L'essor du substrat : la chaîne industrielle chinoise des substrats SiC
1. Introduction à carbure de silicium
Le carbure de silicium (SiC) est un carbure produit synthétiquement avec la formule chimique SiC et un poids moléculaire de 40. Il a une densité de 3,22 g/cm³, un point de fusion élevé jusqu'à 2700 °C et une dureté Mohs de 9,2 à 9,8, juste derrière le diamant.
Matériau semi-conducteur de troisième génération, le carbure de silicium est idéal pour la fabrication de dispositifs haute température, haute fréquence, haute puissance et haute tension. Comparé au silicium traditionnel (Si), le carbure de silicium présente une bande interdite trois fois plus large, une conductivité thermique trois fois supérieure, une rigidité diélectrique dix fois plus élevée et une vitesse de saturation électronique deux fois plus rapide.
Par conséquent, les dispositifs semi-conducteurs à base de carbure de silicium fonctionnent de manière stable à des températures plus élevées et conviennent aux applications haute tension et haute fréquence. De plus, ils offrent un rendement opérationnel supérieur et des pertes énergétiques réduites. Le tableau ci-dessous compare les principaux paramètres des trois générations de matériaux semi-conducteurs.
2. Types de Substrat en carbure de siliciums
Les substrats servent de matériau de base aux puces semi-conductrices, assurant principalement le support physique, la conduction thermique et la conduction électrique.
D’après le « Catalogue de recommandations pour la première démonstration d’application des nouveaux matériaux clés (édition 2019) » publié par le ministère de l’Industrie et des Technologies de l’information (MIIT), les substrats en carbure de silicium se divisent en deux catégories selon leurs performances électriques : les substrats semi-isolants, dont la résistivité est supérieure ou égale à 10⁵ Ω·cm, et les substrats conducteurs, dont la résistivité se situe entre 15 et 30 mΩ·cm. Après croissance épitaxiale, ces deux types de substrats sont utilisés respectivement pour la fabrication de dispositifs radiofréquences (RF) et de dispositifs de puissance.
II. Chaîne de valeur de l'industrie des matériaux en carbure de silicium
La chaîne industrielle basée sur le carbure de silicium comme substrat comprend principalement la préparation du substrat, la croissance épitaxiale, la fabrication des dispositifs et les applications en aval.
Le substrat est le segment présentant les barrières techniques les plus élevées et la plus grande part de valeur dans la chaîne de valeur de l'industrie du carbure de silicium ; il est également essentiel pour stimuler le développement industriel à grande échelle du carbure de silicium. Dans la structure des coûts de Dispositif en carbure de siliciums, les substrats représentent jusqu'à 46 %.
Les substrats semi-isolants en carbure de silicium sont principalement utilisés pour la fabrication de dispositifs radiofréquences en nitrure de gallium (GaN), destinés notamment aux communications 5G et à la défense. La croissance d'une couche épitaxiale de nitrure de gallium sur ce substrat permet d'obtenir des plaquettes épitaxiales GaN sur SiC, qui servent ensuite à la fabrication de dispositifs RF en GaN.
Les substrats conducteurs en carbure de silicium sont principalement utilisés pour la fabrication de dispositifs de puissance, avec des marchés finaux tels que les véhicules électriques, les énergies nouvelles, le transport ferroviaire, etc.
Contrairement au procédé utilisé pour les dispositifs de puissance traditionnels à base de silicium, les dispositifs de puissance en carbure de silicium nécessitent d'abord la croissance d'une couche épitaxiale de carbure de silicium sur le substrat conducteur pour former une plaquette épitaxiale de SiC, puis la fabrication de divers dispositifs de puissance sur la couche épitaxiale.
III. Procédé de production de substrats en carbure de silicium
Le processus de préparation des substrats en carbure de silicium est complexe et techniquement exigeant, impliquant des étapes spécifiques telles que : la synthèse des matières premières, la croissance cristalline, le traitement des lingots, le découpage des boules, le meulage des plaquettes, le polissage des plaquettes, l'inspection des plaquettes et le nettoyage des plaquettes.
