Zagadka kosztów substratów z węglika krzemu

Węglik krzemu (SiC) zdecydowanie wkroczył 'na salony' rozwiązań półprzewodnikowych i jest to niezwykle istotna sprawa. Widać to było na całych targach APEC 2023. Jednakże każdej tego rodzaju ekspozycji towarzyszyło zastrzeżenie — koszt urządzenia SiC jest znacznie wyższy niż jego krzemowego odpowiednika. Kilka seminariów i prezentacji odnoszących się do SiC dostarczyło szczegółowych informacji z pierwszej ręki na temat problemów związanych z wydatkami i tego, co robi branża, aby im zaradzić. W swoim przemówieniu zatytułowanym: „Silicon Carbide Mass Commercialization and Future Trends” na APEC 2023, Victor Veliadis, dyrektor wykonawczy i CTO w Power America, przedstawił, jak kształtują się koszty płytek. A także, jakie są wady, jak wygląda skalowalność obszaru urządzenia, jego niezawodność i wytrzymałość, mając na myśli główne bariery dla szerokiego wykorzystania SiC w energoelektronice nowej generacji. Power America to konsorcjum kierowane przez przedstawicieli przemysłu, uniwersytetów i laboratoriów krajowych. „Dostępne na rynku procesy produkcyjne dla krzemu są usprawnione i zapewniają wysoką wydajność” — wskazuje Veliadis. „W przypadku SiC potrzebujesz procesów, które są specyficzne dla niego, ponieważ jest to bardzo twardy materiał”. To sprawia, że płytki SiC — obecnie o średnicy od 150 mm do 200 mm — są wysoce złożone w wytwarzaniu. „Większy poziom skomplikowania nieuchronnie prowadzi do wyższych kosztów” — zauważył.

Podkreślając potrzebę tworzenia nowych modeli fabryk i tętniącej życiem infrastruktury produkcyjnej SiC, zaproponował wykorzystanie starego sprzętu do wytwarzania urządzeń krzemowych uzupełnionego o narzędzia charakterystyczne dla SiC. „Trzeba przetwarzać SiC w fabrykach krzemowych, korzystając z 30-letniego sprzętu, dodając instrumenty specyficzne dla SiC i badając ekonomię skali”.

Zawężając się do najważniejszej kwestii — wydatków — firma Veliadis stwierdziła, że od 40% do 60% tychże odnoszących się do urządzeń SiC pochodzi ze środków przeznaczonych na poczet substratu. „Złożoność podłoża jest kluczowym czynnikiem wpływającym na koszt sprzętów innych niż krzemowe” — dodał. To wyjaśnia, dlaczego kilku głównych graczy, takich jak STMicroelectronics i onsemi, proaktywnie zwiększa podaż płytek SiC.

Powrót integracji pionowej

Firma STMicroelectronics, która wyróżnia się na tym froncie, najpierw przejęła szwedzkiego dostawcę płytek SiC Norstel. Po to, by następnie pogłębić współpracę z francuskim dostarczycielem materiałów Soitec w zakresie technologii podłoża SiC. Soitec jest jednym z pierwszych podmiotów oferujących 200-milimetrowe płytki SiC. Ponadto, aby przyspieszyć produkcję urządzeń SiC, ST buduje nową fabrykę w Katanii we Włoszech, która jest dedykowana sprzętom danego rodzaju. Oprócz zakładów front-end w ww. lokalizacji i w Ang Mo Kio w Singapurze, ST posiada zaplecze do montażu i testowania w Shenzhen w Chinach i Bouskoura w Maroku. Dodatkowo firma ta rozpoczęła produkcję małoseryjną na linii 150 mm do wytwarzania substratów w Norrkoping w Szwecji. Tutaj również eksperymentuje z prototypami 200 mm, aby poprawić jakość i wydajność procesu wytwórczego.

Na konferencji APEC, mówiąc o skupieniu się marki ST na zarządzaniu płytkami SiC, Gianluca Aureliano, menedżer ds. rynku motoryzacyjnej elektroniki mocy, skomentował: „Dedykowane maszyny do produkcji SiC mogą wiązać się z dodatkowymi kosztami. [...] To nowy materiał, więc wydatek na jego rzecz jest istotnym czynnikiem”.



