От 4 до 8 дюймов: десятилетие роста производства полупроводников SiC

В 2013 году в отрасли возник вопрос, можно ли вообще коммерциализировать карбид кремния. Десять лет спустя SiC используется в электромобилях и возобновляемых источниках энергии — и реальная конкуренция сместилась в сторону материалов, оборудования и производительности производства. За десятилетие размеры пластин SiC выросли с 4 до 8 дюймов по мере развития эпитаксиального оборудования. Помимо самой пластины, покрытия CVD SiC, Solid CVD SiC и покрытия TaC теперь обеспечивают надежную работу высокотемпературного и коррозионностойкого оборудования. VETEK Semiconductor поставляет все три материала для масштабного производства SiC.

Десятилетие трансформации SiC: от лабораторных материалов к массовым силовым полупроводникам

Карбид кремния превратился из многообещающего лабораторного материала в 2013 году в основную технологию, лежащую в основе электромобилей, силовой электроники и преобразования энергии сегодня, а фокус отрасли сместился с проверки технологии на освоение масштабного производства.

В таблице ниже показано, как изменились приоритеты отрасли SiC за последнее десятилетие.

2013 год по сравнению с сегодняшним днем: как сместился фокус индустрии SiC

Основная проблема коммерциализации SiC: технология эпитаксии

Эпитактическое оборудование всегда было техническим препятствием для коммерциализации карбида кремния — прогресс отрасли можно проследить непосредственно по эволюции эпитаксионных реакторов: от ранних 6-дюймовых платформ до современных автоматизированных систем 150 мм/200 мм.

В 2013 году коммерциализация SiC ускорялась, и производители оборудования конкурировали в основном за возможности эпитаксии SiC толщиной 6 дюймов (150 мм). Компания Semiconductor Today сообщила о нескольких типичных системах того времени:

Представитель оборудования для эпитаксии SiC, 2013 г.

Эти ранние системы были разработаны для решения четырех задач: достижения 6-дюймовой эпитаксии SiC, улучшения однородности эпитаксиального слоя, снижения плотности дефектов и удовлетворения потребностей ранней коммерциализации силовых устройств.

По мере того как внедрение электромобилей, инфраструктура зарядки электромобилей, системы солнечной энергии плюс системы хранения и промышленные рынки электроэнергии быстро расширялись, спрос на устройства SiC соответственно рос, а эпитаксионное оборудование превратилось из мелкосерийных платформ исследований и разработок в системы следующего поколения, созданные для крупномасштабного производства. Сегодняшние репрезентативные платформы включают в себя:

Представитель оборудования для эпитаксии SiC, сегодня

От 4 до 8 дюймов: как масштабирование пластин снижает затраты и повышает производительность

Каждый шаг по увеличению диаметра пластин SiC — с 4 до 6 дюймов, а теперь и до 8 дюймов — направлен на увеличение производительности одной пластины и снижение производственных затрат, и сейчас отрасль находится в середине перехода от 6 дюймов к 8 дюймам.

В 2013 году индустрия SiC стремилась перейти от 4-дюймовых к 6-дюймовым пластинам. В то время такие компании, как Cree, Dow Corning, Showa Dko и Norstel, расширяли свои 6-дюймовые SiC-подложки и мощности по эпитаксии. Цель перехода на более крупные пластины была простой: увеличить производительность одной пластины, снизить производственные затраты и улучшить масштабируемость в масштабах всей отрасли.

Прошло более десяти лет, и та же самая логика сейчас приводит к переходу с 6-дюймового экрана на 8-дюймовый. GlobalWafers, третий по величине производитель кремниевых пластин в мире, заявил, что производство 8-дюймовых SiC-подложек в отрасли резко ускорится в 2025–2026 годах — переход, который всего двумя годами ранее считался нереальным (GlobalWafers, 2023). Onsemi и Resonac также планируют к 2025 году провести квалификацию и наращивать темпы разработки 8-дюймовых подложек SiC и эпитаксиальных пластин (Compound Semiconductor News, 2024).

Что изменится, когда пластины SiC станут больше?

Поскольку требования к диаметру и качеству пластин растут, материалы и компоненты оборудования, используемые в производственном процессе, стали столь же решающими для прогресса SiC, как и сами пластины.

