国内碳化硅产业链

2021-12-07 11:32:12 0
来源:国元证券研究中心 Rohm


碳化硅(SiC)材料是功率半导体行业主要进步发展方向,用于制作功率器件,可显着提高电能利用率。可预见的未来内,新能源汽车是碳化硅功率器件的主要应用场景。特斯拉作为技术先驱,已率先在Model 3中集成全碳化硅模块,其他一线车企亦皆计划扩大碳化硅的应用。随着碳化硅器件制造成本的日渐降低、工艺技术的逐步成熟,碳化硅功率器件行业未来可期。
【什么是碳化硅?】
碳化硅(SiC)是第三代化合物半导体材料。半导体产业的基石是芯片,制作芯片的核心材料按照历史进程分为:
第一代半导体材料(大部分为目前广泛使用的高纯度硅)
第二代化合物半导体材料(砷化镓、磷化铟)
第三代化合物半导体材料(碳化硅、氮化镓) 
碳化硅因其优越的物理性能:高禁带宽度(对应高击穿电场和高功率密度)、高电导率、高热导率,将是未来最被广泛使用的制作半导体芯片的基础材料。
【碳化硅的物理化学性能】


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碳化硅在半导体芯片中的主要形式为衬底。半导体芯片分为集成电路和分立器件,但不论是集成电路还是分立器件,其基本结构都可划分为“衬底-外延-器件” 结构。碳化硅在半导体中存在的主要形式是作为衬底材料。

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碳化硅晶片是碳化硅晶体经过切割、研磨、抛光、清洗等工序加工形成的单晶薄片。


碳化硅晶片作为半导体衬底材料,经过外延生长、器件制造等环节,可制成碳化硅基功率器件和微波射频器件,是第三代半导体产业发展的重要基础材料。
根据电阻率不同,碳化硅晶片可分为导电型和半绝缘型
其中,导电型碳化硅晶片主要应用于制造耐高温、耐高压的功率器件,市场规模较大;半绝缘型碳化硅衬底主要应用于微波射频器件等领域,随着 5G 通讯网络的加速建设,市场需求提升较为明显。


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【碳化硅加工工艺研究】


SiC的硬度仅次于金刚石,可以作为砂轮等磨具的磨料,因此对其进行机械加工主要是利用金刚石砂轮磨削、研磨和抛光,其中金刚石砂轮磨削加工的效率最高,是加工SiC的重要手段。但是SiC材料不仅具有高硬度的特点,高脆性、低断裂韧性也使得其磨削加工过程中易引起材料的脆性断裂从而在材料表面留下表面破碎层,且产生较为严重的表面与亚表层损伤,影响加工精度。因此,深入研究SiC磨削机理与亚表面损伤对于提高SiC磨削加工效率和表面质量具有重要意义。
1、硬脆材料的研磨机理
对硬脆材料进行研磨,磨料对其具有滚轧作用或微切削作用。磨粒作用于有凹凸和裂纹的表面上时,随着研磨加工的进行,在研磨载荷的作用下,部分磨粒被压入工件,并用露出的尖端划刻工件的表面进行微切削加工。另一部分磨粒在工件和研磨盘之间进行滚动而产生滚轧作用,使工件的表面形成微裂纹,裂纹延伸使工件表面形成脆性碎裂的切屑,从而达到表面去除的目的。
因为硬脆材料的抗拉强度比抗压强度要小,对磨粒施加载荷时,会在硬脆材料表面的拉伸应力的最大处产生微裂纹。当纵横交错的裂纹延伸且相互交叉时,受裂纹包围的部分就会破碎并崩离出小碎块。此为硬脆材料研磨时的切屑生成和表面形成的基本过程。
由于碳化硅材料属于高硬脆性材料,需要采用专用的研磨液,碳化硅研磨的主要技术难点在于高硬度材料减薄厚度的精确测量及控制,磨削后晶圆表面出现损伤、微裂纹和残余应力,碳化硅晶圆减薄后会产生比碳化硅晶圆更大的翘曲现象。
2、碳化硅的抛光加工研究
目前碳化硅的抛光方法主要有:
机械抛光、磁流变抛光、化学机械抛光(CMP)、
电化学抛光(ECMP)、
催化剂辅助抛光或催化辅助刻蚀(CACP/CARE)、
摩擦化学抛光(TCP,又称无磨料抛光)
等离子辅助抛光(PAP)等。
化学机械抛光(CMP)技术是目前半导体加工的重要手段,也是目前能将单晶硅表面加工到原子级光滑最有效的工艺方法,是能在加工过程中同时实现局部和全局平坦化的唯一实用技术。
CMP的加工效率主要由工件表面的化学反应速率决定。通过研究工艺参数对SiC材料抛光速率的影响,结果表明:旋转速率和抛光压力的影响较大;温度和抛光液pH值的影响不大。为提高材料的抛光速率应尽量提高转速,虽然增加抛光压力也可提高去除速率,但容易损坏抛光垫。


