ด้วยแรงผลักดันจากการเติบโตอย่างรวดเร็วของรถยนต์ไฟฟ้า ระบบพลังงานหมุนเวียน และเทคโนโลยีการสื่อสารยุคใหม่ อุตสาหกรรมสารตั้งต้นซิลิคอนคาร์ไบด์ (SiC) ได้เข้าสู่ช่วงเวลาของการขยายตัวอย่างรวดเร็ว ในฐานะที่เป็นวัสดุหลักในสารกึ่งตัวนำแบบ wide-bandgap SiC ช่วยให้การทำงานของอุปกรณ์ที่อุณหภูมิสูง แรงดันไฟฟ้าสูง และความถี่สูงเกินขีดจำกัดของซิลิคอนแบบดั้งเดิม ด้วยการขยายกำลังการผลิต ตลาดกำลังเคลื่อนไปสู่การนำไปใช้อย่างแพร่หลายมากขึ้น ต้นทุนที่ต่ำลง และการปรับปรุงเทคโนโลยีอย่างต่อเนื่อง
ซิลิคอนคาร์ไบด์ (SiC) เป็นสารประกอบสังเคราะห์ที่ประกอบด้วยซิลิคอนและคาร์บอน มีจุดหลอมเหลวสูงมาก (~2700°C) ความแข็งรองจากเพชร การนำความร้อนสูง wide bandgap สนามไฟฟ้าสลายตัวสูง และความเร็วการดริฟท์ของอิเล็กตรอนอิ่มตัวที่รวดเร็ว คุณสมบัติเหล่านี้ทำให้ SiC เป็นหนึ่งในวัสดุที่สำคัญที่สุดสำหรับอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์กำลังและแอปพลิเคชัน RF
สารตั้งต้น SiC ถูกจัดประเภทตามสภาพต้านทานไฟฟ้า:
สารตั้งต้นกึ่งฉนวน (≥10⁵ Ω·cm) ใช้สำหรับอุปกรณ์ GaN-on-SiC RF ในการสื่อสาร 5G เรดาร์ และอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ความถี่สูง
สารตั้งต้นนำไฟฟ้า (15–30 mΩ·cm) ใช้สำหรับเวเฟอร์ epitaxial SiC ในอุปกรณ์กำลังสำหรับ EV พลังงานหมุนเวียน โมดูลอุตสาหกรรม และการขนส่งทางราง
ห่วงโซ่คุณค่า SiC ประกอบด้วยการสังเคราะห์วัตถุดิบ การเติบโตของคริสตัล การตัดแต่งแท่ง การหั่นเวเฟอร์ การเจียร การขัดเงา การเติบโตแบบ epitaxial การผลิตอุปกรณ์ และแอปพลิเคชันปลายน้ำ ในบรรดาขั้นตอนเหล่านี้ การผลิตสารตั้งต้นมีอุปสรรคทางเทคนิคและการมีส่วนร่วมด้านต้นทุนสูงสุด คิดเป็นประมาณ 46% ของต้นทุนอุปกรณ์ทั้งหมด
สารตั้งต้นกึ่งฉนวนรองรับแอปพลิเคชัน RF ความถี่สูง ในขณะที่สารตั้งต้นนำไฟฟ้าให้บริการตลาดอุปกรณ์กำลังสูงและแรงดันไฟฟ้าสูง
การผลิตสารตั้งต้น SiC ต้องใช้ขั้นตอนที่มีความแม่นยำสูงหลายสิบขั้นตอนเพื่อควบคุมข้อบกพร่อง ความบริสุทธิ์ และความสม่ำเสมอ
ผงซิลิคอนและคาร์บอนที่มีความบริสุทธิ์สูงถูกผสมและทำปฏิกิริยาที่อุณหภูมิสูงกว่า 2000°C เพื่อสร้างผง SiC ที่มีเฟสคริสตัลและระดับสิ่งเจือปนที่ควบคุม
การเติบโตของคริสตัลเป็นขั้นตอนที่สำคัญที่สุดที่มีผลต่อคุณภาพของสารตั้งต้น วิธีการหลัก ได้แก่:
PVT (Physical Vapor Transport): วิธีการทางอุตสาหกรรมหลักที่ผง SiC ระเหิดและตกผลึกใหม่บนคริสตัลเมล็ด
HTCVD (High-Temperature CVD): ช่วยให้มีความบริสุทธิ์สูงขึ้นและมีระดับข้อบกพร่องต่ำกว่า แต่ต้องใช้อุปกรณ์ที่ซับซ้อนกว่า
LPE (Liquid Phase Epitaxy): สามารถผลิตคริสตัลที่มีข้อบกพร่องต่ำได้ แต่มีต้นทุนสูงกว่าและซับซ้อนกว่าในการปรับขนาด
