 탄화규소 잉곳을 성장시킨 후, 여러 공정을 거쳐 탄화규소 기판을 제조하였다.핵심 프로세스에는 다음이 포함됩니다.
원료 합성 : 고순도 실리콘 분말 + 토너를 공식에 따라 혼합하고 2000°C 이상의 고온 조건의 반응 챔버에서 반응을 진행하여 특정 결정 유형과 입자를 갖는 탄화 규소 입자를 합성합니다. 크기.그런 다음 분쇄, 스크리닝, 세척 및 기타 공정을 통해 고순도 탄화 규소 분말 원료의 요구 사항을 충족합니다.
결정 성장은 탄화규소 기판 제조의 핵심 공정으로, 탄화규소 기판의 전기적 특성을 결정합니다.현재 결정 성장의 주요 방법은 PVT(물리적 기상 전달), HT-CVD(고온 화학 기상 증착) 및 LPE(액상 에피택시)입니다.그중 PVT 방법은 현재 SiC 기판의 상업적 성장을 위한 주류 방법으로, 기술 성숙도가 가장 높고 엔지니어링 분야에서 가장 널리 사용됩니다.
SiC 기판 준비가 어려워 가격이 비싸다.
온도 필드 제어가 어렵습니다. Si 결정 막대 성장은 1500℃만 필요하고 SiC 결정 막대는 2000℃ 이상의 고온에서 성장해야 하며 250개 이상의 SiC 이성질체가 있지만 주요 4H-SiC 단결정 구조는 전력 장치의 생산은 정밀한 제어가 아닌 경우 다른 결정 구조를 가지게 됩니다.또한, 도가니 내 온도 구배에 따라 SiC 승화 전달 속도와 결정 계면의 기체 원자 배열 및 성장 모드가 결정되며, 이는 결정 성장 속도 및 결정 품질에 영향을 미치므로 체계적인 온도 장을 형성하는 것이 필요합니다. 제어 기술.Si 소재와 비교하여 SiC 생산의 차이는 고온 이온 주입, 고온 산화, 고온 활성화 등 고온 공정과 이러한 고온 공정에 필요한 하드마스크 공정에도 있습니다.
느린 결정 성장: Si 결정 막대의 성장 속도는 30~150mm/h에 도달할 수 있으며, 1-3m 실리콘 결정 막대의 생산에는 약 1일밖에 걸리지 않습니다.예를 들어 PVT 방법을 사용하는 SiC 수정 막대는 성장 속도가 약 0.2-0.4mm/h이며, 7일 동안 3-6cm 미만으로 성장하고, 성장 속도는 실리콘 소재의 1% 미만이며, 생산 능력은 극도로 높습니다. 제한된.
높은 제품 매개변수 및 낮은 수율: SiC 기판의 핵심 매개변수에는 미세소관 밀도, 전위 밀도, 저항률, 뒤틀림, 표면 거칠기 등이 포함됩니다. 폐쇄된 고온 챔버에 원자를 배열하고 결정 성장을 완료하는 것은 복잡한 시스템 엔지니어링입니다. 매개변수 인덱스를 제어하는 동안.
재료는 경도가 높고 취성이 높으며 절단 시간이 길고 마모가 높습니다. SiC 모스 경도 9.25는 다이아몬드에 이어 두 번째로 절단, 연삭 및 연마의 난이도가 크게 증가하며, 가공하는 데 약 120시간이 걸립니다. 3cm 두께의 주괴를 35~40개 조각으로 자릅니다.또한 SiC의 높은 취성으로 인해 웨이퍼 가공 마모가 더 많아지고 출력 비율은 약 60%에 불과합니다.
개발 추세 : 크기 증가 + 가격 감소
글로벌 SiC 시장의 6인치 양산라인은 성숙기에 접어들고 있으며, 선두 기업들이 8인치 시장에 진출하고 있다.국내 개발 프로젝트는 주로 6인치다.현재 대부분의 국내 기업은 여전히 4인치 생산 라인을 기반으로 하고 있지만 업계는 점차 6인치로 확대되고 있으며 6인치 지원 장비 기술이 성숙되면서 국내 SiC 기판 기술도 점차 경제성을 향상시키고 있습니다. 대형 생산라인 규모가 반영돼 현재 국내 6인치 양산 시간 격차가 7년으로 줄어들었다.웨이퍼 크기가 커질수록 Single Chip 수 증가, 수율 향상, Edge Chip 비율 감소를 가져올 수 있으며, 연구개발 비용과 수율 손실은 약 7% 수준으로 유지되어 Wafer 품질이 향상됩니다. 이용.
