Проект Разработка и создание индукционной вакуумной печи для получения пластин карбида кремния на кремнии диаметром до 100 мм методом газофазной эпитаксии. - презентация

1 Проект Разработка и создание индукционной вакуумной печи для получения пластин карбида кремния на кремнии диаметром до 100 мм методом газофазной эпитаксии с полуавтоматической загрузкой и выгрузкой образцов, а также конструирование и создание полуавтоматической установки для предварительной химической очистки кремниевых пластин. Координатор: Геннадий Викторович Святец, ООО «Новые кремниевые технологии» г. Кластер Энергоэффективность, энергосбережение, композитные наноматериалы и инновационная энергетика

2 2 1. Резюме проекта 2. Основные задачи и результаты реализации проекта 3. Перспективы применения разрабатываемых продуктов 4. Принципиальная технология метода 5. Конкурентные преимущества метода 6. Описание рынка продукции проекта и существующих бизнес-моделей 7. Заявитель проекта План презентации

3 3 Резюме проекта Цель проекта Создание рабочего образца вакуумной индукционной печи для получения пластин карбида кремния на кремнии диаметром до 100 мм методом газофазной эпитаксии с полуавтоматической загрузкой и выгрузкой образцов, а также конструирование и создание полуавтоматической установки для предварительной химической очистки кремниевых пластин. Участники проекта ООО «Новые кремневые технологии», разработчик технологии, основной исполнитель проекта (г. Санкт-Петербург); Научно-техническая поддержка: Институт проблем машиноведения РАН, лаборатория Структурных и фазовых превращений в конденсированных средах, (г. Санкт-Петербург); Физико-технический институт им. А.Ф.Иоффе РАН, лаборатория физики полупроводниковых гетероструктур, лаборатория Физических явления в эпитаксиальных полупроводниковых структурах (г. Санкт-Петербург); Санкт-Петербургский государственный политехнический университет, кафедра гидро-аэродинамики (лаборатория по тепломассообмену) Статус проекта Отработана технология получения карбида кремния на кремнии на двух лабораторных установках. Отработана технология химической очистки кремниевых пластин. Технология защищена патентами РФ, сформирована команда проекта.

4 4 Поддержка со стороны предприятий Компания Участие в проекте Robert Bosch GmbH Один из ведущих международных производителей автомобильного и промышленного оборудования, потребительских и бытовых изделий; Общее число предприятий по всему миру – 290. Совместное развитие технологии; Поддержка в исследовании образцов; Потенциальный потребитель разрабатываемой в проекте продукции. Фрязинский завод мощных транзисторов, ОАО Завод основан в 1964 году; Специализируется на производстве изделий специального назначения: биполярных мощных транзисторов, мощных полевых (МОП МТ) и мощных биполярных транзисторов с изолированным затвором (БТИЗ), триаков и тиристоров; Продукция в т.ч. находит применение в ответственных узлах и блоках электропитания и электрооборудования различных систем Вооружений и Военной Техники. Совместное развитие технологии; Разработка новых приборов на базе технологии проекта; Поддержка в исследовании образцов, Потенциальный потребитель разрабатываемой в проекте продукции. Ростовский-на- Дону научно- исследовательский институт радиосвязи, ФГУП (НПК Микроэлектроника ) Специализируется на производстве изделий специального назначения для военной техники: высокочастотные транзисторы, системы обнаружения, микросхемы специального назначения; тиристоров; Продукция в т.ч. находит применение в ответственных узлах и блоках систем управления самолетами и ракетами. Отработка производства конечных устройств на основе разрабатываемой продукции проекта; Потенциальный потребитель разрабатываемой в проекте продукции.

