Được thúc đẩy bởi sự trỗi dậy nhanh chóng của xe điện, hệ thống năng lượng tái tạo và các công nghệ truyền thông thế hệ tiếp theo, ngành công nghiệp chất nền silicon carbide (SiC) đã bước vào giai đoạn mở rộng nhanh chóng. Là một vật liệu cốt lõi trong chất bán dẫn dải rộng, SiC cho phép hiệu suất thiết bị ở nhiệt độ cao, điện áp cao và tần số cao vượt quá giới hạn của silicon truyền thống. Với việc năng lực sản xuất tăng lên, thị trường đang hướng tới việc áp dụng rộng rãi hơn, chi phí thấp hơn và liên tục cải tiến công nghệ.
Silicon carbide (SiC) là một hợp chất tổng hợp bao gồm silicon và carbon. Nó có điểm nóng chảy rất cao (~2700°C), độ cứng chỉ đứng sau kim cương, độ dẫn nhiệt cao, dải năng lượng rộng, cường độ điện trường phá vỡ cao và tốc độ trôi bão hòa electron nhanh. Những đặc tính này làm cho SiC trở thành một trong những vật liệu quan trọng nhất cho các ứng dụng điện tử công suất và RF.
Chất nền SiC được phân loại theo điện trở suất:
Chất nền cách điện bán dẫn ( ≥10⁵ Ω·cm), được sử dụng cho các thiết bị GaN-on-SiC RF trong truyền thông 5G, radar và điện tử tần số cao.
Chất nền dẫn điện (15–30 mΩ·cm), được sử dụng cho các tấm wafer SiC trong các thiết bị điện cho xe điện, năng lượng tái tạo, mô-đun công nghiệp và giao thông đường sắt.
Chuỗi giá trị SiC bao gồm tổng hợp nguyên liệu thô, nuôi cấy tinh thể, gia công thỏi, cắt wafer, mài, đánh bóng, phát triển lớp màng mỏng, chế tạo thiết bị và các ứng dụng hạ nguồn. Trong số các bước này, sản xuất chất nền có rào cản kỹ thuật và đóng góp chi phí cao nhất, chiếm khoảng 46% tổng chi phí thiết bị.
Chất nền cách điện bán dẫn hỗ trợ các ứng dụng RF tần số cao, trong khi chất nền dẫn điện phục vụ thị trường thiết bị điện áp cao và công suất cao.
Sản xuất chất nền SiC đòi hỏi hàng chục bước có độ chính xác cao để kiểm soát các khuyết tật, độ tinh khiết và tính đồng nhất.
Bột silicon và carbon có độ tinh khiết cao được trộn và phản ứng ở nhiệt độ trên 2000°C để tạo thành bột SiC với các pha tinh thể và mức tạp chất được kiểm soát.
Nuôi cấy tinh thể là bước quan trọng nhất ảnh hưởng đến chất lượng chất nền. Các phương pháp chính bao gồm:
PVT (Vận chuyển hơi vật lý): Phương pháp công nghiệp chủ đạo, trong đó bột SiC thăng hoa và kết tinh lại trên một tinh thể mầm.
HTCVD (CVD nhiệt độ cao): Cho phép độ tinh khiết cao hơn và mức khuyết tật thấp hơn nhưng yêu cầu thiết bị phức tạp hơn.
LPE (Tạo lớp màng mỏng pha lỏng): Có khả năng tạo ra các tinh thể ít khuyết tật nhưng chi phí cao hơn và phức tạp hơn để mở rộng quy mô.
Tinh thể đã phát triển được định hướng, tạo hình và mài thành các thỏi tiêu chuẩn.
Máy cưa dây kim cương cắt thỏi thành các tấm wafer, sau đó trải qua quá trình kiểm tra độ cong vênh, uốn và TTV.
Các quy trình cơ học và hóa học làm mỏng bề mặt, loại bỏ hư hỏng và đạt được độ phẳng ở cấp độ nanomet.
Các quy trình siêu sạch loại bỏ các hạt, ion kim loại và chất gây ô nhiễm hữu cơ, tạo ra chất nền SiC cuối cùng.
Nghiên cứu ngành chỉ ra rằng thị trường chất nền SiC toàn cầu đã đạt khoảng 754 triệu USD vào năm 2022, thể hiện mức tăng trưởng 27,8% so với cùng kỳ năm ngoái. Thị trường dự kiến sẽ đạt 1,6 tỷ USD vào năm 2025.
Chất nền dẫn điện chiếm khoảng 68% nhu cầu, được thúc đẩy bởi xe điện và năng lượng tái tạo. Chất nền cách điện bán dẫn chiếm khoảng 32%, được thúc đẩy bởi các ứng dụng 5G và tần số cao.
