Siliziumkarbid (SiC) ist die Hauptentwicklungsrichtung der Leistungshalbleiterindustrie, die die Nutzung elektrischer Energie bei der Herstellung von Leistungsgeräten erheblich verbessern kann. In absehbarer Zukunft werden Fahrzeuge mit neuer Energie die Hauptanwendungsszenarien für Siliziumkarbid-Leistungsgeräte sein. Als Technologiepionier hat Tesla die Führung bei der Integration aller Siliziumkarbid-Module im Modell 3 übernommen, und auch andere erstklassige Automobilhersteller planen, den Einsatz von Siliziumkarbid auszuweiten. Angesichts der sinkenden Herstellungskosten von Siliziumkarbid-Geräten und der allmählichen Reife der Technologie kann mit der Zukunft der Siliziumkarbid-Leistungsgeräteindustrie gerechnet werden. [Was ist Siliziumkarbid? Siliziumkarbid (SiC) ist das Verbindungshalbleitermaterial der dritten Generation. Der Eckpfeiler der Halbleiterindustrie sind Chips, und die Kernmaterialien für die Herstellung von Chips werden in Halbleitermaterialien der ersten Generation (hauptsächlich hochreines Silizium, das derzeit häufig verwendet wird) und Verbindungshalbleitermaterialien der zweiten Generation (Galliumarsenid und Indiumphosphid) unterteilt. und die Verbindungshalbleitermaterialien der dritten Generation (Siliziumkarbid und Galliumnitrid) nach dem historischen Verfahren. Aufgrund seiner überlegenen physikalischen Eigenschaften: hohe Bandlücke (entsprechend einem hohen elektrischen Durchbruchfeld und einer hohen Leistungsdichte), hohe elektrische Leitfähigkeit und hohe Wärmeleitfähigkeit, wird Siliziumkarbid in Zukunft das am häufigsten verwendete Grundmaterial für Halbleiterchips sein. [Physikalische und chemische Eigenschaften von Siliziumkarbid]Die Hauptform von Siliziumkarbid in Halbleiterchips ist das Substrat. Halbleiterchips können in integrierte Schaltkreise und diskrete Bauelemente unterteilt werden, die Grundstruktur sowohl integrierter Schaltkreise als auch diskreter Bauelemente kann jedoch in „Substrat-Epitaxie-Bauelement“-Strukturen unterteilt werden. Die Hauptform von Siliziumkarbid in Halbleitern ist die Verwendung als Substratmaterial.Ein Siliziumkarbid-Wafer ist eine Einkristallplatte, die durch Schneiden, Schleifen, Polieren und Reinigen von Siliziumkarbidkristallen entsteht. Als Halbleitersubstratmaterial können Siliziumkarbidwafer durch epitaktisches Wachstum und Geräteherstellung zu Leistungsbauelementen auf Siliziumkarbidbasis und Mikrowellen-HF-Bauelementen verarbeitet werden, was ein wichtiges Grundmaterial für die Entwicklung der Halbleiterindustrie der dritten Generation darstellt. Je nach Widerstandsunterschied können Siliziumkarbidwafer in leitende und halbisolierende Typen unterteilt werden. Unter diesen werden leitfähige Siliziumkarbid-Wafer hauptsächlich zur Herstellung von Hochtemperatur- und Hochspannungs-Leistungsgeräten mit großem Marktumfang verwendet. Halbisolierendes Siliziumkarbidsubstrat wird hauptsächlich in Mikrowellen-HF-Geräten und anderen Bereichen verwendet. Mit dem beschleunigten Aufbau des 5G-Kommunikationsnetzes ist die Marktnachfrage offensichtlich gestiegen.[Forschung zur Verarbeitungstechnologie von Siliziumkarbid] Die Härte von SiC übertrifft die von Diamant und es kann als Schleifmittel für Schleifwerkzeuge wie Schleifscheiben verwendet werden. Daher werden Diamantschleifscheiben hauptsächlich zum Schleifen, Schleifen und Polieren verwendet, wobei Diamantschleifscheiben die höchste Effizienz aufweisen und ein wichtiges Mittel zur Bearbeitung von SiC darstellen. Allerdings weist SiC-Material nicht nur die Eigenschaften einer hohen Härte auf, sondern auch seine hohe Sprödigkeit und geringe Bruchzähigkeit führen dazu, dass es beim Schleifvorgang leicht zu Sprödbrüchen des Materials kommt, wodurch eine oberflächlich gebrochene Schicht auf der Oberfläche des Materials zurückbleibt. Dies führt zu schweren Oberflächen- und Untergrundschäden, die die Bearbeitungsgenauigkeit beeinträchtigen. Daher ist es von großer Bedeutung, den Schleifmechanismus und die Schädigung der Oberfläche von SiC eingehend zu untersuchen, um die Schleifeffizienz und Oberflächenqualität von SiC zu verbessern. 