Ascendendo co substrato: o ascenso da cadea industrial de substratos de SiC da China

1. Introdución a carburo de silicio

O carburo de silicio (SiC) é un carburo producido sinteticamente coa fórmula química SiC e un peso molecular de 40. Ten unha densidade de 3,22 g/cm³, un punto de fusión elevado de ata 2700 °C e unha dureza Mohs de 9,2–9,8, só superada polo diamante.

Como material semicondutor de terceira xeración, o carburo de silicio é un dos materiais ideais para a fabricación de dispositivos de alta temperatura, alta frecuencia, alta potencia e alta tensión. En comparación co silicio tradicional (Si), o carburo de silicio ten unha banda prohibida 3 veces maior, unha condutividade térmica 3 veces maior, unha intensidade de campo eléctrico de ruptura 10 veces maior e unha taxa de deriva de saturación de electróns 2 veces máis rápida que a do silicio.

En consecuencia, os dispositivos semicondutores baseados en carburo de silicio non só poden funcionar de forma estable a temperaturas máis altas e son axeitados para escenarios de aplicacións de alta tensión e alta frecuencia, senón que tamén conseguen unha maior eficiencia operativa con menor perda de enerxía. Unha comparación dos parámetros clave para as tres xeracións de materiais semicondutores móstrase na táboa seguinte.

2. Tipos de substrato de carburo de silicios

Os substratos serven como material base para os chips semicondutores, proporcionando principalmente soporte físico, condución térmica e condución eléctrica.

Segundo o "Catálogo de guías para a primeira demostración de aplicacións de novos materiais clave (edición de 2019)" publicado polo Ministerio de Industria e Tecnoloxía da Información (MIIT), os substratos de carburo de silicio pódense dividir en dous tipos segundo o rendemento eléctrico: uns son substratos de carburo de silicio semiillantes cunha resistividade ≥ 10⁵ Ω·cm; os outros son substratos de carburo de silicio condutores cunha resistividade entre 15 e 30 mΩ·cm. Tras o crecemento epitaxial, estes dous tipos de substratos utilízanse para a fabricación de dispositivos de radiofrecuencia (RF) e dispositivos de alimentación, respectivamente.

II. Cadea da industria de materiais de carburo de silicio

A cadea industrial baseada no material de carburo de silicio como substrato inclúe principalmente a preparación do substrato, o crecemento epitaxial, a fabricación de dispositivos e as aplicacións posteriores.

O substrato é o segmento coas maiores barreiras técnicas e a maior cota de valor na cadea industrial do carburo de silicio, e tamén é a clave para impulsar o futuro desenvolvemento industrial a grande escala do carburo de silicio. Na estrutura de custos de Dispositivo de carburo de silicios, os substratos representan ata o 46 %.

Os substratos semiillantes de carburo de silicio úsanse principalmente para a fabricación de dispositivos de radiofrecuencia de nitruro de galio (GaN), que se aplican en última instancia en campos como a comunicación 5G e a defensa. O crecemento dunha capa epitaxial de nitruro de galio sobre este substrato produce obleas epitaxiais de GaN sobre SiC, que logo se usan para fabricar dispositivos de radiofrecuencia de GaN.

Os substratos condutores de carburo de silicio úsanse principalmente para a fabricación de dispositivos de enerxía, e os seus mercados finais inclúen vehículos eléctricos, novas enerxías, transporte ferroviario, etc.

A diferenza do proceso utilizado para os dispositivos de alimentación tradicionais baseados en silicio, os dispositivos de alimentación de carburo de silicio requiren primeiro o crecemento dunha capa epitaxial de carburo de silicio sobre o substrato condutor para formar unha oblea epitaxial de SiC e, a continuación, a fabricación de varios dispositivos de alimentación sobre a capa epitaxial.

III. Proceso de produción de substrato de carburo de silicio

O proceso de preparación de substratos de carburo de silicio é complexo e tecnicamente desafiante, e implica pasos específicos como: síntese de materia prima, crecemento de cristais, procesamento de lingotes, corte en bólas, moenda de obleas, pulido de obleas, inspección de obleas e limpeza de obleas.

