国内碳化硅产业链(2)

国内碳化硅产业链(2)

2021-12-07 11:32:20 0

行业竞争情况


从产业格局看,目前全球SiC产业格局呈现美国、欧洲、日本三足鼎立态势。
其中美国全球独大,占有全球SiC产量的70%~80%,碳化硅晶圆市场CREE一家市占率高达6成之多;欧洲拥有完整的SiC衬底、外延、器件以及应用产业链,在全球电力电子市场拥有强大的话语权;日本是设备和模块开发方面的绝对领先者。
01、碳化硅功率器件制备及产业链

SiC功率器件的制备过程,包含SiC粉末合成、单晶生长、晶片切磨抛、外延(镀膜)、前道工艺(芯片制备)、后道封装。

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图:SiC功率半导体制备工艺

目前,SiC衬底主要制备过程大致分为两步:
第一步SiC粉料在单晶炉中经过高温升华之后在单晶炉中形成SiC晶锭;
第二步通过对SiC晶锭进行粗加工、切割、研磨、抛光,得到透明或半透明、无损伤层、低粗糙度的SiC晶片(即SiC衬底)。

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图为碳化硅功率半导体器件产业链



02、碳化硅全球竞争格局
高技术门槛导致第三代半导体材料市场以日美欧寡头垄占,国内企业在SiC衬底方面以4英寸为主。
目前,国内已经开发出了6英寸导电性SiC衬底和高纯半绝缘SiC衬底,山东天岳公司、北京天科合达公司和河北同光晶体公司分别与山东大学、中科院物理所和中科院半导体所进行技术合作与转化,在SiC单晶衬底技术上形成自主技术体系。

国内目前已实现4英寸衬底的量产;同时山东天岳、天科合达、河北同光、中科节能均已完成6英寸衬底的研发;中电科装备已成功研制出6英寸半绝缘衬底。

国内外碳化硅产业链

03、国内碳化硅衬底竞争对比

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【碳化硅功率半导体存在的问题】
尽管全球碳化硅器件市场已经初具规模,但是碳化硅功率器件领域仍然存在一些诸多共性问题亟待突破,比如碳化硅单晶和外延材料价格居高不下、材料缺陷问题仍未完全解决、碳化硅器件制造工艺难度较高、高压碳化硅器件工艺不成熟、器件封装不能满足高频高温应用需求等,全球碳化硅技术和产业距离成熟尚有一定的差距,在一定程度上制约了碳化硅器件市场扩大的步伐。

1、 碳化硅单晶材料

国际上碳化硅单晶材料领域存在的问题主要有:


大尺寸碳化硅单晶衬底制备技术仍不成熟。
目前国际上碳化硅芯片的制造已经从4英寸换代到6英寸,并已经开发出了8英寸碳化硅单晶样品,与先进的硅功率半导体器件相比,单晶衬底尺寸仍然偏小、缺陷水平仍然偏高。
缺乏更高效的碳化硅单晶衬底加工技术。
碳化硅单晶衬底材料线切割工艺存在材料损耗大、效率低等缺点,必须进一步开发大尺寸碳化硅晶体的切割工艺,提高加工效率。
衬底表面加工质量的好坏直接决定了外延材料的表面缺陷密度,而大尺寸碳化硅衬底的研磨和抛光工艺仍不能满足要求,需要进一步开发研磨、抛光工艺参数,降低晶圆表面粗糙度。
P型衬底技术的研发较为滞后。
目前商业化的碳化硅产品是单极型器件。未来高压双极型器件需要P型衬底。目前碳化硅P型单晶衬底缺陷较高、电阻率较高,其基础科学问题尚未得到突破,技术开发滞后。
近年来,我国碳化硅单晶材料领域取得了长足进步,但与国际水平相比仍存在一定的差距。
除了以上共性问题以外,我国碳化硅单晶材料领域在以下两个方面存在巨大的风险:
是本土碳化硅单晶企业无法为国内已经/即将投产的6英寸芯片工艺线提供高质量的6英寸单晶衬底材料。
碳化硅材料的检测设备完全被国外公司所垄断。
2、 碳化硅外延材料
国际上碳化硅外延材料领域存在的问题主要有:
N型碳化硅外延生长技术有待进一步提高。
目前外延材料生长过程中气流和温度控制等技术仍不完美,在6英寸碳化硅单晶衬底上生长高均匀性的外延材料技术仍有一定挑战,一定程度影响了中低压碳化硅芯片良率的提高。
P型碳化硅外延技术仍不成熟。
高压碳化硅功率器件是双极型器件,对P型重掺杂外延材料提出了要求,目前尚无满足需求的低缺陷、重掺杂的P型碳化硅外延材料
近年来我国碳化硅外延材料技术获得了长足进展,申请了一系列的专利,正在缩小与其它国家的差距,已经开始批量采用本土4英寸单晶衬底材料,产品已经打入国际市场。
但是,以下两个方面存在巨大的风险
目前国内碳化硅外延材料产品以4英寸为主,由于受单晶衬底材料的局限,尚无法批量供货6英寸产品。
碳化硅外延材料加工设备全部进口,将制约我国独立自主产业的发展壮大。
3、碳化硅功率器件
虽然国际上碳化硅器件技术和产业化水平发展迅速,开始了小范围替代硅基二极管和IGBT的市场化进程,但是碳化硅功率器件的市场优势尚未完全形成,尚不能撼动目前硅功率半导体器件市场上的主体地位。国际碳化硅器件领域存在的问题主要有
碳化硅单晶及外延技术还不够完美,高质量的厚外延技术不成熟,这使得制造高压碳化硅器件非常困难,而外延层的缺陷密度又制约了碳化硅功率器件向大容量方向发展。
碳化硅器件工艺技术水平还比较低,这是制约碳化硅功率器件发展和推广实现的技术瓶颈,特别是高温大剂量高能离子注入工艺、超高温退火工艺、深槽刻蚀工艺和高质量氧化层生长工艺尚不理想,使得碳化硅功率器件中存在不同程度的高温和长期工作条件下可靠性低的缺陷。
在碳化硅功率器件的可靠性验证方面,其试验标准和评价方法基本沿用硅器件,尚未有专门针对碳化硅功率器件特点的可靠性试验标准和评价方法,导致试验情况与实际使用的可靠性有差距。
在碳化硅功率器件测试方面,碳化硅器件测试设备、测试方法和测试标准基本沿用硅器件的测试方法,导致碳化硅器件动态特性、安全工作区等测试结果不够准确,缺乏统一的测试评价标准。
除了以上共性问题外,我国碳化硅功率器件领域发展还存在研发时间短,技术储备不足,进行碳化硅功率器件研发的科研单位较少,研发团队的技术水平跟国外还有一定的差距等问题,特别是在以下三个方面差距巨大:
在SiC MOSFET器件方面的研发进展缓慢,只有少数单位具备独立的研发能力,存在一定程度上依赖国际代工企业来制造芯片的弊病,容易受制于人,产业化水平不容乐观。
碳化硅芯片主要的工艺设备基本上被国外公司所垄断,特别是高温离子注入设备、超高温退火设备和高质量氧化层生长设备等,国内大规模建立碳化硅工艺线所采用的关键设备基本需要进口。
碳化硅器件高端检测设备被国外所垄断。
 4、碳化硅功率模块
当前碳化硅功率模块主要有引线键合型和平面封装型两种。
为了充分发挥碳化硅功率器件的高温、高频优势,必须不断降低功率模块的寄生电感、降低互连层热阻,并提高芯片在高温下的稳定运行能力。
目前碳化硅功率模块存在的主要问题有:
采用多芯片并联的碳化硅功率模块,由于结电容小、开关速度高,因此在开关过程中会出现极高的电流上升率(di/dt)和电压上升率(dv/dt),在这种情况下会产生较严重的电磁干扰和额外损耗,无法发挥碳化硅器件的优良性能。