Ngành này có ngưỡng kỹ thuật cao, bao gồm chu kỳ R&D dài, kiểm soát khuyết tật tinh thể và các yêu cầu về thiết bị tiên tiến. Trong khi các nhà cung cấp toàn cầu hiện đang nắm giữ vị thế vững chắc trong chất nền dẫn điện, các nhà sản xuất trong nước đang nhanh chóng cải thiện chất lượng nuôi cấy tinh thể, kiểm soát mật độ khuyết tật và khả năng đường kính lớn. Khả năng cạnh tranh về chi phí sẽ ngày càng phụ thuộc vào việc cải thiện năng suất và quy mô sản xuất.
Chuyển đổi sang các tấm wafer đường kính lớn là điều cần thiết để giảm chi phí trên mỗi thiết bị và tăng sản lượng.
Chất nền cách điện bán dẫn đang chuyển từ 4 inch sang 6 inch.
Chất nền dẫn điện đang di chuyển từ 6 inch sang 8 inch.
Giảm các ống siêu nhỏ, sai lệch mặt phẳng đáy và lỗi xếp chồng là chìa khóa để đạt được sản xuất thiết bị năng suất cao.
Khi ngày càng có nhiều nhà sản xuất đạt đến sản xuất quy mô công nghiệp, lợi thế về chi phí và sự ổn định về nguồn cung sẽ đẩy nhanh việc áp dụng các thiết bị SiC trên toàn cầu.
Động lực tăng trưởng mạnh mẽ đến từ xe điện, cơ sở hạ tầng sạc nhanh, quang điện, hệ thống lưu trữ năng lượng, mô-đun công suất công nghiệp và hệ thống truyền thông tiên tiến.
Ngành công nghiệp chất nền silicon carbide đang bước vào một giai đoạn tăng trưởng chiến lược được đặc trưng bởi việc mở rộng ứng dụng, tiến bộ công nghệ nhanh chóng và tăng quy mô sản xuất. Khi kích thước wafer tăng lên và chất lượng tinh thể được cải thiện, SiC sẽ đóng một vai trò ngày càng quan trọng trong điện khí hóa toàn cầu và hệ thống chuyển đổi năng lượng. Các nhà sản xuất dẫn đầu về kiểm soát khuyết tật, tối ưu hóa năng suất và công nghệ đường kính lớn sẽ nắm bắt giai đoạn cơ hội thị trường tiếp theo.
Được thúc đẩy bởi sự trỗi dậy nhanh chóng của xe điện, hệ thống năng lượng tái tạo và các công nghệ truyền thông thế hệ tiếp theo, ngành công nghiệp chất nền silicon carbide (SiC) đã bước vào giai đoạn mở rộng nhanh chóng. Là một vật liệu cốt lõi trong chất bán dẫn dải rộng, SiC cho phép hiệu suất thiết bị ở nhiệt độ cao, điện áp cao và tần số cao vượt quá giới hạn của silicon truyền thống. Với việc năng lực sản xuất tăng lên, thị trường đang hướng tới việc áp dụng rộng rãi hơn, chi phí thấp hơn và liên tục cải tiến công nghệ.
Silicon carbide (SiC) là một hợp chất tổng hợp bao gồm silicon và carbon. Nó có điểm nóng chảy rất cao (~2700°C), độ cứng chỉ đứng sau kim cương, độ dẫn nhiệt cao, dải năng lượng rộng, cường độ điện trường phá vỡ cao và tốc độ trôi bão hòa electron nhanh. Những đặc tính này làm cho SiC trở thành một trong những vật liệu quan trọng nhất cho các ứng dụng điện tử công suất và RF.
Chất nền SiC được phân loại theo điện trở suất:
Chất nền cách điện bán dẫn ( ≥10⁵ Ω·cm), được sử dụng cho các thiết bị GaN-on-SiC RF trong truyền thông 5G, radar và điện tử tần số cao.
Chất nền dẫn điện (15–30 mΩ·cm), được sử dụng cho các tấm wafer SiC trong các thiết bị điện cho xe điện, năng lượng tái tạo, mô-đun công nghiệp và giao thông đường sắt.
Chuỗi giá trị SiC bao gồm tổng hợp nguyên liệu thô, nuôi cấy tinh thể, gia công thỏi, cắt wafer, mài, đánh bóng, phát triển lớp màng mỏng, chế tạo thiết bị và các ứng dụng hạ nguồn. Trong số các bước này, sản xuất chất nền có rào cản kỹ thuật và đóng góp chi phí cao nhất, chiếm khoảng 46% tổng chi phí thiết bị.
Chất nền cách điện bán dẫn hỗ trợ các ứng dụng RF tần số cao, trong khi chất nền dẫn điện phục vụ thị trường thiết bị điện áp cao và công suất cao.