目前的碳化硅抛光方法存在着材料去除率低、成本高的问题,且无磨粒研抛、催化辅助加工等加工方法,由于要求的条件苛刻、装置操作复杂,目前仍处在实验室范围内,批量生产的实现可能性不大。


人类1905年 第一次在陨石中发现碳化硅,现在主要来源于人工合成,碳化硅有许多用途,行业跨度大,可用于单晶硅、多晶硅、砷化钾、石英晶体等、太阳能光伏产业、半导体产业、压电晶体产业工程性加工材料。



【碳化硅加工工艺流程】


碳化硅晶片是以高纯硅粉和高纯碳粉作为原材料,采用物理气相传输法(PVT) 生长碳化硅晶体,加工制成碳化硅晶片。
①原料合成。将高纯硅粉和高纯碳粉按一定配比混合,在 2,000℃以上的高温下反应合成碳化硅颗粒。再经过破碎、清洗等工序,制得满足晶体生长要求的高纯度碳化硅微粉原料。
②晶体生长。以高纯度碳化硅微粉为原料,使用自主研制的晶体生长炉,采用物理气相传输法(PVT 法)生长碳化硅晶体。其生长原理如下图所示:


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将高纯碳化硅微粉和籽晶分别置于单晶生长炉内圆柱状密闭的石墨坩埚下部和顶部,通过电磁感应将坩埚加热至 2,000℃以上,控制籽晶处温度略低于下部微粉处,在坩埚内形成轴向温度梯度。碳化硅微粉在高温下升华形成气相的 Si2C、 SiC2、 Si 等物质,在温度梯度驱动下到达温度较低的籽晶处,并在其上结晶形成圆柱状碳化硅晶锭。


③晶锭加工。将制得的碳化硅晶锭使用 X 射线单晶定向仪进行定向,之后磨平、滚磨,加工成标准直径尺寸的碳化硅晶体。
④晶体切割。使用多线切割设备,将碳化硅晶体切割成厚度不超过 1mm 的薄片。
⑤晶片研磨。通过不同颗粒粒径的金刚石研磨液将晶片研磨到所需的平整度和粗糙度。
⑥晶片抛光。通过机械抛光和化学机械抛光方法得到表面无损伤的碳化硅抛光片。
⑦晶片检测。使用光学显微镜、 X 射线衍射仪、原子力显微镜、非接触电阻率测试仪、表面平整度测试仪、表面缺陷综合测试仪等仪器设备,检测碳化硅晶片的微管密度、结晶质量、表面粗糙度、电阻率、翘曲度、弯曲度、厚度变化、表面划痕等各项参数指标,据此判定晶片的质量等级。
⑧晶片清洗。以清洗药剂和纯水对碳化硅抛光片进行清洗处理,去除抛光片上残留的抛光液等表面沾污物,再通过超高纯氮气和甩干机将晶片吹干、甩干;将晶片在超净室封装在洁净片盒内,形成可供下游即开即用的碳化硅晶片。
晶片尺寸越大,对应晶体的生长与加工技术难度越大,而下游器件的制造效率越高、单位成本越低。目前国际碳化硅晶片厂商主要提供 4 英寸至 6英寸碳化硅晶片, CREE、 II-VI 等国际龙头企业已开始投资建设 8 英寸碳化硅晶片生产线。





【碳化硅行业情况】


01、碳化硅(SiC)是高功率器件理想材料
硅是半导体行业第一代基础材料,目前全球95%以上的集成电路元器件是以硅为衬底制造的。目前,随着电动汽车、5G等应用的发展,高功率、耐高压、高频率器件需求快速增长。
当电压大于900V,要实现更大功率时,硅基功率MOSFET和IGBT就暴露出短板,其在转换效率,开关频率,工作温度等多方面都将受限。
而碳化硅(SiC)材料由于具有禁带宽度大(Si的3倍)、
热导率高(Si的3.3倍或GaAs的10倍)、
电子饱和迁移速率高(Si的2.5倍)
击穿电场高(Si的10倍或GaAs的5倍)等性质,SiC器件在高温、高压、高频、大功率电子器件领域和航天、军工、核能等极端环境应用领域有着不可替代的优势,弥补了传统半导体材料器件在实际应用中的缺陷,正逐渐成为功率半导体的主流。
碳化硅是用石英砂、石油焦(或煤焦)、木屑(生产绿色碳化硅时需要加食盐)等原料通过电阻炉高温冶炼而成。
02、SiC功率半导体器件优势
第三代半导体,由于在物理结构上具有能级禁带宽的特点,又称为宽禁带半导体,主要是以氮化镓和碳化硅为代表,其在半导体性能特征上与第一代的硅、第二代的砷化镓有所区别,使得其能够具备高禁带宽度、高热导率、高击穿场强、高电子饱和漂移速率等优势,从而能够开发出更适应高温、高功率、高压、高频以及抗辐射等恶劣条件的小型化功率半导体器件,可有效突破传统硅基功率半导体器件及其材料的物理极限。