Pięć lat po odziedziczeniu biznesu SiC od Fairchild Semiconductor i przekształceniu go w strategiczny zakład dla rynków motoryzacyjnych i przemysłowych, onsemi przejęło również GT Advanced Technologies (GTAT), dostawcę materiałów SiC w New Hampshire. Warto w tym miejscu wspomnieć, że Fairchild podjął szwedzki startup TranSiC, aby wejść w sektor SiC, zanim sam został wykupiony przez onsemi w 2016 roku. Ponadto ta ostatnia marka i Infineon zawarły umowy na dostawę płytek SiC z GTAT, nim onsemi przejęło GTAT w ramach transakcji gotówkowej o wartości 415 milionów dolarów. Co miało na celu wzmocnić dostawy konkurencyjnych płytek SiC. Teraz onsemi planuje rozszerzyć technologię wzrostu kryształów SiC firmy GTAT na substraty o średnicy 150 mm i 200 mm.

Koszty warstwy epitaksjalnej

Peter Friedrichs, starszy dyrektor ds. elementów szerokiego pasma wzbronionego w Infineon Technologies, przyznał, że substraty są głównym punktem wydatkowania środków w urządzeniach SiC. Jednakże, rezonując z poglądami Veliadisa, zauważył, że produkcja SiC niewiele różni się od krzemowych IGBT. „To otwiera drzwi do używania fabryk krzemowych ze specjalistycznymi narzędziami dla SiC”. Friedrichs zaobserwował również, że proces epitaksjalny stanowi głównie koszt. Epi-wafle SiC są wytwarzane poprzez osadzanie i wzrost epitaksjalnej warstwy SiC na powierzchni monokrystalicznego podłoża SiC. „Epitaksja wymaga złożonych instrumentów, które również są drogie” — dodał. Firma Infineon przyjęła wieloźródłowe podejście do podłoży SiC, aby przeciwdziałać wpływowi kosztów płytek. W tym miejscu warto zauważyć, że dostawcy tychże, tacy jak Resonac, oferują obecnie narzędzia, które zapobiegają rozszerzaniu się defektów dyslokacji istniejących w podłożu SiC do warstwy epitaksjalnej SiC.



Friedrichs i Veliadis zgadzają się co do innego kluczowego założenia: wysokie nakłady odnoszące się do urządzeń SiC można zrekompensować poprzez zmniejszenie ogólnych wydatków na poziomie systemu. „Niższy koszt systemu uda się osiągnąć dzięki zredukowanej ilości elementów magnetycznych przy wyższej częstotliwości i uproszczonemu zarządzaniu temperaturą” — powiedział Veliadis w swoim przemówieniu. Oprócz wydatków, wady płytek są poważnym problemem w produkcji urządzeń SiC. „Występowanie defektów ogranicza skalowalność obszaru sprzętów” — wskazał Veliadis. „Aby zminimalizować niedociągnięcia, inżynierowie muszą kontrolować stabilność progową”. W ten sposób mogą tworzyć urządzenia o większej powierzchni, zmniejszając liczbę defektów. Solidność sprzętów SiC jest kolejną kluczową kwestią. Wiąże się ona z wysoką odpornością na zjawiska lawinowe. „Wytrzymałość obwodu SiC jest możliwa dzięki szybkim sterownikom bramek z funkcjami zabezpieczającymi” — powiedział Veliadis. To pokazuje drogę naprzód i wyzwania, które z czasem zostaną przezwyciężone.

Oczekuje się, że przy większym skupieniu na wzroście kryształów SiC, warstwie epitaksjalnej i niezawodnym dostarczaniu płytek, koszt komponentów SiC spadnie z czasem. Chociaż wyzwania są realne, stawka jest zbyt wysoka, aby status quo mógł długo trzymać postęp SiC jako zakładnika.

Źródło: https://www.edn.com/silicon-carbides-wafer-cost-conundrum-and-the-way-forward/