Sản xuất chất nền SiC đòi hỏi hàng chục bước có độ chính xác cao để kiểm soát các khuyết tật, độ tinh khiết và tính đồng nhất.
Bột silicon và carbon có độ tinh khiết cao được trộn và phản ứng ở nhiệt độ trên 2000°C để tạo thành bột SiC với các pha tinh thể và mức tạp chất được kiểm soát.
Nuôi cấy tinh thể là bước quan trọng nhất ảnh hưởng đến chất lượng chất nền. Các phương pháp chính bao gồm:
PVT (Vận chuyển hơi vật lý): Phương pháp công nghiệp chủ đạo, trong đó bột SiC thăng hoa và kết tinh lại trên một tinh thể mầm.
HTCVD (CVD nhiệt độ cao): Cho phép độ tinh khiết cao hơn và mức khuyết tật thấp hơn nhưng yêu cầu thiết bị phức tạp hơn.
LPE (Tạo lớp màng mỏng pha lỏng): Có khả năng tạo ra các tinh thể ít khuyết tật nhưng chi phí cao hơn và phức tạp hơn để mở rộng quy mô.
Tinh thể đã phát triển được định hướng, tạo hình và mài thành các thỏi tiêu chuẩn.
Máy cưa dây kim cương cắt thỏi thành các tấm wafer, sau đó trải qua quá trình kiểm tra độ cong vênh, uốn và TTV.
Các quy trình cơ học và hóa học làm mỏng bề mặt, loại bỏ hư hỏng và đạt được độ phẳng ở cấp độ nanomet.
Các quy trình siêu sạch loại bỏ các hạt, ion kim loại và chất gây ô nhiễm hữu cơ, tạo ra chất nền SiC cuối cùng.
Nghiên cứu ngành chỉ ra rằng thị trường chất nền SiC toàn cầu đã đạt khoảng 754 triệu USD vào năm 2022, thể hiện mức tăng trưởng 27,8% so với cùng kỳ năm ngoái. Thị trường dự kiến sẽ đạt 1,6 tỷ USD vào năm 2025.
Chất nền dẫn điện chiếm khoảng 68% nhu cầu, được thúc đẩy bởi xe điện và năng lượng tái tạo. Chất nền cách điện bán dẫn chiếm khoảng 32%, được thúc đẩy bởi các ứng dụng 5G và tần số cao.
Ngành này có ngưỡng kỹ thuật cao, bao gồm chu kỳ R&D dài, kiểm soát khuyết tật tinh thể và các yêu cầu về thiết bị tiên tiến. Trong khi các nhà cung cấp toàn cầu hiện đang nắm giữ vị thế vững chắc trong chất nền dẫn điện, các nhà sản xuất trong nước đang nhanh chóng cải thiện chất lượng nuôi cấy tinh thể, kiểm soát mật độ khuyết tật và khả năng đường kính lớn. Khả năng cạnh tranh về chi phí sẽ ngày càng phụ thuộc vào việc cải thiện năng suất và quy mô sản xuất.
Chuyển đổi sang các tấm wafer đường kính lớn là điều cần thiết để giảm chi phí trên mỗi thiết bị và tăng sản lượng.
Chất nền cách điện bán dẫn đang chuyển từ 4 inch sang 6 inch.
Chất nền dẫn điện đang di chuyển từ 6 inch sang 8 inch.
Giảm các ống siêu nhỏ, sai lệch mặt phẳng đáy và lỗi xếp chồng là chìa khóa để đạt được sản xuất thiết bị năng suất cao.
Khi ngày càng có nhiều nhà sản xuất đạt đến sản xuất quy mô công nghiệp, lợi thế về chi phí và sự ổn định về nguồn cung sẽ đẩy nhanh việc áp dụng các thiết bị SiC trên toàn cầu.
Động lực tăng trưởng mạnh mẽ đến từ xe điện, cơ sở hạ tầng sạc nhanh, quang điện, hệ thống lưu trữ năng lượng, mô-đun công suất công nghiệp và hệ thống truyền thông tiên tiến.
Ngành công nghiệp chất nền silicon carbide đang bước vào một giai đoạn tăng trưởng chiến lược được đặc trưng bởi việc mở rộng ứng dụng, tiến bộ công nghệ nhanh chóng và tăng quy mô sản xuất. Khi kích thước wafer tăng lên và chất lượng tinh thể được cải thiện, SiC sẽ đóng một vai trò ngày càng quan trọng trong điện khí hóa toàn cầu và hệ thống chuyển đổi năng lượng. Các nhà sản xuất dẫn đầu về kiểm soát khuyết tật, tối ưu hóa năng suất và công nghệ đường kính lớn sẽ nắm bắt giai đoạn cơ hội thị trường tiếp theo.