1. Synthèse des matières premières
On mélange uniformément de la poudre de silicium et de la poudre de carbone de haute pureté dans des proportions précises. Ces poudres sont ensuite transformées en particules de carbure de silicium présentant des structures cristallines et des granulométries spécifiques, dans une chambre de réaction à plus de 2 000 °C. Grâce à des procédés tels que le broyage, le tamisage et le nettoyage, on obtient une matière première en poudre de carbure de silicium de haute pureté, répondant aux exigences de la croissance cristalline.
2. Croissance cristalline
La croissance cristalline est l'étape la plus complexe techniquement dans la fabrication des substrats en carbure de silicium, car elle détermine directement les propriétés électriques de ces derniers. Les principales méthodes de croissance cristalline comprennent actuellement le transport physique en phase vapeur (PVT), le dépôt chimique en phase vapeur à haute température (HTCVD) et l'épitaxie en phase liquide (LPE).
Parmi ces procédés, la méthode PVT est la méthode dominante pour la production commerciale de substrats SiC ; elle est technologiquement mature et largement utilisée en ingénierie. La méthode LPE est considérée comme une piste prometteuse pour l’avenir.
(1) Transport physique de vapeur (PVT)
Lors de la croissance de cristaux de SiC par la méthode PVT, une micropoudre de carbure de silicium de haute pureté et un germe cristallin sont placés respectivement au fond et en haut d'un creuset en graphite, à l'intérieur d'un four de croissance monocristalline, créant ainsi un gradient de température axial. La micropoudre de carbure de silicium se sublime à haute température en composants gazeux tels que Si₂C, SiC₂ et Si, qui sont transportés vers le germe cristallin sous l'effet du gradient de température pour y nucléer et cristalliser, formant ainsi un lingot de carbure de silicium.
La méthode PVT présente des coûts de croissance relativement faibles, mais un défi majeur actuel réside dans l'obtention de matières premières SiC de haute pureté, car des impuretés à l'état de traces peuvent affecter considérablement la pureté des cristaux.
(2) Dépôt chimique en phase vapeur à haute température (HTCVD)
La méthode HTCVD consiste à introduire des gaz de haute pureté, tels que le silane, l'éthane/propane et l'hydrogène, par le bas du réacteur. Ces gaz réagissent d'abord dans la zone à haute température pour former des précurseurs de carbure de silicium, qui suivent ensuite le flux gazeux vers la zone à basse température pour se déposer sur le germe cristallin et former ainsi le cristal de carbure de silicium.
L'avantage de cette méthode réside dans le contrôle précis du rapport Si/C, permettant la croissance continue de cristaux de haute pureté et de haute qualité. Bien que le coût des équipements soit supérieur à celui de la méthode PVT et que son application reste encore limitée, les cristaux produits par HTCVD présentent moins de défauts, une qualité élevée et une faible teneur en impuretés, ce qui explique l'intérêt croissant qu'elle suscite.
(3) Épitaxie en phase liquide (LPE)
Dans la méthode LPE, un germe cristallin de carbure de silicium est fixé à l'extrémité d'une tige porte-semence. Le creuset en graphite contient du silicium brut et une faible quantité d'éléments dopants. Il est chauffé à une température supérieure au point de fusion du silicium (1500–1700 °C) pour le faire fondre. La rotation du germe cristallin ou la contre-rotation du creuset assure une distribution uniforme du carbone et des éléments dopants dans le bain de fusion. Ensuite, par un refroidissement lent, la solution devient sursaturée, ce qui induit la croissance de cristaux de carbure de silicium sur le germe cristallin.
La méthode LPE permet une croissance radiale contrôlable et peut produire des cristaux exempts de défauts de micropipes, mais le coût de croissance est relativement élevé.
3. Traitement des lingots
L'orientation du lingot de carbure de silicium est réalisée à l'aide d'un orienteur monocristallin à rayons X. Il est ensuite rectifié et arrondi par usinage mécanique de précision afin d'obtenir une boule de carbure de silicium de diamètre et d'angle standard. Toutes les boules font l'objet d'un contrôle dimensionnel et angulaire.