1. Schleifmechanismus für harte und spröde Materialien. Harte und spröde Materialien werden gemahlen, und Schleifmittel üben eine rollende oder mikroschneidende Wirkung auf sie aus. Wenn Schleifpartikel mit Unebenheiten und Rissen auf die Oberfläche einwirken, werden mit fortschreitendem Schleifvorgang einige Schleifpartikel unter der Wirkung der Schleiflast in das Werkstück gedrückt, und die freiliegende Spitze wird zum Kratzen der Oberfläche des Werkstücks zum Mikroschneiden verwendet . Der andere Teil der Schleifkörner rollt zwischen dem Werkstück und der Schleifscheibe und erzeugt eine Rollwirkung, die dazu führt, dass die Oberfläche des Werkstücks Mikrorisse bildet und der Riss sich ausdehnt, um spröde Späne auf der Oberfläche des Werkstücks zu bilden, wodurch der Zweck der Oberfläche erreicht wird Entfernung. Da die Zugfestigkeit harter und spröder Materialien geringer ist als die Druckfestigkeit, entstehen bei Belastung mit Schleifpartikeln bei maximaler Zugspannung Mikrorisse auf der Oberfläche harter und spröder Materialien. Wenn sich kreuzende Risse ausdehnen und einander kreuzen, bricht der von Rissen umgebene Teil und zerfällt in kleine Stücke. Dies ist der grundlegende Prozess der Spanbildung und Oberflächenbildung beim Schleifen harter und spröder Werkstoffe. Da Siliziumkarbid ein sprödes Material mit hoher Härte ist, ist eine spezielle Schleifflüssigkeit erforderlich. Die größte technische Schwierigkeit beim Schleifen von Siliziumkarbid liegt in der genauen Messung und Steuerung der Ausdünnungsdicke von Material mit hoher Härte. Nach dem Schleifen wird die Oberfläche des Wafers beschädigt, es treten Mikrorisse und Restspannungen auf, und die Verdünnung des Siliziumkarbid-Wafers führt zu stärkerem Verzug als bei Siliziumkarbid-Wafern. 2. Forschung zur Polierverarbeitung von Siliziumkarbid. Derzeit umfassen die Poliermethoden von Siliziumkarbid hauptsächlich mechanisches Polieren, magnetorheologisches Polieren, chemisch-mechanisches Polieren (CMP), elektrochemisches Polieren (ECMP), katalysatorunterstütztes Polieren oder katalysatorunterstütztes Ätzen (CACP/CARE) und tribochemisches Polieren (TCP). und plasmaunterstütztes Polieren (PAP). Die Technologie des chemischen Polierens (CMP) ist derzeit ein wichtiges Mittel der Halbleiterverarbeitung und auch die effektivste Technologie zur Bearbeitung der Oberfläche von einkristallinem Silizium auf atomarer Ebene. Es ist die einzige praktische Technologie, die eine lokale und globale Planarisierung im Verarbeitungsprozess realisieren kann. Die Bearbeitungseffizienz von CMP wird hauptsächlich durch die chemische Reaktionsgeschwindigkeit auf der Werkstückoberfläche bestimmt. Durch die Untersuchung des Einflusses von Prozessparametern auf die Poliergeschwindigkeit von SiC-Materialien zeigen die Ergebnisse, dass die Rotationsgeschwindigkeit und der Polierdruck einen großen Einfluss haben; Und die Temperatur und der pH-Wert der Polierlösung haben kaum Einfluss. Um die Poliergeschwindigkeit von Materialien zu verbessern, sollte die Rotationsgeschwindigkeit so weit wie möglich erhöht werden. Obwohl eine Erhöhung des Polierdrucks auch die Abtragsrate verbessern kann, kann es leicht zu einer Beschädigung des Polierpads kommen. Gegenwärtig weist die Poliermethode von Siliziumkarbid die Probleme einer geringen Materialabtragsrate und hoher Kosten auf, und es gibt kein abrasives Schleifen und Polieren, keine katalytische Hilfsverarbeitung und andere Verarbeitungsmethoden. Aufgrund der anspruchsvollen Bedingungen und der