Tyg av kiselkarbid

Den nya anläggningen kommer att tillverka krafthalvledare av kiselkarbid för att mer effektivt växla elektricitet i elfordon, snabbladdningsstationer, tåg och system för förnybar energi samt AI-datacenter - vilket skapar över 900 högvärdiga jobb.

SiC har distinkta materialegenskaper som kräver specifik efterbearbetning för etsning, mönstring och glödgning för ohmsk kontaktbildning med låg resistivitet - en process som kräver specialutrustning.

Fördelar

SIC-koder är användbara för att identifiera vilken typ av verksamhet och bransch ett företag tillhör. De två första siffrorna identifierar större sektorer medan de två sista identifierar specifika produkter eller tjänster som erbjuds av företaget. Genom att använda det standardiserade industriella klassificeringssystemet som används av regeringen för att samla in data om ekonomiska trender och rapportera ekonomiska händelser; finansinstitut använder det för att kategorisera företag. Dessutom innehåller skattedeklarationer, myndighetsdokument och företagsprofiler alla denna kod som referens.

Kisel är ett utmärkt material för lågeffektsapplikationer, men dess begränsningar blir tydliga vid högre effektområden. Kiselkarbid erbjuder fler temperatur-, frekvens- och spänningstoleranser än sin motsvarighet i kisel och gör det därför möjligt för konstruktörer att erbjuda kraftfulla men kostnadseffektiva lösningar till sina kunder.

SiC kan också switcha snabbare än kisel, vilket minskar antalet komponenter som krävs för switchning och därmed BOM-kostnader och fysisk storlek, vilket i slutändan sänker de totala systemkostnaderna avsevärt. SiC har dessutom en kortare Miller-platå, vilket ger lägre switchförluster som är direkt relaterade till switchningen.

Wolfspeeds SiC-enheter täcker effektområden från watt till megawatt och omfattar diskreta lösningar och högeffektsmoduler i en- och tvåkanaliga konfigurationer, vilket ger konstruktörerna flexibilitet när det gäller kostnad, effekttäthet och optimering av fysisk storlek/layout. SpeedFit design toolkit hjälper dem att modellera vanliga topologier innan de väljer den SiC-enhet som passar bäst för deras applikation.

Tillämpningar

SiC är ett av få material som kan uppfylla dessa specifikationer och samtidigt arbeta vid höga frekvenser. Tack vare den höga mättade drifthastigheten och den låga starttemperaturen kan SiC fungera tillförlitligt vid högre spänningar och frekvenser samtidigt som värmebudgetbegränsningarna uppfylls.

Det finns processer för gallring, etsning och dopning av kiselskivor för tillverkning av kiselkarbidkomponenter, men dessa processer är komplexa och måste skräddarsys specifikt för det material som SiC tillverkas av. På grund av dess inerta natur och höga krav på smältpunktsresistens krävs ofta torretsning med fluor- eller klorbaserade lösningar för torretsning; dessutom kräver dess motståndskraft mot skador exakt kontroll av artdos och energi i implantationstekniken.

För närvarande används SiC-tekniken i många stora industriprojekt för att minska energiförbrukningen. Bland applikationerna finns datacenter där effektivitet och kostnadseffektivitet är av yttersta vikt. Efterfrågan på SiC har ökat kraftigt på grund av ökande effektbehov samt miljöhänsyn när det gäller hållbara energilösningar.

SiC:s förmåga att tolerera höga temperaturer och spänningar gör det till en idealisk kandidat för kraftomvandlare i elfordon, vilket minskar energislöseriet samtidigt som laddningstiderna förkortas. SiC kan också användas i system för förnybar energi, t.ex. solcellsväxelriktare och vindkraftssystem, för att förbättra effektiviteten och minska förlusterna.

Kostnader

SiC-kraftenheter drivs av substratpriserna, som står för cirka 45-70% av produktionskostnaderna. Antagandet är beroende av denna faktor, och därför arbetar SiC-industrins medlemmar för att sänka dessa priser genom vertikal integration och effektivitetsåtgärder.

Wolfspeeds tillverkningscenter John Palmour i Durham, North Carolina, slutförde nyligen byggandet av sin 8-tums SiC-substratanläggning. Denna investering kommer att öka enhetsproduktionen per substrat samtidigt som tillverkningskostnaderna minskar; dessutom arbetar Wolfspeed för att ytterligare minska tillverkningskostnaderna för enheter genom att återanvända äldre 150 mm och 200 mm kiselvolymfabriker till produktionsanläggningar.

En anläggning för tillverkning av halvledare (fab) behöver utrustning samt kemikalier och gaser för litografi, metallmål, prekursormaterial, våtkemiska etsningssystem och diverse andra tjänster för att kunna drivas effektivt - kostnader som totalt överstiger $3B! Utöver detta tillkommer ytterligare kostnader för att bygga och driva själva fabriken, med ett behov av ett renrum på cirka 500.000 m2 klass 100 och 120.000 m2 för tillverkningskostnader för enheter.

Figur 2 illustrerar PGC Consultancys modell för kostnadsprognoser. Ingångarna till modellen är normaliserade till kända eller uppskattade kostnader för 150 mm-enheter 2021, men en övergång till 200 mm kanske inte leder till omedelbar kostnadsminskning på grund av nya generationer av enheter och förbättringar av substrat och enhetsdesign.

Tillverkning

SiC-enheter (Silicon Carbide) tillverkas som svar på den ökande efterfrågan på krafthalvledare och kan arbeta vid högre temperaturer, spänningar och effektnivåer än kiselkomponenter. SiC-enheter tål dessutom mer värme utan kylkostnader eller energislöseri, vilket gör dem idealiska för avbrottsfri strömförsörjning och 5G-basstationer, elfordon och laddningsstolpar.

Tillverkningsprocesser för SiC skiljer sig avsevärt från kiselproduktion. För att producera wafers av högsta kvalitet är det viktigt att välja en effektiv kemisk-mekanisk polering (CMP) och en effektiv padkonditioneringsprocess. Dessutom bör man noga överväga att välja ett verktyg som kan ge en jämn ytfinish samtidigt som waferns form inte förändras alls eller i mindre utsträckning. Pureon har ett nära samarbete med tillverkare för att tillhandahålla toppmoderna CMP-lösningar, t.ex. slurry för slutpolering samt optimala padkonditioneringsprocesser för CMP-tjänster.

Efter dopningen erbjuder centrotherm flera produkter som är utformade för att aktivera waferns kristallstruktur genom glödgning vid höga temperaturer, bland annat glödgningsugnen c.Activator som klarar temperaturer på upp till 2.000 grader Celsius.

Trots att kapacitetsutbyggnad nyligen tillkännagivits är det fortfarande osäkert om produktionskapaciteten för SiC-wafers för fordonsindustrin kan möta efterfrågan på elfordon och andra applikationer. Många företag investerar i ytterligare produktionskapacitet för att möta denna utmaning.