1. Síntese de materias primas
O po de silicio de alta pureza e o po de carbono de alta pureza mestúranse uniformemente nunha determinada proporción. Sintetízanse en partículas de carburo de silicio con estruturas cristalinas e tamaños de partícula específicos nunha cámara de reacción a alta temperatura superior a 2000 °C. Mediante procesos como a trituración, o peneirado e a limpeza, prodúcese materia prima de po de carburo de silicio de alta pureza para cumprir os requisitos para o crecemento cristalino.

2. Crecemento cristalino
O crecemento cristalino é o paso tecnicamente máis difícil na fabricación de substratos de carburo de silicio, xa que determina directamente as propiedades eléctricas do substrato. Os métodos convencionais de crecemento cristalino inclúen actualmente o método de transporte físico de vapor (PVT), o método de deposición química de vapor a alta temperatura (HTCVD) e o método de epitaxia en fase líquida (LPE).

Entre estes, o método PVT é o proceso principal para a produción comercial de substratos de SiC, xa que está tecnoloxicamente maduro e aplicado amplamente na enxeñaría. O método LPE considérase unha posible dirección de proceso futura.

(1) Transporte físico de vapor (PVT)
Ao cultivar cristais de SiC mediante o método PVT, colócanse micropó de carburo de silicio de alta pureza e un cristal semente na parte inferior e superior, respectivamente, dun crisol de grafito dentro dun forno de crecemento de monocristal, creando un gradiente de temperatura axial. O micropó de carburo de silicio sublima a altas temperaturas en compoñentes gasosos como Si₂C, SiC₂ e Si, que se transportan ao cristal semente baixo o gradiente de temperatura para nuclear e cristalizar, formando finalmente un lingote de carburo de silicio.

O método PVT ten custos de crecemento relativamente baixos, pero un dos principais desafíos actuais reside na obtención de materias primas de SiC de alta pureza, xa que as trazas de impurezas poden afectar significativamente a pureza do cristal.

(2) Deposición química de vapor a alta temperatura (HTCVD)
O método HTCVD implica a introdución de gases de alta pureza como silano, etano/propano e hidróxeno desde o fondo do reactor. Primeiro reaccionan na zona de alta temperatura para formar precursores de carburo de silicio, que logo seguen o fluxo de gas cara á zona de baixa temperatura para depositarse no cristal semente, formando o cristal de carburo de silicio.

A vantaxe deste método é o control preciso da relación Si/C, o que permite o crecemento continuo de cristais de alta pureza e alta calidade. Aínda que os custos dos equipos son máis elevados que os do método PVT e a súa aplicación aínda non está xeneralizada, os cristais producidos por HTCVD teñen menos defectos, alta calidade e baixo contido de impurezas, o que recibe unha atención crecente.

(3) Epitaxia en fase líquida (LPE)
No método LPE, un cristal semente de carburo de silicio fíxase ao extremo frontal dunha vara semente. O crisol de grafito contén materia prima de silicio e unha pequena cantidade de elementos dopantes, quentados por riba do punto de fusión do silicio (1500–1700 °C) para fundilo. A rotación do cristal semente ou a contrarrotación do crisol garante unha distribución uniforme do carbono e dos elementos dopantes na masa fundida. Despois, mediante un arrefriamento lento, a solución sobresaturase, o que leva ao crecemento de cristais de carburo de silicio no cristal semente.

O método LPE permite un crecemento radial controlable e pode producir cristais libres de defectos en microtubos, pero o custo de crecemento é relativamente alto.

3. Procesamento de lingotes
Usando un orientador de monocristal de raios X, oriéntase o lingote de carburo de silicio. Despois, líñase e redondéase mediante un procesamento mecánico de precisión para converterse nunha bóla de carburo de silicio de diámetro e ángulo estándar. Todas as bólas sométense a unha inspección dimensional e angular.