5 5 Предприятия, с которыми возможно сотрудничество Компания Участие в проекте Сссс СаС Группа компаний «Нитридные кристаллы» была создана в 2007 году путем объединения уже действующих компаний и создания новых предприятий. Санкт-Петербург Целью создания группы компаний является коммерциализация технологических заделов, разработанных в исследовательских институтах и предприятиях, таких как ИКРАН, ГИРЕДМЕТ, ФТИ им Иоффе, ООО «Нитридные Кристаллы» и т.д. Совместное развитие технологии; Потенциальный потребитель разрабатываемой в проекте продукции. ООО «СВЧ- РАДИОСИСТЕМЫ» г.Санкт-Петербург Компания ООО «СВЧ-РАДИОСИСТЕМЫ» осуществляет следующие виды деятельности : Научные исследования и разработки в области естественных и технических наук. Производство электронных компонентов, аппаратуры для радио, телевидения и связию Производство аппаратуры для приема, записи и воспроизведения звука и изображения. Совместное развитие технологии; Разработка новых приборов на базе технологии проекта; Потенциальный потребитель разрабатываемой в проекте продукции. Группа компаний «Светлана-Оптоэлектроника» осуществляет все технологические этапы полного технологического цикла выпуска светодиодов и светотехнического оборудования на их основе осуществляются на одной производственной площадке - в Санкт-Петербурге. Отработка производства конечных устройств на основе разрабатываемой продукции проекта; Потенциальный потребитель разрабатываемой в проекте продукции.

6 6 Актуальность проекта В настоящее время имеется две установки, на которых отработана технология производства пластин с тонким слоем карбида кремния на кремнии. На первой установке, созданной собственными силами, возможно производить пластины диаметром до 37 мм. На другой установке немецкой фирмы Nabertherm, можно производить пластины высокого качества диаметром до 150 мм. Однако данная печь обладает рядом свойств, не позволяющих использовать ее для промышленного производства. В частности, она имеет очень длинный цикл загрузки-выгрузки из-за длительного процесса охлаждения рабочей зоны после окончания основного процесса. Актуальность создания новой установки определяется тем, что она будет создаваться под конкретный технологический процесс и стоить дешевле неспециализированных установок, имеющихся на рынке, таких как установка немецкой фирмы Nabertherm. Её актуальность определяется также важностью для промышленности самих, производимых на ней пластин, пригодных для производства на их основе широкозонных полупроводников. Основными технологическим препятствием на пути реализации высоких потенциальных возможностей широкозонных полупроводников до настоящего времени являлись: отсутствие технологий, позволяющих производить доступные по цене качественные эпитаксиальные слои широкозонных полупроводников для эффективного замещения традиционных полупроводниковых материалов себестоимость производства широкозонных полупроводников должна быть сравнимой с себестоимостью производства кремния, что недостижимо для существующих технологий выращивания широкозонных полупроводников. для расширения функциональности и облегчения формирования рынка новых материалов и приборов на их основе необходимо обеспечить возможность их интеграции с традиционной кремневой электроникой.

7 7 Статус проведенных работ Ключевой продукт * Показаны испытания лабораторного образца светодиода на базе Ключевого продукта ( г.) Предложен теоретически и реализован экспериментально принципиально новый механизм осаждения карбида кремния на кремний. На основе данного механизма, разработан и реализован принципиально новый метод выращивания пленок SiC на Si. Создан лабораторный образец светодиода:

8 8 Основные задачи проекта Научно-технические задачи : Создание установки для промышленного производства пластин карбида кремния на кремнии диаметром до 100 мм методом газофазной эпитаксии с полуавтоматической загрузкой и выгрузкой образцов, а также конструирование и создание полуавтоматической установки для предварительной химической очистки кремниевых пластин. Выбор оптимальных технологических режимов осаждения буферного слоя на поверхность кремния; Научно-технические задачи для продвижения продукции на рынок: Изготовление прототипов монокристаллических образцов карбида кремния, нитрида галлия, нитрида алюминия, оксида цинка на кремнии, не содержащих дефектов типа дислокаций несоответствия на границе раздела с кремнием. Выпуск опытных образцов низко дефектных монокристаллических пленок (GaN, AlN и ZnO) широкозонных полупроводников на кремниевых подложках стабильного качества и высоким выходом годных; Аттестация опытных образцов низко дефектных монокристаллических пленок (GaN, AlN и ZnO) широкозонных полупроводников на кремниевых подложках в ведущих полупроводниковых центрах России и мира