komplizierten Bedienung des Geräts befindet es sich noch im Labor und eine Massenproduktion ist unwahrscheinlich. Siliziumkarbid wurde erstmals 1905 in Meteoriten entdeckt und stammt heute hauptsächlich aus künstlicher Synthese. Siliziumkarbid hat viele Einsatzmöglichkeiten und ist in der Branche weit verbreitet. Es kann als technisches Verarbeitungsmaterial für monokristallines Silizium, polykristallines Silizium, Kaliumarsenid, Shi-Ying-Kristall usw., Solar-Photovoltaik-Industrie, Halbleiterindustrie und piezoelektrische Kristallindustrie verwendet werden. [Prozessablauf der Siliziumkarbid-Verarbeitung] Siliziumkarbid-Wafer werden aus hochreinem Siliziumpulver und hochreinem Kohlenstoffpulver als Rohstoffe hergestellt, und Siliziumkarbid-Kristalle werden durch physikalischen Dampftransport (PVT) gezüchtet und dann zu Siliziumkarbid-Wafern verarbeitet . ① Rohstoffsynthese. Hochreines Siliziumpulver und hochreines Kohlenstoffpulver werden in einem bestimmten Verhältnis gemischt und die Siliziumkarbidpartikel werden durch Reaktion bei einer hohen Temperatur von über 2,000 °C synthetisiert. Nach dem Zerkleinern, Reinigen und anderen Prozessen werden hochreine Siliziumkarbid-Mikropulver-Rohstoffe hergestellt, die den Anforderungen des Kristallwachstums entsprechen. ② Kristallwachstum. Unter Verwendung von hochreinem Siliziumkarbid-Mikropulver als Rohmaterial wurden Siliziumkarbidkristalle durch physikalischen Dampftransport (PVT) in einem selbst entwickelten Kristallwachstumsofen gezüchtet. Sein Wachstumsprinzip ist in der folgenden Abbildung dargestellt:Hochreines Siliziumkarbid-Mikropulver und ein Impfkristall werden jeweils unten und oben in einen zylindrischen, versiegelten Graphittiegel in einem Einkristall-Züchtungsofen gegeben. Der Tiegel wird durch elektromagnetische Induktion auf über 2,000 °C erhitzt, und die Temperatur des Impfkristalls ist etwas niedriger als die des unteren Mikropulvers, wodurch ein axialer Temperaturgradient im Tiegel entsteht. Mikropulver aus Siliziumkarbid sublimiert bei hoher Temperatur zu gasförmigen Substanzen wie Si2C, SiC2, Si usw. und erreicht durch den Temperaturgradienten den Impfkristall mit niedrigerer Temperatur und kristallisiert darauf zu einem zylindrischen Siliziumkarbidbarren . ③ Barrenverarbeitung. Der erhaltene Siliciumcarbid-Ingot wird mithilfe eines Röntgen-Einkristall-Orientierers ausgerichtet, dann flachgeschliffen und gewalzt und zu Siliciumcarbid-Kristallen mit Standarddurchmesser verarbeitet. ④ Kristallschneiden. Verwenden Sie eine Mehrdrahtschneideausrüstung, um den Siliziumkarbidkristall in dünne Scheiben mit einer Dicke von nicht mehr als 1 mm zu schneiden. ⑤ Waferschleifen. Schleifen des Wafers auf die erforderliche Ebenheit und Rauheit durch Diamantschleifflüssigkeit mit unterschiedlichen Partikelgrößen. ⑥ Wafer-Polieren. Durch mechanisches Polieren und chemisch-mechanisches Polieren wird ein Siliziumkarbid-Polierwafer ohne Oberflächenschäden erhalten. ⑦ Wafer-Inspektion. Unter Verwendung eines optischen Mikroskops, eines Röntgendiffraktometers, eines Rasterkraftmikroskops, eines berührungslosen Widerstandstesters, eines Oberflächenebenheitstesters, eines umfassenden Testers für Oberflächendefekte und anderer Instrumente und Geräte werden verschiedene Parameter wie Mikrotubulidichte, Kristallqualität, Oberflächenrauheit, spezifischer Widerstand, Verzug, Krümmung, Dickenänderung und Oberflächenkratzer des Siliziumkarbid-Wafers wurden festgestellt und die Qualität des Wafers entsprechend beurteilt. ⑧ Waferreinigung. Reinigen des Siliziumkarbid-Polierblatts mit Reinigungsmittel und reinem Wasser, um restliche Oberflächenverunreinigungen wie Polierlösung auf dem Polierblatt zu entfernen, und anschließendes Blasen und Schleudern des Wafers mit ultrahochreinem Stickstoff und einem Schleudertrockner; Der Wafer wird