Poussée par l'essor rapide des véhicules électriques, des systèmes d'énergie renouvelable et des technologies de communication de nouvelle génération, l'industrie des substrats en carbure de silicium (SiC) est entrée dans une période d'expansion accélérée. En tant que matériau de base dans les semi-conducteurs à large bande interdite, le SiC permet des performances de dispositifs à haute température, haute tension et haute fréquence au-delà des limites du silicium traditionnel. Avec l'augmentation de la capacité de production, le marché évolue vers une adoption plus large, des coûts plus bas et une amélioration technologique continue.
1. Aperçu des substrats en carbure de silicium
1.1 Propriétés du carbure de silicium
Le carbure de silicium (SiC) est un composé synthétique composé de silicium et de carbone. Il se caractérise par un point de fusion très élevé (~2700°C), une dureté seconde seulement à celle du diamant, une conductivité thermique élevée, une large bande interdite, un champ électrique de claquage élevé et une vitesse de dérive de saturation des électrons rapide. Ces caractéristiques font du SiC l'un des matériaux les plus importants pour l'électronique de puissance et les applications RF.
1.2 Types de substrats SiC
Les substrats SiC sont classés par résistivité électrique :
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Substrats semi-isolants (≥10⁵ Ω·cm), utilisés pour les dispositifs RF GaN-sur-SiC dans les communications 5G, les radars et l'électronique haute fréquence.
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Substrats conducteurs (15–30 mΩ·cm), utilisés pour les plaquettes épitaxiales SiC dans les dispositifs de puissance pour les VE, les énergies renouvelables, les modules industriels et le transport ferroviaire.
2. Chaîne industrielle des matériaux SiC
La chaîne de valeur du SiC comprend la synthèse des matières premières, la croissance cristalline, l'usinage des lingots, le tranchage des plaquettes, le meulage, le polissage, la croissance épitaxiale, la fabrication des dispositifs et les applications en aval. Parmi ces étapes, la fabrication des substrats présente les barrières techniques et la contribution aux coûts les plus élevées, représentant environ 46 % du coût total des dispositifs.
Les substrats semi-isolants prennent en charge les applications RF haute fréquence, tandis que les substrats conducteurs desservent les marchés des dispositifs haute puissance et haute tension.
3. Processus de fabrication des substrats SiC
La production de substrats SiC nécessite des dizaines d'étapes de haute précision pour contrôler les défauts, la pureté et l'uniformité.
3.1 Synthèse des matières premières
Des poudres de silicium et de carbone de haute pureté sont mélangées et réagissent à des températures supérieures à 2000 °C pour former de la poudre de SiC avec des phases cristallines et des niveaux d'impuretés contrôlés.
3.2 Croissance cristalline
La croissance cristalline est l'étape la plus critique affectant la qualité du substrat. Les principales méthodes comprennent :
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PVT (Physical Vapor Transport : Transport physique en phase vapeur) : La méthode industrielle dominante où la poudre de SiC se sublime et se recristallise sur un cristal germe.
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HTCVD (High-Temperature CVD : CVD à haute température) : Permet une pureté plus élevée et des niveaux de défauts plus faibles, mais nécessite un équipement plus complexe.
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LPE (Liquid Phase Epitaxy : Épitaxie en phase liquide) : Capable de produire des cristaux à faible défaut, mais plus coûteux et plus complexes à mettre à l'échelle.
3.3 Traitement des lingots
Le cristal cultivé est orienté, façonné et broyé en lingots standardisés.
3.4 Découpe de plaquettes
Des scies à fil diamanté coupent le lingot en plaquettes, qui subissent une inspection de gauchissement, de courbure et de TTV.
3.5 Meulage et polissage
Les processus mécaniques et chimiques amincissent la surface, éliminent les dommages et obtiennent une planéité au niveau nanométrique.
3.6 Nettoyage final
Des procédures ultra-propres éliminent les particules, les ions métalliques et les contaminants organiques, produisant le substrat SiC final.
4. Perspectives du marché mondial
Les études de l'industrie indiquent que le marché mondial des substrats SiC a atteint environ 754 millions de dollars américains en 2022, ce qui représente une croissance de 27,8 % en glissement annuel. Le marché devrait atteindre 1,6 milliard de dollars américains d'ici 2025.
Les substrats conducteurs représentent environ 68 % de la demande, tirée par les VE et les énergies renouvelables. Les substrats semi-isolants représentent environ 32 %, tirés par la 5G et les applications haute fréquence.
5. Paysage concurrentiel
L'industrie présente des seuils techniques élevés, notamment de longs cycles de R&D, le contrôle des défauts cristallins et des exigences en matière d'équipement de pointe. Alors que les fournisseurs mondiaux occupent actuellement des positions fortes dans les substrats conducteurs, les fabricants nationaux améliorent rapidement la qualité de la croissance cristalline, le contrôle de la densité des défauts et les capacités de grand diamètre. La compétitivité des coûts dépendra de plus en plus de l'amélioration du rendement et de l'échelle de production.
6. Tendances de développement futures
6.1 Diamètres de substrat plus grands
La transition vers des plaquettes de grand diamètre est essentielle pour réduire le coût par dispositif et augmenter la production.
6.2 Réduction de la densité des défauts
La réduction des micropipes, des dislocations du plan basal et des défauts d'empilement est essentielle pour obtenir une fabrication de dispositifs à haut rendement.
6.3 Réduction des coûts grâce à l'échelle
À mesure que davantage de fabricants atteignent une production à l'échelle industrielle, les avantages en termes de coûts et la stabilité de l'approvisionnement accéléreront l'adoption mondiale des dispositifs SiC.
6.4 Demande tirée par l'électrification et les systèmes haute puissance
Une forte dynamique de croissance provient des véhicules électriques, des infrastructures de recharge rapide, du photovoltaïque, des systèmes de stockage d'énergie, des modules d'alimentation industriels et des systèmes de communication avancés.
Conclusion
L'industrie des substrats en carbure de silicium entre dans une fenêtre de croissance stratégique caractérisée par l'expansion des applications, les progrès technologiques rapides et l'augmentation de l'échelle de production. À mesure que la taille des plaquettes augmente et que la qualité des cristaux s'améliore, le SiC jouera un rôle de plus en plus important dans l'électrification mondiale et les systèmes de conversion de puissance. Les fabricants qui sont à la pointe du contrôle des défauts, de l'optimisation du rendement et de la technologie des grands diamètres saisiront la prochaine phase des opportunités de marché.
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