Движимая быстрым ростом электромобилей, систем возобновляемой энергии и коммуникационных технологий следующего поколения, индустрия подложек из карбида кремния (SiC) вступила в период ускоренного расширения. Являясь основным материалом в широкозонных полупроводниках, SiC обеспечивает работу устройств при высоких температурах, высоком напряжении и высокой частоте, выходя за пределы возможностей традиционного кремния. С увеличением производственных мощностей рынок движется к более широкому внедрению, снижению затрат и постоянному технологическому совершенствованию.
1. Обзор подложек из карбида кремния
1.1 Свойства карбида кремния
Карбид кремния (SiC) - это синтетическое соединение, состоящее из кремния и углерода. Он обладает очень высокой температурой плавления (~2700°C), твердостью, уступающей только алмазу, высокой теплопроводностью, широкой запрещенной зоной, высоким электрическим полем пробоя и высокой скоростью дрейфа насыщения электронов. Эти характеристики делают SiC одним из важнейших материалов для силовой электроники и радиочастотных применений.
1.2 Типы подложек SiC
Подложки SiC классифицируются по электрическому сопротивлению:
-
Полуизолирующие подложки (≥10⁵ Ω·см), используемые для GaN-on-SiC RF-устройств в связи 5G, радарах и высокочастотной электронике.
-
Проводящие подложки (15–30 мΩ·см), используемые для эпитаксиальных пластин SiC в силовых устройствах для электромобилей, возобновляемой энергии, промышленных модулей и железнодорожного транспорта.
2. Цепочка создания стоимости материалов SiC
Цепочка создания стоимости SiC состоит из синтеза сырья, выращивания кристаллов, обработки слитков, нарезки пластин, шлифовки, полировки, эпитаксиального роста, изготовления устройств и последующих применений. Среди этих этапов производство подложек имеет самые высокие технические барьеры и вклад в стоимость, составляя примерно 46% от общей стоимости устройства.
Полуизолирующие подложки поддерживают высокочастотные радиочастотные приложения, в то время как проводящие подложки обслуживают рынки высоковольтных устройств.
3. Процесс производства подложек SiC
Производство подложек SiC требует десятков высокоточных этапов для контроля дефектов, чистоты и однородности.
3.1 Синтез сырья
Высокочистые порошки кремния и углерода смешиваются и вступают в реакцию при температурах выше 2000°C с образованием порошка SiC с контролируемыми кристаллическими фазами и уровнями примесей.
3.2 Выращивание кристаллов
Выращивание кристаллов является наиболее важным этапом, влияющим на качество подложки. Основные методы включают:
-
PVT (Physical Vapor Transport - физический транспорт пара): Основной промышленный метод, при котором порошок SiC сублимируется и перекристаллизуется на затравочном кристалле.
-
HTCVD (High-Temperature CVD - химическое осаждение из паровой фазы при высокой температуре): Обеспечивает более высокую чистоту и более низкий уровень дефектов, но требует более сложного оборудования.
-
LPE (Liquid Phase Epitaxy - жидкофазная эпитаксия): Способна производить кристаллы с низким уровнем дефектов, но более дорогостоящая и сложная в масштабировании.
3.3 Обработка слитков
Выращенный кристалл ориентируется, формируется и шлифуется в стандартизированные слитки.
3.4 Нарезка пластин
Алмазные проволочные пилы разрезают слиток на пластины, которые проходят проверку на деформацию, прогиб и TTV.
3.5 Шлифовка и полировка
Механические и химические процессы истончают поверхность, удаляют повреждения и достигают плоскостности нанометрового уровня.
3.6 Окончательная очистка
Сверхчистые процедуры удаляют частицы, ионы металлов и органические загрязнения, производя конечную подложку SiC.
4. Обзор мирового рынка
Исследования отрасли показывают, что мировой рынок подложек SiC достиг примерно 754 миллионов долларов США в 2022 году, что составляет рост на 27,8% в годовом исчислении. Ожидается, что к 2025 году рынок достигнет 1,6 миллиарда долларов США.
На проводящие подложки приходится около 68% спроса, обусловленного электромобилями и возобновляемой энергией. На полуизолирующие подложки приходится около 32%, что обусловлено 5G и высокочастотными приложениями.
5. Конкурентная среда
Отрасль имеет высокие технические пороги, включая длительные циклы исследований и разработок, контроль дефектов кристаллов и требования к современному оборудованию. В то время как мировые поставщики в настоящее время занимают прочные позиции на рынке проводящих подложек, отечественные производители быстро улучшают качество выращивания кристаллов, контроль плотности дефектов и возможности работы с большими диаметрами. Конкурентоспособность по затратам будет все больше зависеть от повышения выхода продукции и масштабов производства.
6. Тенденции будущего развития
6.1 Большие диаметры подложек
Переход к пластинам большого диаметра необходим для снижения стоимости на устройство и увеличения производительности.
6.2 Снижение плотности дефектов
Снижение количества микропор, дислокаций в базисной плоскости и дефектов упаковки является ключом к достижению высокого выхода при производстве устройств.
6.3 Снижение затрат за счет масштаба
По мере того, как все больше производителей достигают промышленного масштаба производства, преимущества в затратах и стабильность поставок ускорят глобальное внедрение устройств SiC.
6.4 Спрос, обусловленный электрификацией и высоковольтными системами
Сильный импульс роста исходит от электромобилей, инфраструктуры быстрой зарядки, фотоэлектрических систем, систем накопления энергии, промышленных силовых модулей и передовых систем связи.
Заключение
Индустрия подложек из карбида кремния вступает в стратегическое окно роста, характеризующееся расширением областей применения, быстрым технологическим прогрессом и увеличением масштабов производства. По мере увеличения размеров пластин и улучшения качества кристаллов SiC будет играть все более важную роль в глобальных системах электрификации и преобразования энергии. Производители, лидирующие в области контроля дефектов, оптимизации выхода продукции и технологий больших диаметров, воспользуются следующей фазой рыночных возможностей.
Ваше сообщение должно содержать от 20 до 3000 символов!