คริสตัลที่เติบโตจะถูกวางแนว รูปร่าง และบดเป็นแท่งมาตรฐาน
เลื่อยลวดเพชรตัดแท่งเป็นเวเฟอร์ ซึ่งผ่านการตรวจสอบการบิดงอ การโค้งงอ และ TTV
กระบวนการทางกลและเคมีทำให้พื้นผิวบางลง กำจัดความเสียหาย และได้ความเรียบระดับนาโนเมตร
ขั้นตอนการทำความสะอาดพิเศษกำจัดอนุภาค ไอออนของโลหะ และสารปนเปื้อนอินทรีย์ ทำให้เกิดสารตั้งต้น SiC ขั้นสุดท้าย
การวิจัยอุตสาหกรรมระบุว่าตลาดสารตั้งต้น SiC ทั่วโลกมีมูลค่าประมาณ 754 ล้านดอลลาร์สหรัฐในปี 2022 ซึ่งแสดงถึงการเติบโต 27.8% เมื่อเทียบเป็นรายปี ตลาดคาดว่าจะสูงถึง 1.6 พันล้านดอลลาร์สหรัฐภายในปี 2025
สารตั้งต้นนำไฟฟ้าคิดเป็นประมาณ 68% ของความต้องการ ขับเคลื่อนโดย EV และพลังงานหมุนเวียน สารตั้งต้นกึ่งฉนวนคิดเป็นประมาณ 32% ขับเคลื่อนโดย 5G และแอปพลิเคชันความถี่สูง
อุตสาหกรรมมีเกณฑ์ทางเทคนิคสูง รวมถึงวงจร R&D ที่ยาวนาน การควบคุมข้อบกพร่องของคริสตัล และข้อกำหนดด้านอุปกรณ์ขั้นสูง ในขณะที่ซัพพลายเออร์ทั่วโลกในปัจจุบันยังคงมีตำแหน่งที่แข็งแกร่งในสารตั้งต้นนำไฟฟ้า ผู้ผลิตในประเทศกำลังปรับปรุงคุณภาพการเติบโตของคริสตัล การควบคุมความหนาแน่นของข้อบกพร่อง และความสามารถในการมีเส้นผ่านศูนย์กลางขนาดใหญ่ได้อย่างรวดเร็ว ความสามารถในการแข่งขันด้านต้นทุนจะขึ้นอยู่กับการปรับปรุงผลผลิตและการผลิตในระดับที่เพิ่มขึ้น
การเปลี่ยนไปใช้เวเฟอร์ที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางขนาดใหญ่เป็นสิ่งจำเป็นสำหรับการลดต้นทุนต่ออุปกรณ์และเพิ่มผลผลิต
สารตั้งต้นกึ่งฉนวนกำลังเปลี่ยนจาก 4 นิ้วเป็น 6 นิ้ว
สารตั้งต้นนำไฟฟ้ากำลังเปลี่ยนจาก 6 นิ้วเป็น 8 นิ้ว
การลด micropipes, basal plane dislocations และ stacking faults เป็นกุญแจสำคัญในการบรรลุการผลิตอุปกรณ์ที่มีผลผลิตสูง
เมื่อผู้ผลิตจำนวนมากขึ้นเข้าสู่การผลิตในระดับอุตสาหกรรม ข้อได้เปรียบด้านต้นทุนและความมั่นคงในการจัดหาจะเร่งการนำอุปกรณ์ SiC ไปใช้ทั่วโลก
โมเมนตัมการเติบโตที่แข็งแกร่งมาจากรถยนต์ไฟฟ้า โครงสร้างพื้นฐานการชาร์จอย่างรวดเร็ว โฟโตโวลตาอิก ระบบจัดเก็บพลังงาน โมดูลกำลังอุตสาหกรรม และระบบการสื่อสารขั้นสูง
อุตสาหกรรมสารตั้งต้นซิลิคอนคาร์ไบด์กำลังเข้าสู่หน้าต่างแห่งการเติบโตเชิงกลยุทธ์ซึ่งมีลักษณะเป็นการขยายแอปพลิเคชัน ความก้าวหน้าทางเทคโนโลยีอย่างรวดเร็ว และการเพิ่มขนาดการผลิต เมื่อขนาดเวเฟอร์เพิ่มขึ้นและคุณภาพของคริสตัลดีขึ้น SiC จะมีบทบาทสำคัญมากขึ้นในระบบไฟฟ้าและการแปลงพลังงานทั่วโลก ผู้ผลิตที่เป็นผู้นำในการควบคุมข้อบกพร่อง การเพิ่มประสิทธิภาพผลผลิต และเทคโนโลยีเส้นผ่านศูนย์กลางขนาดใหญ่จะคว้าโอกาสทางการตลาดในระยะต่อไป