기기 설계에는 아직 어려움이 많다
SiC 다이오드의 상용화는 점차 개선되고 있으며, 현재 다수의 국내 제조업체에서 SiC SBD 제품을 설계하고 있으며 중압 및 고전압 SiC SBD 제품은 우수한 안정성을 갖고 있으며 차량 OBC에서는 SiC SBD+SI IGBT를 사용하여 안정성을 달성하고 있습니다. 전류 밀도.현재 중국 내 SiC SBD 제품의 특허 디자인에는 장벽이 없으며 외국과의 격차도 적다.
SiC MOS는 여전히 많은 어려움을 겪고 있으며 SiC MOS와 해외 제조업체 사이에는 여전히 격차가 있으며 관련 제조 플랫폼은 아직 구축 중입니다.현재 ST, Infineon, Rohm 및 기타 600-1700V SiC MOS는 대량 생산을 달성하고 많은 제조 업계와 계약을 맺고 배송했으며 현재 국내 SiC MOS 설계는 기본적으로 완료되었으며 여러 설계 제조업체가 Fab와 협력하고 있습니다. 웨이퍼 플로우 단계, 이후 고객 검증까지는 아직 시간이 필요해 대규모 상용화까지는 아직 시간이 많이 걸린다.
현재 평면 구조가 주류 선택이며 트렌치 유형은 앞으로 고압 분야에서 널리 사용됩니다.평면 구조 SiC MOS 제조업체는 많지만 평면 구조는 그루브에 비해 국부적 파손 문제를 일으키기 쉽지 않아 작업 안정성에 영향을 미칩니다. 1200V 미만 시장에서는 적용 가치가 넓고 평면 구조는 상대적으로 제조 가능성과 비용 제어 두 가지 측면을 충족하기 위해 제조가 간단합니다.그루브 장치는 매우 낮은 기생 인덕턴스, 빠른 스위칭 속도, 낮은 손실 및 상대적으로 높은 성능이라는 장점을 가지고 있습니다.
2--SiC 웨이퍼 뉴스
실리콘 카바이드 시장 생산 및 매출 성장, 수요와 공급의 구조적 불균형에 주목
고주파, 고전력 전력전자에 대한 시장 수요가 급증함에 따라 실리콘 기반 반도체 소자의 물리적 한계 병목현상이 점차 두드러지고 있으며, 탄화규소(SiC)로 대표되는 3세대 반도체 소재도 점차 산업화되다.재료 성능의 관점에서 볼 때, 탄화규소는 실리콘 소재의 밴드갭 폭의 3배, 임계 파괴 전계 강도의 10배, 열전도율의 3배를 가지므로 탄화규소 전력 소자는 고주파, 고압, 고온 및 기타 애플리케이션은 전력 전자 시스템의 효율성과 전력 밀도를 향상시키는 데 도움이 됩니다.
현재 SiC 다이오드와 SiC MOSFET은 점차적으로 시장에 진출하고 있으며 보다 성숙한 제품이 있습니다. 그중 SiC 다이오드는 역회복 전하의 이점이 없기 때문에 일부 분야에서는 실리콘 기반 다이오드 대신 널리 사용됩니다.SiC MOSFET은 자동차, 에너지 저장, 충전 파일, 광전지 및 기타 분야에서도 점차적으로 사용됩니다.자동차 애플리케이션 분야에서 모듈화 경향이 점점 더 두드러지고 있습니다. SiC의 우수한 성능은 기술적으로 상대적으로 성숙한 쉘 밀봉을 주류로 삼거나 플라스틱 밀봉 개발을 달성하기 위해 첨단 패키징 공정에 의존해야 합니다. , 맞춤형 개발 특성은 SiC 모듈에 더 적합합니다.