4. Cortar a bóla
Reservando marxes para o procesamento posterior, a bóla córtase en obleas de diferentes grosores usando serras de fío de diamante. Emprégase equipo de probas totalmente automático para inspeccionar os parámetros da forma da superficie, como a deformación, a curvatura e a variación total do grosor (TTV).

5. Moenda de obleas en rodajas
As obleas cortadas adelgazanse ata un grosor específico mediante unha pasta de moenda especializada, eliminando as marcas e os danos dos fíos superficiais. Todas as obleas cortadas inspecciónanse para determinar a forma da superficie e as propiedades eléctricas mediante equipos de proba totalmente automáticos e probadores de resistividade sen contacto.

6. Pulido de obleas solapadas
Para o pulido mecánico e químico das obleas lapeadas utilízanse suspensións de pulido específicas para eliminar arañazos superficiais, reducir a rugosidade e eliminar a tensión de procesamento, conseguindo unha planitude superficial a nivel nanométrico.

Os parámetros inspecciónanse mediante equipos como difractómetros de raios X, microscopios de forza atómica, probas de planitude superficial e probas completas de defectos superficiais. O grao de calidade das obleas pulidas determínase en función destas medicións.

7. Limpeza de obleas pulidas
Dentro dunha sala limpa de clase 100, as obleas pulidas límpanse con reactivos químicos específicos e auga desionizada para eliminar partículas superficiais, ións metálicos e contaminantes orgánicos. Despois do secado por centrifugación, empácanse en caixas de obleas limpas, formando finalmente os substratos de carburo de silicio.

IV. Tamaño do mercado en rápido crecemento dos substratos de carburo de silicio

Segundo datos de Gongyan Wang, o tamaño do mercado global de substratos de carburo de silicio alcanzou os 754 millóns de dólares en 2022, un aumento interanual do 27,8 %. Proxéctase que creza ata os 1.600 millóns de dólares en 2025.

En 2022, o tamaño do mercado global de substratos condutores de carburo de silicio foi de 512 millóns de dólares, o que representa o 67,9 %; o tamaño do mercado de substratos semiillantes de carburo de silicio foi de 242 millóns de dólares, o que representa o 32,1 %, como se mostra na figura seguinte.

V. Panorama competitivo do mercado de substratos de carburo de silicio

Actualmente, o mercado mundial de substratos de carburo de silicio condutivo está dominado principalmente por fabricantes estranxeiros.

En 2020, Wolfspeed tiña unha participación do 62 % no mercado mundial de substratos de carburo de silicio condutivo, e as tres principais empresas (CR3) tiñan o 89 %. Entre as empresas nacionais chinesas, Tianke HeDa tiña unha participación de mercado do 4 %. Os substratos de carburo de silicio condutivo son actualmente unha área clave para a substitución de importacións na China, cun amplo potencial de mercado.

Segundo estatísticas incompletas, entre as empresas nacionais que lograron a industrialización de substratos de carburo de silicio están Tianyue Advanced, Beijing Tianke HeDa Semiconductor Co., Ltd., Shanxi Shuoke Crystal Co., Ltd., Hebei Tongguang Semiconductor Co., Ltd., etc.

VI. Tendencias de desenvolvemento futuro dos substratos de carburo de silicio

Mellorar a eficiencia da produción e reducir os custos son as direccións principais para o desenvolvemento tecnolóxico dos substratos de carburo de silicio, sendo o aumento do tamaño do substrato unha vía clave. Os tamaños de substrato máis grandes permiten fabricar máis chips por unidade de área, reducindo así o custo medio dos chips.

Actualmente, 4 polgadas (100 mm) é a especificación principal para substratos de carburo de silicio semiillantes, mentres que 6 polgadas (150 mm) é a habitual para substratos de carburo de silicio condutores. Tendo en conta os custos e as tendencias de aplicación posteriores, os substratos de carburo de silicio semiillantes e condutores de 8 polgadas converteranse nas principais direccións de desenvolvemento da industria no futuro.