ด้วยแรงผลักดันจากการเติบโตอย่างรวดเร็วของรถยนต์ไฟฟ้า ระบบพลังงานหมุนเวียน และเทคโนโลยีการสื่อสารยุคใหม่ อุตสาหกรรมสารตั้งต้นซิลิคอนคาร์ไบด์ (SiC) ได้เข้าสู่ช่วงเวลาของการขยายตัวอย่างรวดเร็ว ในฐานะที่เป็นวัสดุหลักในสารกึ่งตัวนำแบบ wide-bandgap SiC ช่วยให้การทำงานของอุปกรณ์ที่อุณหภูมิสูง แรงดันไฟฟ้าสูง และความถี่สูงเกินขีดจำกัดของซิลิคอนแบบดั้งเดิม ด้วยการขยายกำลังการผลิต ตลาดกำลังเคลื่อนไปสู่การนำไปใช้อย่างแพร่หลายมากขึ้น ต้นทุนที่ต่ำลง และการปรับปรุงเทคโนโลยีอย่างต่อเนื่อง
ซิลิคอนคาร์ไบด์ (SiC) เป็นสารประกอบสังเคราะห์ที่ประกอบด้วยซิลิคอนและคาร์บอน มีจุดหลอมเหลวสูงมาก (~2700°C) ความแข็งรองจากเพชร การนำความร้อนสูง wide bandgap สนามไฟฟ้าสลายตัวสูง และความเร็วการดริฟท์ของอิเล็กตรอนอิ่มตัวที่รวดเร็ว คุณสมบัติเหล่านี้ทำให้ SiC เป็นหนึ่งในวัสดุที่สำคัญที่สุดสำหรับอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์กำลังและแอปพลิเคชัน RF
สารตั้งต้น SiC ถูกจัดประเภทตามสภาพต้านทานไฟฟ้า:
สารตั้งต้นกึ่งฉนวน (≥10⁵ Ω·cm) ใช้สำหรับอุปกรณ์ GaN-on-SiC RF ในการสื่อสาร 5G เรดาร์ และอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ความถี่สูง
สารตั้งต้นนำไฟฟ้า (15–30 mΩ·cm) ใช้สำหรับเวเฟอร์ epitaxial SiC ในอุปกรณ์กำลังสำหรับ EV พลังงานหมุนเวียน โมดูลอุตสาหกรรม และการขนส่งทางราง
ห่วงโซ่คุณค่า SiC ประกอบด้วยการสังเคราะห์วัตถุดิบ การเติบโตของคริสตัล การตัดแต่งแท่ง การหั่นเวเฟอร์ การเจียร การขัดเงา การเติบโตแบบ epitaxial การผลิตอุปกรณ์ และแอปพลิเคชันปลายน้ำ ในบรรดาขั้นตอนเหล่านี้ การผลิตสารตั้งต้นมีอุปสรรคทางเทคนิคและการมีส่วนร่วมด้านต้นทุนสูงสุด คิดเป็นประมาณ 46% ของต้นทุนอุปกรณ์ทั้งหมด
สารตั้งต้นกึ่งฉนวนรองรับแอปพลิเคชัน RF ความถี่สูง ในขณะที่สารตั้งต้นนำไฟฟ้าให้บริการตลาดอุปกรณ์กำลังสูงและแรงดันไฟฟ้าสูง
การผลิตสารตั้งต้น SiC ต้องใช้ขั้นตอนที่มีความแม่นยำสูงหลายสิบขั้นตอนเพื่อควบคุมข้อบกพร่อง ความบริสุทธิ์ และความสม่ำเสมอ
ผงซิลิคอนและคาร์บอนที่มีความบริสุทธิ์สูงถูกผสมและทำปฏิกิริยาที่อุณหภูมิสูงกว่า 2000°C เพื่อสร้างผง SiC ที่มีเฟสคริสตัลและระดับสิ่งเจือปนที่ควบคุม
การเติบโตของคริสตัลเป็นขั้นตอนที่สำคัญที่สุดที่มีผลต่อคุณภาพของสารตั้งต้น วิธีการหลัก ได้แก่:
PVT (Physical Vapor Transport): วิธีการทางอุตสาหกรรมหลักที่ผง SiC ระเหิดและตกผลึกใหม่บนคริสตัลเมล็ด
HTCVD (High-Temperature CVD): ช่วยให้มีความบริสุทธิ์สูงขึ้นและมีระดับข้อบกพร่องต่ำกว่า แต่ต้องใช้อุปกรณ์ที่ซับซ้อนกว่า
LPE (Liquid Phase Epitaxy): สามารถผลิตคริสตัลที่มีข้อบกพร่องต่ำได้ แต่มีต้นทุนสูงกว่าและซับซ้อนกว่าในการปรับขนาด