碳化硅功率模块的封装工艺和封装材料基本沿用了硅功率模块的成熟技术,在焊接、引线、基板、散热等方面的创新不足,功率模块杂散参数较大,可靠性不高。
碳化硅功率高温封装技术发展滞后。
目前碳化硅器件高温、高功率密度封装的工艺及材料尚不完全成熟。为了发挥碳化硅功率器件的高温优势,必须进一步研发先进烧结材料和工艺,在高温、高可靠封装材料及互连技术等方面实现整体突破。
5、碳化硅功率半导体存在的问题
尽管碳化硅功率器件应用前景广阔,但是目前受限于价格过高等因素,迄今为止,市场规模并不大,应用范围并不广,主要集中于光伏、电源等领域。目前碳化硅器件应用存在的主要问题有:
碳化硅功率器件的驱动技术尚不成熟。
为了充分发挥碳化硅功率器件的高频、高温特性,要求其驱动芯片具有工作温度高、驱动电流大和可靠性高的特点。目前驱动芯片沿用硅器件的驱动技术,尚不能满足要求。
碳化硅功率器件的保护技术尚不完善。
碳化硅功率器件具有开关频率快、短路时间短等特点,目前器件保护技术尚不能满足需求。
碳化硅器件的电路应用开关模型尚不能全面反映碳化硅功率器件的开关特性,尚不能对碳化硅器件的电路拓扑仿真设计提供准确的指导。
碳化硅功率器件应用中的电磁兼容问题尚未完全解决。
碳化硅功率器件应用的电路拓扑尚不够优化。
目前碳化硅功率器件的应用电路拓扑基本上沿用硅器件的电路拓扑,没有开发出完全发挥碳化硅功率器件优势的新型电路拓扑结构。
整体而言,第三代半导体技术尚处于发展状态,还有许多不足之处。以当前运用程度最高的碳化硅为例,其技术上尚有几个缺陷:
材料成本过高。
目前碳化硅芯片的工艺不如硅成熟,主要为4英寸晶圆,材料的利用率不高,而Si芯片的晶圆早已经发展到12寸。具体而言,相同规格的产品,碳化硅器件的整体价格达到硅器件的5-6倍。
高温损耗过大。
碳化硅器件虽然能在高温下运行,但其在高温条件下产生的高功率损耗很大程度上限制了其应用,这是与器件开发之初的目的相违背的。
封装技术滞后。
目前碳化硅模块所使用的封状技术还是沿用硅模块的设计,其可靠性和寿命均无法满足其工作温度的要求。
【技术发展趋势】
行业正在破除高制造成本、低技术成熟度两大发展屏障
如上所述,碳化硅器件性能优势突出、应用场景明确、又有产业链上下游龙头企业积极投入,可目前市场渗透率仍低。
究其原因,即为受制于高制造成本、低技术成熟度两大屏障破此二障,是技术发展方向的核心。碳化硅器件制造的四个环节(衬底制作,外延制作、芯片制程、封装测试)各有发力。
1)碳化硅器件制造成本高昂。
目前碳化硅二极管、MOSFET的成本大概是同类硅产品的2-3倍、5-10倍,而下游客户认为大规模应用碳化硅器件的普遍价格区间应是同类硅器件1.5倍左右。
成本高昂的主要因素是原材料价格高,尤其是占标准碳化硅器件成本50%的衬底晶圆。
碳化硅原材料的特性决定了高于硅晶圆的制备难度和成本。
制备温度方面,碳化硅衬底需要在2500度高温设备下进行生产,而硅晶只需1500度;生产周期方面,碳化硅晶圆约需要7至10天,而硅晶棒只需要2天半;商业化晶圆尺寸方面,目前碳化硅晶圆主要是4英寸与6英寸,而用于功率器件的硅晶圆以8英寸为主,这意味着碳化硅单晶片所产芯片数量较少、碳化硅芯片制造成本较高。
技术演进方向:衬底方面,国外龙头企业预计将在2022年左右开始批量生产8寸晶片;外延及器件方面,将继续提高产能及制造良品率。
2)碳化硅产业发展时间不长,有待更多应用验证。
碳化硅不像硅产业,已在几十年的研究中积累了一套很完整的数据。碳化硅的很多性能结论都是由硅的性质推导而来,不少特性数据有待进一步实证。
此外,碳化硅功率器件的产品组合尚未完善。
从整个功率半导体市场来看,功率器件种类多样,主要包括二极管、MOSFET、IGBT等,分别适用于不同的领域。
但是目前,碳化硅器件市场还以二极管为主,MOSFET尚未大规模推广,IGBT仍在研发。
碳化硅二极管主要用于替代硅二极管,结构复杂度较低,现已大规模商用化,2019年碳化硅二极管的碳化硅器件市场占比达到85%,可谓是目前最主要的碳化硅器件。
碳化硅MOSFET可替代硅基IGBT,大规模应用仍受限于产品性能稳定性及器件成熟性。碳化硅IGBT尚在研发,预计将在5-10年后才能看到相关器件原型。


技术演进方向:器件方面,正在发展3.3kv以上的高耐压器件、并引入沟槽式设计以提高器件性能和可靠性;封装方面,将优化封装工艺以发挥碳化硅耐高温优势。

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