9 9 Результаты реализации проекта Решением поставленных задач будут: Разработка готовой к внедрению в производство технологии производства следующих продуктов: Пластины пленок карбида кремния (политипы 3C, 4H, 6H) на подложках кремния диаметра 3 и 4 дюйма (Ключевой продукт); Пластины карбида кремния толщиной 3-25 мкм политипов 3C, 4H, 6H диаметром 3 и 4 дюйма (на базе Ключевого продукта); Пластины со слоем AlN/SiC/Si с толщиной AlN 1-10 мкм диаметром 3 и 4 дюйма (на базе Ключевого продукта); Пластины со слоем GaN/AlN/SiC/Si с толщиной 1-50 мкм диаметром 3 и 4 дюйма (на базе Ключевого продукта). Доработка технологии выращивания на базе Ключевого продукта: Конденсаторных систем, на основе гетероструктур Pt/PZT/SiC/Si и Si/SiC/AlN/PbZrTiO3 и мембран и датчиков, на основе гетероструктур типа Si/SiC/AlN/PbZrTiO3 с целью создания на их основе энергонезависимой памяти, акустических датчиков и пьеро- и передатчиков, стабильно работающих в широком диапазоне температур (в том числе ИК- чувствительных пироэлектрических матриц нового поколения для систем ночного видения); Пластины с гетероструктурами (3C-SiC/4H-SiC/Si/нанопоры в Si, покрытые SiC) для элементов солнечных батарей. Общий вид пленок карбида кремния на кремнии, полученных новым методом 1 2

10 10 Электроника гибридных и электромобилей Ветряные турбины Приводы переменного тока Источники бесперебойного питания Преобразователи солнечной энергии. КПД до 15% без системы охлаждения Диоды Шоттки в приборах PFC Светодиоды высокой яркости (GaN/Si) – более 150 Лм/вт Smart Grid Power Рельсовый транспорт < > 2020 Только SiC диодыSiC диоды и транзисторы Источники данных: Yole development, Перспективы применения приборов на SiC [1 из 2] *

11 ПараметрSilicon SOI (кремний на изоляторе) SiCGaN (on silicon) Макс T° использования для GaN, есть ограничения по Si Диапазон мощности> 100 к Вт< 100 к Вт> 100 к Вт> 5 к Вт Max. напряжение 6.5 кВ600В10 кВ1.2 кВ 4 цена пластины, $2070>1000$*<250 6 цена пластины, $35170na<400 Кол-во компаний, ведущих разработки приборов 100+ ~40 ~25 ~15 –Основными конкурентными преимуществами SiC являются возможность работы в высокотемпературных средах и при высоком напряжении. Данные преимущества SiC актуальны для использования материалов в силовой электронике; –Использование SiC позволяет увеличить КПД устройства, сократить габариты, вес и технологически упросить конечное устройство за счет отсутствия дополнительных систем, например, охлаждения; –Основным конкурентом SiC является GaN на Si, при этом развитие технологии связано с ограничением характеристик самого кремния для ряда применений. * Указана цена для продукции произведенной по традиционной технологии – методом ЛЭЛИ 11 Перспективы применения приборов на SiC [2 из 2]

12 12 Принципиальная технология метода SiC (3-25 мкм) на Si Сырье (Si) CVD метод 1) Метод HVPE (хлоридной эпитаксии) 2) Метод MOC-гибридной эпитаксии AlN/SiC/Si и GaNAlN/SiC/Si Epi ready – SiC/Si

13 Промышленное производство освоено только на основе традиционного метод роста – метода ЛЭЛИ; Ведущие компании активно разрабатывают альтернативные методы производства. Конкурентные преимущества разрабатываемого метода роста SiC 13 Параметры слитков/пластин и процессов Твердофазной гетероэпитакции SiC на Si (метод проекта) Модиф. метод сублимации (ЛЭЛИ) Гетероэпитаксия (Hetero-epitaxy SiC on Si) Vapor Liquid Solid Высокотемпера- турное химическое осаждение (HT CVD) Жидко-фазная эпитаксия (LPE) Диаметр, мм (max. результаты) Толщина, мкм , Политип 3C, 4H, 6H 4Н, 6Н3C 4Н, 6Н4Н Тип электро- проводности n+,n-, p-,i- n-, p-n+,n-, p-,i- Зарождение управляемое Управляемое Плотность микропор, см-2 Не применимо (отсутствует) минимальная высокаяминимальная Температура роста, °C 1000 – Производители ООО «Новые кремниевые технологии» Cree, SiCrystal,II-VI, Dow Corning, Nippon Steel, Bridgestone Denso, NeoSemiTech, TankeBlue, N-Crystals Hoya,Toshiba, Ceramics, Showa Denko, SiC Systems, NovaSiC CRHEA Norstel Sumitomo Toyota Стадия разработки R&D Промышленное производство R&D R&DR&D Примечание Низкая себестоимость производств (> чем в 10 раз) Хорошее сочетания качества слитков с технологичностью процесса Только 3С политип Малая скорость роста и низкое качество слитков Сложность технологического процесса Высокая скорость роста, начальная стадия разработок метод проекта