คริสตัลที่เติบโตจะถูกวางแนว รูปร่าง และบดเป็นแท่งมาตรฐาน
เลื่อยลวดเพชรตัดแท่งเป็นเวเฟอร์ ซึ่งผ่านการตรวจสอบการบิดงอ การโค้งงอ และ TTV
กระบวนการทางกลและเคมีทำให้พื้นผิวบางลง กำจัดความเสียหาย และได้ความเรียบระดับนาโนเมตร
ขั้นตอนการทำความสะอาดพิเศษกำจัดอนุภาค ไอออนของโลหะ และสารปนเปื้อนอินทรีย์ ทำให้เกิดสารตั้งต้น SiC ขั้นสุดท้าย
การวิจัยอุตสาหกรรมระบุว่าตลาดสารตั้งต้น SiC ทั่วโลกมีมูลค่าประมาณ 754 ล้านดอลลาร์สหรัฐในปี 2022 ซึ่งแสดงถึงการเติบโต 27.8% เมื่อเทียบเป็นรายปี ตลาดคาดว่าจะสูงถึง 1.6 พันล้านดอลลาร์สหรัฐภายในปี 2025
สารตั้งต้นนำไฟฟ้าคิดเป็นประมาณ 68% ของความต้องการ ขับเคลื่อนโดย EV และพลังงานหมุนเวียน สารตั้งต้นกึ่งฉนวนคิดเป็นประมาณ 32% ขับเคลื่อนโดย 5G และแอปพลิเคชันความถี่สูง
อุตสาหกรรมมีเกณฑ์ทางเทคนิคสูง รวมถึงวงจร R&D ที่ยาวนาน การควบคุมข้อบกพร่องของคริสตัล และข้อกำหนดด้านอุปกรณ์ขั้นสูง ในขณะที่ซัพพลายเออร์ทั่วโลกในปัจจุบันยังคงมีตำแหน่งที่แข็งแกร่งในสารตั้งต้นนำไฟฟ้า ผู้ผลิตในประเทศกำลังปรับปรุงคุณภาพการเติบโตของคริสตัล การควบคุมความหนาแน่นของข้อบกพร่อง และความสามารถในการมีเส้นผ่านศูนย์กลางขนาดใหญ่ได้อย่างรวดเร็ว ความสามารถในการแข่งขันด้านต้นทุนจะขึ้นอยู่กับการปรับปรุงผลผลิตและการผลิตในระดับที่เพิ่มขึ้น
การเปลี่ยนไปใช้เวเฟอร์ที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางขนาดใหญ่เป็นสิ่งจำเป็นสำหรับการลดต้นทุนต่ออุปกรณ์และเพิ่มผลผลิต
สารตั้งต้นกึ่งฉนวนกำลังเปลี่ยนจาก 4 นิ้วเป็น 6 นิ้ว
สารตั้งต้นนำไฟฟ้ากำลังเปลี่ยนจาก 6 นิ้วเป็น 8 นิ้ว
การลด micropipes, basal plane dislocations และ stacking faults เป็นกุญแจสำคัญในการบรรลุการผลิตอุปกรณ์ที่มีผลผลิตสูง
เมื่อผู้ผลิตจำนวนมากขึ้นเข้าสู่การผลิตในระดับอุตสาหกรรม ข้อได้เปรียบด้านต้นทุนและความมั่นคงในการจัดหาจะเร่งการนำอุปกรณ์ SiC ไปใช้ทั่วโลก
โมเมนตัมการเติบโตที่แข็งแกร่งมาจากรถยนต์ไฟฟ้า โครงสร้างพื้นฐานการชาร์จอย่างรวดเร็ว โฟโตโวลตาอิก ระบบจัดเก็บพลังงาน โมดูลกำลังอุตสาหกรรม และระบบการสื่อสารขั้นสูง
อุตสาหกรรมสารตั้งต้นซิลิคอนคาร์ไบด์กำลังเข้าสู่หน้าต่างแห่งการเติบโตเชิงกลยุทธ์ซึ่งมีลักษณะเป็นการขยายแอปพลิเคชัน ความก้าวหน้าทางเทคโนโลยีอย่างรวดเร็ว และการเพิ่มขนาดการผลิต เมื่อขนาดเวเฟอร์เพิ่มขึ้นและคุณภาพของคริสตัลดีขึ้น SiC จะมีบทบาทสำคัญมากขึ้นในระบบไฟฟ้าและการแปลงพลังงานทั่วโลก ผู้ผลิตที่เป็นผู้นำในการควบคุมข้อบกพร่อง การเพิ่มประสิทธิภาพผลผลิต และเทคโนโลยีเส้นผ่านศูนย์กลางขนาดใหญ่จะคว้าโอกาสทางการตลาดในระยะต่อไป