4. Découpe de boule
Tout en prévoyant une marge pour les étapes de traitement ultérieures, la boule est découpée en tranches d'épaisseurs différentes à l'aide de scies à fil diamanté. Un équipement de contrôle entièrement automatisé est utilisé pour inspecter les paramètres de forme de surface tels que la déformation, le cintrage et la variation totale d'épaisseur (TTV).
5. Broyage des gaufrettes tranchées
Les plaquettes découpées sont amincies à une épaisseur spécifiée à l'aide d'une suspension abrasive spéciale, ce qui permet d'éliminer les marques de câblage et les dommages en surface. Toutes les plaquettes découpées sont inspectées afin de vérifier leur état de surface et leurs propriétés électriques grâce à des équipements de test entièrement automatisés et des testeurs de résistivité sans contact.
6. Polissage des plaquettes rodées
Des pâtes à polir spécifiques sont utilisées pour le polissage mécanique et le polissage chimique des plaquettes rodées afin d'éliminer les rayures de surface, de réduire la rugosité et d'éliminer les contraintes de traitement, permettant ainsi d'obtenir une planéité de surface à l'échelle nanométrique.
Les paramètres sont contrôlés à l'aide d'équipements tels que des diffractomètres à rayons X, des microscopes à force atomique, des testeurs de planéité de surface et des analyseurs de défauts de surface. Le degré de qualité des plaquettes polies est déterminé à partir de ces mesures.
7. Nettoyage des plaquettes polies
Dans une salle blanche de classe 100, les plaquettes polies sont nettoyées à l'aide de réactifs chimiques spécifiques et d'eau déminéralisée afin d'éliminer les particules de surface, les ions métalliques et les contaminants organiques. Après séchage par centrifugation, elles sont conditionnées dans des boîtes propres pour plaquettes, formant ainsi les substrats en carbure de silicium.
IV. Croissance rapide du marché des substrats en carbure de silicium
D'après les données de Gongyan Wang, le marché mondial des substrats en carbure de silicium a atteint 754 millions de dollars en 2022, soit une augmentation de 27,8 % par rapport à l'année précédente. Il devrait atteindre 1,6 milliard de dollars d'ici 2025.
En 2022, la taille du marché mondial des substrats conducteurs en carbure de silicium était de 512 millions de dollars, représentant 67,9 % ; la taille du marché des substrats semi-isolants en carbure de silicium était de 242 millions de dollars, représentant 32,1 %, comme le montre la figure ci-dessous.
V. Paysage concurrentiel du marché des substrats en carbure de silicium
Actuellement, le marché mondial des substrats conducteurs en carbure de silicium est principalement dominé par les fabricants étrangers.
En 2020, Wolfspeed détenait 62 % du marché mondial des substrats conducteurs en carbure de silicium, les trois principaux acteurs (CR3) en contrôlant à eux seuls 89 %. Parmi les entreprises chinoises, Tianke HeDa détenait 4 % du marché. Les substrats conducteurs en carbure de silicium constituent actuellement un axe majeur de substitution aux importations en Chine, avec un fort potentiel de marché.
Selon des statistiques incomplètes, les entreprises nationales qui ont industrialisé la production de substrats en carbure de silicium comprennent Tianyue Advanced, Beijing Tianke HeDa Semiconductor Co., Ltd., Shanxi Shuoke Crystal Co., Ltd., Hebei Tongguang Semiconductor Co., Ltd., etc.
VI. Tendances futures de développement des substrats en carbure de silicium
L'amélioration de l'efficacité de la production et la réduction des coûts sont les axes principaux du développement technologique des substrats en carbure de silicium, l'augmentation de leur taille constituant une voie essentielle. Des substrats plus grands permettent de fabriquer davantage de puces par unité de surface, réduisant ainsi le coût moyen des puces.
Actuellement, le format standard pour les substrats semi-isolants en carbure de silicium est de 4 pouces (100 mm), tandis que celui des substrats conducteurs est de 6 pouces (150 mm). Compte tenu des coûts et des tendances d'application en aval, les substrats semi-isolants de 6 pouces et les substrats conducteurs de 8 pouces en carbure de silicium constitueront les axes de développement clés de l'industrie à l'avenir.