in einem Reinstraum in einer Reinwafer-Box verpackt, um einen Siliziumkarbid-Wafer zu bilden, der geöffnet und sofort weiterverwendet werden kann. Je größer die Wafergröße, desto schwieriger ist es, den entsprechenden Kristall zu züchten und zu verarbeiten. Je höher die Fertigungseffizienz nachgeschalteter Geräte, desto niedriger sind die Stückkosten. Derzeit bieten internationale Siliziumkarbid-Wafer-Hersteller hauptsächlich 4-Zoll- bis 6-Zoll-Siliziumkarbid-Wafer an, und international führende Unternehmen wie CREE und II-VI haben begonnen, in den Bau von 8-Zoll-Siliziumkarbid-Wafer-Produktionslinien zu investieren. [Situation der Siliziumkarbidindustrie]01. Siliziumkarbid (SiC) ist ein ideales Material für Hochleistungsgeräte. Silizium ist das Grundmaterial der ersten Generation in der Halbleiterindustrie. Derzeit bestehen mehr als 95 % der integrierten Schaltkreiskomponenten weltweit aus Silizium. Mit der Entwicklung von Elektrofahrzeugen, 5G und anderen Anwendungen steigt derzeit die Nachfrage nach Hochleistungs-, Hochspannungs- und Hochfrequenzgeräten rapide an. Wenn die Spannung über 900 V liegt, wird die Kurzschlussplatine des siliziumbasierten Leistungs-MOSFET und IGBT freigelegt, was in vielerlei Hinsicht Einschränkungen mit sich bringt, beispielsweise hinsichtlich der Umwandlungseffizienz, der Schaltfrequenz und der Betriebstemperatur. Siliziumkarbid (SiC) wird aufgrund seiner großen Bandlücke (3-mal so groß wie Si), hohen Wärmeleitfähigkeit (3.3-mal so groß wie Si oder 10-mal so groß wie GaAs), hohen Elektronensättigungsmigrationsrate (2.5-mal so groß wie Si) und hohen Durchbruchsfeldstärke (5-mal so groß wie Si oder GaAs) häufig in Hochtemperatur-, Hochspannungs-, Hochfrequenz- und Hochleistungselektronikgeräten sowie in der Luft- und Raumfahrt und anderen extremen Umgebungen eingesetzt. Siliziumkarbid wird durch Schmelzen von Quarzsand, Petrolkoks (oder Kohlenkoks), Sägemehl (Salz wird zur Herstellung von grünem Siliziumkarbid benötigt) und anderen Rohstoffen in einem Widerstandsofen bei hoher Temperatur hergestellt. 02. Vorteile von SiC-Leistungshalbleiterbauelementen Der Halbleiter der dritten Generation, aufgrund seiner physikalischen Struktur auch als Halbleiter mit großer Bandlücke bekannt, besteht hauptsächlich aus Galliumnitrid und Siliziumkarbid. Seine Halbleiterleistungseigenschaften unterscheiden sich von denen des Siliziums der ersten Generation und des Galliumarsenids der zweiten Generation, wodurch es die Vorteile einer großen Bandlücke, einer hohen Wärmeleitfähigkeit, einer hohen Durchbruchfeldstärke und einer hohen Elektronensättigungsdriftrate aufweist. Dadurch ist es möglich, miniaturisierte Leistungshalbleitergeräte zu entwickeln, die besser für raue Bedingungen wie hohe Temperaturen, hohe Leistung, hohe Spannung, hohe Frequenz und Strahlungsbeständigkeit geeignet sind, und die physikalischen Grenzen herkömmlicher Leistungshalbleitergeräte auf Siliziumbasis und deren effektiv zu durchbrechen Materialien.

Derzeit ist der Hauptvorbereitungsprozess von SiC-Substraten grob in zwei Schritte unterteilt: Der erste Schritt besteht darin, dass SiC-Pulver bei hoher Temperatur in einem Einkristallofen sublimiert wird und dann im Einkristallofen ein SiC-Barren geformt wird; Zweitens: Grobbearbeitung, Schneiden, Schleifen und Polieren des SiC-Ingots, um einen transparenten oder durchscheinenden SiC-Wafer (dh SiC-Substrat) ohne Schadensschicht und geringer Rauheit zu erhalten.

Richtung der technischen Entwicklung: Bei den Geräten werden Geräte mit hoher Spannungsfestigkeit über 3.3 kV entwickelt und ein Grabendesign eingeführt, um die Leistung und Zuverlässigkeit der Geräte zu verbessern. Im Hinblick auf die Verpackung wird der Verpackungsprozess optimiert, um die Vorteile der hohen Temperaturbeständigkeit von Siliziumkarbid voll auszunutzen.