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资料来源:Semikron – Application Manual Power Semicondu


整体来看,碳化硅的耐高压能力是硅的10倍、耐高温能力是硅的2倍、高频能力是硅的2倍,与硅基模块相比,碳化硅二极管及开关管组成的模块(全碳模块),不仅具有碳化硅材料本征特性优势,还可以缩小模块体积50%以上、消减电子转换损耗80%以上,从而降低综合成本。


资料来源:Rohm,国元证券研究中心


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数据来源:第三代半导体产业技术创新战略联盟《第三代半导体电力电子技术路线图》


03、SiC器件的典型应用
1. 5G基建——通信电源
通信电源是服务器、基站通讯的能源库,为各种传输设备提供电能,保证通讯系统正常运行。
碳化硅MOSFET的高频特性使得电源电路中的磁性单元体积更小、重量更轻,电源整体效率更高。
碳化硅肖特基二极管反向恢复几乎为零的特性使其在许多PFC电路中具有广阔的应用前景。
例如,在3kW高效通信电源无桥交错PFC电路中,使用650V/10A碳化硅肖特基二极管,可以帮助客户实现满载效率大于等于95%的高技术要求。
2. 新能源汽车充电桩——充电桩电源模块
新能源汽车行业的快速发展带动了充电柱的需求增长,对新能源电动汽车而言,提升充电速度和降低充电成本是行业发展的两大目标。
在充电桩电源模块中使用碳化硅器件,可以实现充电桩电源模块的高效化和高功率化,进而实现充电速度的提升和充电成本的降低。
3. 大数据中心、工业互联网——服务器电源
服务器电源是服务器能源库,服务器提供电能,保证服务器系统正常运行。
在服务器电源中使用碳化硅功率器件,可以提升服务器电源的功率密度和效率,整体上缩小数据中心的体积,实现数据中心整体建设成本的降低,同时实现更高的环保效率。
例如,在3kW服务器电源模块中,在图腾柱PFC中使用碳化硅MOSFET可以显着提升服务器电源的效率,实现更高的效率要求。
4.特高压——应用柔性输电直流断路器
特高压作为大型系统工程,将催发从原材料和元器件等一系列的需求,而功率器件是输电端特高压直流输电中FACTS柔性输电技术和变电端电力电子变压器(PET)的关键器件。
直流断路器作为柔性直流输电的关键部分之一,其可靠性对整个输电系统的稳定性有着较大影响。
使用传统硅基器件设计直流断路器需要多级子单元串联,在直流断路器中使用高电压碳化硅器件可以大大减少串联子单元数量,是行业研究的重点方向。
5. 城际高铁和城际轨道交通——牵引变流器、电力电子变压器、辅助变流器、辅助电源
未来轨道交通对电力电子装置,比如牵引变流器、电力电子电压器等提出了更高的要求。
采用碳化硅功率器件可以大幅度提高这些装置的功率密度和工作效率将有助于明显减轻轨道交通的载重系统。
碳化硅器件可以实现设备进一步高效率化和小型化,在轨道交通方面具有巨大的技术优势。
日本新干线N700S已经率先在牵引变流器中使用碳化硅功率器件,大幅降低整车的重量,实现更高的运载效率和降低运营成本。
04、SiC器件市场未来将实现快速增长
根据YoleDéveloppement的数据,2018年全球SiC器件市场规模为4.2亿美元,2019年规模增长至5.64亿美元。
未来,随着电动汽车、动力电池,以及电力供应和太阳能的发展,SiC器件市场将进一步快速增长,特别是电动汽车及动力电池的驱动。
预计2024年,全球SiC器件市场规模将增长至20亿美元,2018至2024年期间的复合增长率接近30%。
根据Yole预测,2020年SiC器件市场规模仍有增长,预计在2023年随着电动汽车的崛起开始快速增长。
据IHS数据,2023年全球SiC器件需求有望达16.44亿美元,2017-2023年复合增速约为26.6%;下游主要应用场景包含EV、快充桩、UPS电源(通信)、光伏、轨交以及航天军工等领域。
其中电动车行业有望迎来快速爆发(CAGR81.4%),通信、光伏等市场空间较大。伴随SiC器件成本下降,全生命周期成本性能优势有望不断放大,潜在替代空间巨大。
先进半导体材料已上升至国家战略层面,2025年目标渗透率超过50%。
底层材料与技术是半导体发展的基础科学,在2025中国制造中,分别对第三代半导体单晶衬底、光电子器件/模块、电力电子器件/模块、射频器件/模块等细分领域做出了目标规划。
在任务目标中提到2025实现在5G通信、高效能源管理中的国产化率达到50%;在新能源汽车、消费电子中实现规模应用,在通用照明市场渗透率达到80%以上。



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