14 18% 31% В ближайшие 10 лет ожидается резкий рост потребления карбида кремния; Наибольший рост рынка начнется с 2014 года и будет связан с активным развитием производства гибридных и электродвигателей в автомобильной индустрии и солнечной энергетике; Рост рынка будет вызван запуском в серийное производство транзисторов на базе SiC к г.; Рынок в России только зарождается (объем можно оценить в 1,5-2 млн. долл., НИОКР), но прогнозируется быстрый рост. Основным драйверами роста рынка являются: –гибридное и электро- двигателестроение – объем рынка к 2019 году составит $270 млн; –Инверторы для солнечных батарей - $91 млн. –СВЧ устройства - $48 млн; EV/HEV - Гибридные/электродвигатели UPS - Источники бесперебойного питания PFC - Корректор коэффициента мощности PV - Инверторы для солнечных батарей Объем рынка SiC подложек и эпитаксии, млн. долл. Прогноз структуры рынка по применениям, 2019 год CAGR 40% CAGR 12% $598 млн. Рынок подложек SiC и эпитаксиальных структур 14 Источники данных: Yole development, Структура производителей подложек SiC, 2009 г. $48 млн.

15 Подложки SiC Нанесение Эпи-слоёв Процессинг чипов Корпусирование устройства Модуль Поставщики материала ВИК Производители устройств на SIC –Основную массу компаний составляют производители устройств и модулей и только Cree имеет вертикальную интеграцию вплоть до производства устройств. –В мире функционирует около 40 машин по нанесению Epi. Большая часть предназначена для R&D. –Высокая маржа на этапе корпусирования и производства конечных устройств и модулей обусловлена начальной стадией развития рынка. Dow Corning, SiCrystal (Rohm), Norstel, Nippon Steel CREE Semisouth,STM, Infineon, Toshiba, SiCed Hitachi, Nissan, Powerex, ABB, Toyota, Sanrex, Mitsubishi Electric, Fuji Electric Маржа* >50% 30-50%25%50-70%50-100% * Данные – оценка Yole Development Эпи-хаусы Showa Denko, NovaSiC, ETC Некоторые компании Бизнес-модели на рынке SiC 15

16 Подложка SiC Подложка SiC с EPI Чип SiC с EPI Корпусированное устройство / компонент Силовой модуль Цена при традиционной технологии: $1000/шт., 4 дюйма Себестоимость производства по технологии проекта до 10 раз ниже $ в зависимости от применения $ 1,4-24 в зависимости от применения ~2600 $ за подложку с 3600 чипами ~ 1500 $ за 1 шт. (10 мкм) Зависит от толщины Эпи Изготовление SiC пластины: Изготовление SiC пластины с EPI: –Калибровочные процессы –Рабочие процессы (подготовка, загрузка, эпитаксия) –Диагностика параметров и анализ дефектов Качество эпитаксии существенно влияет на стоимость конечной подложки В проекте предусматривается постепенное освоение технологии на арендованных эпи установках Процессирование чипов –Утончение подложки, диагностика параметров –Формирование мезаструктуры (травление и пр.) –Резка на кристаллы –Диагностика и упаковка Разрабатываемая в проекте продукция имеет значительные преимущества по цене, что позволит: 1. Расширить применение существующей продукции (в т.ч. светодиодов) 2. Открыть новые области применения; 3. Успешно конкурировать на рынке. Процессинг, упаковка и тестирование одной пластины SiC составляет около 800$. C данного передела начинают большинство производителей силовой электроники на SiC 16 Цепочка создания стоимости устройств на SiC Источники данных: Yole development,