За пределами пластин: почему компоненты оборудования так же важны, как и SiC-чипы

Большую часть внимания привлекают SiC-пластины, МОП-транзисторы и силовые модули, но компоненты оборудования внутри реакторов эпитаксии и выращивания кристаллов работают в столь же экстремальных условиях — и одного только традиционного графита уже недостаточно для удовлетворения сегодняшних требований.

Обсуждения индустрии SiC обычно сосредотачиваются на трех вещах: пластинах SiC, МОП-транзисторах SiC и силовых модулях. На практике не менее важны компоненты оборудования, используемые для их изготовления. Внутри реакторов эпитаксии, печей для выращивания кристаллов и других высокотемпературных полупроводниковых процессов внутренние компоненты должны выдерживать:

• Среды со сверхвысокими температурами

• Коррозионные технологические газы, такие как H₂ и HCl.

• Строгие требования к чистоте во избежание загрязнения пластины.

Традиционный графит обеспечивает высокие тепловые характеристики, но при длительном использовании он склонен к поверхностной коррозии, образованию частиц и сокращению срока службы — все это напрямую угрожает выходу пластин и стабильности процесса. Именно этот пробел все чаще пытается закрыть технология нанесения покрытий CVD SiC.

Покрытие CVD SiC: технология, лежащая в основе надежного высокотемпературного оборудования

Эпитаксия SiC и покрытие SiC — это две разные технологии, служащие разным целям: эпитаксия создает сам полупроводниковый материал, а покрытие CVD SiC защищает оборудование, которое его производит.

Эпитаксия SiC используется для производства полупроводниковых материалов. Покрытие SiC CVD, напротив, наносится в первую очередь на критически важные внутренние компоненты полупроводникового оборудования, чтобы повысить их устойчивость к высоким температурам и коррозии.

Эпитаксия SiC против покрытия SiC: две разные технологии 

Как работает композит графит + SiC

Графитовые компоненты с покрытием CVD SiC в настоящее время широко используются в оборудовании для эпитаксии SiC, оборудовании MOCVD, оборудовании для светодиодной эпитаксии и оборудовании для термической обработки RTP/RTA. Нанесение плотного слоя SiC на графит высокой чистоты объединяет сильные стороны обоих материалов:

Почему графит + SiC работает как композит

Передовые решения VETEK Semiconductor для материалов SiC

Поскольку полупроводники третьего поколения продолжают масштабироваться, VETEK Semiconductor предлагает три взаимодополняющих решения по материалам — графит с CVD-покрытием SiC, твердое CVD-SiC и покрытие TaC — разработанные с учетом особых термических и химических требований производственного оборудования SiC.

Графитовые компоненты с CVD-покрытием SiC

Графитовые компоненты VETEK с CVD-покрытием SiC используются в эпитаксических токоприемниках SiC, носителях MOCVD, носителях пластин, компонентах полумесяца и полупроводниковых тепловых компонентах.

• Покрытие SiC высокой чистоты.

• Превосходная термическая однородность

• Высокотемпературная стабильность

• Сильная коррозионная стойкость

Графитовые компоненты VETEK с CVD-покрытием SiC для эпитаксии SiC, MOCVD и полупроводниковой термической обработки.

Твердые компоненты CVD SiC

Для сложных процессов травления и высокотемпературных процессов Solid CVD SiC обеспечивает более высокий уровень характеристик материала. Типичные области применения включают кольца фокусировки, компоненты RTP/EPI и компоненты плазменного процесса.

• Плотная, непористая структура.

• Чрезвычайно низкое образование частиц

• Отличная стойкость к плазме

• Длительный срок службы

Твердые фокусировочные кольца CVD SiC и плазматехнологические компоненты для расширенных приложений травления и RTP/EPI.

Решения для нанесения покрытий TaC

Поскольку температура роста кристаллов SiC продолжает расти, покрытия из карбида тантала (TaC) стали важным материалом для сверхвысокотемпературных тепловых полей. TaC обеспечивает более высокую температурную стабильность, превосходную стойкость к окислению и выдающуюся химическую стабильность — подходит для оборудования для выращивания кристаллов SiC, компонентов высокотемпературного термического поля и производственных сред полупроводников третьего поколения.

Компоненты горячей зоны с покрытием TaC, разработанные для выращивания кристаллов SiC при сверхвысоких температурах.