실리콘카바이드 가격 하락 속도, 상상 이상
실리콘 카바이드 장치의 적용은 주로 높은 비용으로 인해 제한됩니다. 동일한 수준에서 SiC MOSFET의 가격은 Si 기반 IGBT보다 4배 더 높습니다. 이는 실리콘 카바이드 프로세스가 복잡하기 때문입니다. 단결정 및 에피택셜은 환경에 가혹할 뿐만 아니라 성장 속도도 느리고 기판에 대한 단결정 가공은 절단 및 연마 공정을 거쳐야 합니다.자체 소재 특성과 미성숙한 가공 기술로 인해 국내 기판 수율은 50%도 채 되지 않으며, 다양한 요인으로 인해 기판 및 에피텍셜 가격이 상승하고 있다.
그러나 탄화규소 장치와 실리콘 기반 장치의 비용 구성은 정반대입니다. 전면 채널의 기판 및 에피택시 비용은 각각 전체 장치의 47%와 23%를 차지하여 총 장치 설계, 제조 비용이 약 70%를 차지합니다. 백 채널의 밀봉 링크는 30%에 불과하고, 실리콘 기반 장치의 생산 비용은 주로 백 채널의 웨이퍼 제조에 약 50% 집중되며, 기판 비용은 7%에 불과합니다.실리콘 카바이드 산업 체인의 가치가 거꾸로 뒤집히는 현상은 업스트림 기판 에피택시 제조업체가 국내외 기업 배치의 핵심인 핵심 발언권을 보유하고 있음을 의미합니다.
시장에 대한 동적인 관점에서 볼 때, 탄화규소의 원가를 낮추는 것은 탄화규소 장결정 및 슬라이싱 공정을 개선하는 것 외에도 웨이퍼 크기를 확대하는 것인데, 이는 과거 반도체 개발의 성숙한 경로이기도 했으며, Wolfspeed 데이터에 따르면 실리콘 카바이드 기판이 6인치에서 8인치로 업그레이드되고 적격 칩 생산량이 80%-90% 증가할 수 있으며 수율 개선에 도움이 됩니다.결합된 단가를 50%까지 줄일 수 있습니다.
2023년은 '8인치 SiC 원년'으로 알려져 있으며, 올해 국내외 실리콘카바이드 제조사들은 실리콘카바이드 생산 확대를 위해 울프스피드가 145억5000만 달러를 미친 투자하는 등 8인치 실리콘카바이드 레이아웃에 박차를 가하고 있다. 그 중 중요한 부분은 향후 여러 회사에 200mm SiC 베어 메탈 공급을 보장하기 위해 8인치 SiC 기판 제조 공장을 건설하는 것입니다.국내 Tianyue Advanced와 Tianke Heda도 향후 8인치 실리콘 카바이드 기판을 공급하기로 Infineon과 장기 계약을 체결했습니다.
올해부터 실리콘 카바이드는 6인치에서 8인치로 가속화될 것이며, Wolfspeed는 2024년까지 2022년 6인치 기판의 단위 칩 비용에 비해 8인치 기판의 단위 칩 비용이 60% 이상 감소할 것으로 예상하고 있습니다. , 그리고 비용 감소로 인해 애플리케이션 시장이 더욱 열릴 것이라고 Ji Bond Consulting 연구 데이터가 지적했습니다.현재 8인치 제품의 시장점유율은 2% 미만이며, 2026년에는 15% 정도까지 점유율이 성장할 것으로 예상된다.
실제로 탄화규소 기판 가격 하락률은 많은 사람들의 상상을 뛰어넘을 수 있습니다. 현재 6인치 기판 시장 가격은 4000~5000위안/개로 연초에 비해 많이 떨어졌습니다. 내년에는 4000위안 아래로 떨어질 것으로 예상되며 일부 제조업체는 첫 번째 시장을 확보하기 위해 판매 가격을 아래 비용 라인으로 낮추고 주로 실리콘 카바이드 기판에 집중된 가격 전쟁 모델을 열었습니다. 저전압 분야에서는 공급이 상대적으로 충분해 국내외 제조업체들이 공격적으로 생산 능력을 확장하고 있거나 실리콘 카바이드 기판의 공급 과잉 단계가 예상보다 일찍 이루어지도록 하고 있습니다.
게시 시간: 2024년 1월 19일