Bloggegevens

Gedreven door de snelle opkomst van elektrische voertuigen, systemen voor hernieuwbare energie en communicatietechnologieën van de volgende generatie, is de siliciumcarbide (SiC) substraatindustrie een periode van versnelde expansie ingegaan. Als kernmateriaal in wide-bandgap halfgeleiders maakt SiC prestaties van apparaten bij hoge temperaturen, hoge spanningen en hoge frequenties mogelijk, die verder gaan dan de grenzen van traditioneel silicium. Met de opschaling van de productiecapaciteit beweegt de markt zich in de richting van bredere acceptatie, lagere kosten en continue technologische verbetering.

1. Overzicht van siliciumcarbide substraten

1.1 Eigenschappen van siliciumcarbide

Siliciumcarbide (SiC) is een synthetische verbinding bestaande uit silicium en koolstof. Het heeft een zeer hoog smeltpunt (~2700°C), een hardheid die alleen door diamant wordt overtroffen, een hoge thermische geleidbaarheid, een brede bandgap, een hoog elektrische veld bij doorslag en een snelle elektronenverzadigingsdrift. Deze eigenschappen maken SiC tot een van de belangrijkste materialen voor vermogenselektronica en RF-toepassingen.

1.2 Soorten SiC-substraten

SiC-substraten worden gecategoriseerd op basis van elektrische weerstand:

• Semi-isolerende substraten (≥10⁵ Ω·cm), gebruikt voor GaN-on-SiC RF-apparaten in 5G-communicatie, radar en hoogfrequente elektronica.

• Geleidende substraten (15–30 mΩ·cm), gebruikt voor SiC epitaxiale wafers in vermogensapparaten voor EV's, hernieuwbare energie, industriële modules en railvervoer.

2. SiC-materiaalketen

De SiC-waardeketen bestaat uit de synthese van grondstoffen, kristalgroei, bewerking van ingots, wafersnijden, slijpen, polijsten, epitaxiale groei, fabricage van apparaten en downstream-toepassingen. Van deze stappen heeft de substraatproductie de hoogste technische barrières en kostenbijdrage, die ongeveer 46% van de totale apparaatkosten vertegenwoordigt.

Semi-isolerende substraten ondersteunen hoogfrequente RF-toepassingen, terwijl geleidende substraten dienen voor markten voor hoogvermogen- en hoogspanningsapparaten.

3. SiC-substraatproductieproces

De productie van SiC-substraten vereist tientallen hoogprecisie stappen om defecten, zuiverheid en uniformiteit te beheersen.

3.1 Synthese van grondstoffen

Zeer zuivere silicium- en koolstofpoeders worden gemengd en gereageerd bij temperaturen boven 2000°C om SiC-poeder te vormen met gecontroleerde kristalfasen en onzuiverheidsniveaus.

3.2 Kristalgroei

Kristalgroei is de meest kritieke stap die de substraatkwaliteit beïnvloedt. Belangrijkste methoden zijn:

• PVT (Physical Vapor Transport): De belangrijkste industriële methode waarbij SiC-poeder sublimeert en herkristalliseert op een zaadkristal.

• HTCVD (High-Temperature CVD): Maakt een hogere zuiverheid en lagere defectniveaus mogelijk, maar vereist complexere apparatuur.

• LPE (Liquid Phase Epitaxy): In staat om kristallen met weinig defecten te produceren, maar duurder en complexer om op te schalen.

3.3 Bewerking van ingots

Het gegroeide kristal wordt georiënteerd, gevormd en geslepen tot gestandaardiseerde ingots.

3.4 Wafering

Diamantdraadzagen snijden de ingot in wafers, die een kromtrekkings-, buig- en TTV-inspectie ondergaan.

3.5 Slijpen en polijsten

Mechanische en chemische processen dunnen het oppervlak uit, verwijderen schade en bereiken vlakheid op nanometerniveau.

3.6 Eindreiniging

Ultra-schone procedures verwijderen deeltjes, metaalionen en organische verontreinigingen, waardoor het uiteindelijke SiC-substraat wordt geproduceerd.

4. Wereldwijde marktoverzicht

Uit industrieel onderzoek blijkt dat de wereldwijde SiC-substraatmarkt in 2022 ongeveer USD 754 miljoen bereikte, wat een groei van 27,8% op jaarbasis vertegenwoordigt. De markt zal naar verwachting in 2025 USD 1,6 miljard bereiken.

Geleidende substraten zijn goed voor ongeveer 68% van de vraag, gedreven door EV's en hernieuwbare energie. Semi-isolerende substraten vertegenwoordigen ongeveer 32%, gedreven door 5G en hoogfrequente toepassingen.

5. Concurrentielandschap

De industrie heeft hoge technische drempels, waaronder lange R&D-cycli, controle van kristaldefecten en geavanceerde apparatuurvereisten. Hoewel wereldwijde leveranciers momenteel sterke posities innemen in geleidende substraten, verbeteren binnenlandse fabrikanten snel de kwaliteit van de kristalgroei, de controle van de defectdichtheid en de mogelijkheden voor grote diameters. De concurrentie op het gebied van kosten zal in toenemende mate afhankelijk zijn van verbetering van de opbrengst en de productieschaal.

6. Toekomstige ontwikkelingstrends

6.1 Grotere substraatdiameters

De overgang naar wafers met een grote diameter is essentieel voor het verlagen van de kosten per apparaat en het stimuleren van de output.

• Semi-isolerende substraten gaan van 4 inch naar 6 inch.

• Geleidende substraten migreren van 6 inch naar 8 inch.

6.2 Lagere defectdichtheid

Het verminderen van micropijpen, basale vlakdislocaties en stapelfouten is essentieel voor het bereiken van een hoge opbrengst bij de fabricage van apparaten.

6.3 Kostenreductie door schaal

Naarmate meer fabrikanten de industriële productieschaal bereiken, zullen kostenvoordelen en leveringsstabiliteit de wereldwijde acceptatie van SiC-apparaten versnellen.

6.4 Vraag gedreven door elektrificatie en hoogvermogensystemen

Sterke groei komt van elektrische voertuigen, snellaadinfrastructuur, fotovoltaïsche systemen, energieopslagsystemen, industriële vermogensmodules en geavanceerde communicatiesystemen.

Conclusie

De siliciumcarbide-substraatindustrie betreedt een strategisch groeivenster dat wordt gekenmerkt door uitbreiding van toepassingen, snelle technologische vooruitgang en toenemende productieschaal. Naarmate de wafergroottes toenemen en de kristalkwaliteit verbetert, zal SiC een steeds belangrijkere rol spelen in de wereldwijde elektrificatie en vermogensconversiesystemen. Fabrikanten die voorop lopen in defectcontrole, opbrengstoptimalisatie en technologie voor grote diameters zullen de volgende fase van de marktkansen grijpen.