Вместе эти три линейки продуктов удовлетворяют различные термические и химические требования, возникающие в производственной цепочке SiC:

Обзор трех решений VETEK в области материалов SiC

Часто задаваемые вопросы

1. В чем разница между эпитаксией SiC и покрытием SiC?

Эпитаксия SiC выращивает кристаллический слой карбида кремния для изготовления полупроводниковых пластин и устройств. Покрытие SiC (CVD SiC) наносит тонкий и плотный слой SiC на графит или другие подложки для защиты компонентов оборудования от нагрева и коррозии. В рамках одной производственной цепочки они служат разным целям.

2. Почему графит покрывают карбидом кремния, а не используют отдельно?

Необработанный графит обладает превосходной теплопроводностью и стабильностью, но с течением времени он корродирует и образует частицы под воздействием высоких температур и газов, таких как H₂ и HCl. Плотное покрытие CVD SiC повышает твердость, химическую стойкость и высокотемпературную стабильность, сохраняя при этом тепловые характеристики графита.

3. Для чего используется твердый CVD SiC?

Твердый CVD SiC — это полностью плотный, непористый материал из карбида кремния, используемый в передовых процессах травления и высокотемпературных процессах, включая кольца фокусировки, компоненты RTP/EPI и детали плазменной обработки — приложения, которые требуют чрезвычайно низкого образования частиц и длительного срока службы.

4. Почему для выращивания кристаллов SiC необходимо покрытие TaC?

Поскольку процессы роста кристаллов SiC приближаются к более высоким температурам, компонентам горячей зоны нужны материалы, которые устойчивы к окислению и остаются химически стабильными при экстремальных температурах. Покрытия TaC обеспечивают более высокую температурную стабильность, чем один только графит, что делает их хорошо подходящими для печей для выращивания кристаллов SiC и высокотемпературных компонентов теплового поля.

5. Почему индустрия переходит от 6-дюймовых к 8-дюймовым пластинам SiC?

Пластины большего размера увеличивают количество кристаллов на пластину, что снижает стоимость производства одного чипа и улучшает масштабируемость. Производители пластин и чипов в настоящее время аттестуют 8-дюймовые подложки SiC и эпитаксиальные пластины для удовлетворения растущего спроса со стороны электромобилей, возобновляемых источников энергии и промышленной силовой электроники.

Резюме: Производство SiC вступило в эпоху конкуренции технологических возможностей

Главный вопрос индустрии карбида кремния изменился — от того, можно ли коммерциализировать этот материал, к тому, насколько эффективно, чисто и последовательно его можно производить в больших масштабах.

В 2013 году центральный вопрос отрасли заключался в том, можно ли вообще коммерциализировать SiC. Сегодня, более десяти лет спустя, этот вопрос стал следующим: как можно производить продукцию SiC с более высокой эффективностью, меньшим количеством дефектов и большей стабильностью?

Поскольку индустрия SiC продолжает расширяться, основными направлениями развития отрасли остаются пластины большего диаметра, модернизированная технология эпитаксии и оптимизированное производственное оборудование. В то же время высокочистые покрытия CVD SiC, материалы Solid CVD SiC и TaC становятся ключевыми технологиями для обеспечения стабильности производства полупроводников.

VETEK Semiconductor по-прежнему специализируется на передовых полупроводниковых материалах, предоставляя надежные решения в области материалов для эпитаксии SiC, выращивания кристаллов и высокотемпературного производства полупроводников, поддерживая следующее поколение полупроводниковой промышленности.

О ВЕТЭК Полупроводник

VETEK Semiconductor разрабатывает и производит графит с покрытием CVD SiC, компоненты с покрытием Solid CVD SiC и TaC для эпитаксии SiC, MOCVD, выращивания кристаллов и высокотемпературного полупроводникового оборудования. Эта статья была подготовлена ​​командой разработчиков материалов VETEK на основе отраслевых отчетов Semiconductor Today и текущего анализа рынка SiC-подложек и отражает непосредственный опыт VETEK в поставках компонентов на производственные линии SiC.

Источники: Semiconductor Today (отраслевой обзор 2013 г.); Публичные заявления GlobalWafers (2023 г.); Новости о сложных полупроводниках (2024 г.); Анализ цен на пластины Patsnap Eureka SiC (2025 г.). Цифры и характеристики оборудования продукции ВЕТЭК основаны на внутренней документации продукта.