¡La cadena industrial de carburo de silicio de mi país!

El carburo de silicio (SiC) es la principal dirección de desarrollo de la industria de semiconductores de potencia, que puede mejorar significativamente la tasa de utilización de la energía eléctrica cuando se utiliza para fabricar dispositivos de potencia. En el futuro previsible, los vehículos de nueva energía serán los principales escenarios de aplicación de los dispositivos de energía de carburo de silicio. Como pionero en tecnología, Tesla ha tomado la iniciativa en la integración de todos los módulos de carburo de silicio en el Modelo 3, y otras empresas automovilísticas de primera línea también planean ampliar la aplicación del carburo de silicio. Con el costo de fabricación decreciente de los dispositivos de carburo de silicio y la madurez gradual de la tecnología, se puede esperar el futuro de la industria de dispositivos de potencia de carburo de silicio. [¿Qué es el carburo de silicio? El carburo de silicio (SiC) es el material semiconductor compuesto de tercera generación. La piedra angular de la industria de los semiconductores son los chips, y los materiales centrales para fabricarlos se dividen en materiales semiconductores de primera generación (principalmente silicio de alta pureza que se usa ampliamente en la actualidad), materiales semiconductores compuestos de segunda generación (arseniuro de galio y fosfuro de indio). y los materiales semiconductores compuestos de tercera generación (carburo de silicio y nitruro de galio) según el proceso histórico. Debido a sus propiedades físicas superiores: alta banda prohibida (correspondiente a un alto campo eléctrico de ruptura y alta densidad de potencia), alta conductividad eléctrica y alta conductividad térmica, el carburo de silicio será el material básico más utilizado para chips semiconductores en el futuro. [Propiedades físicas y químicas del carburo de silicio]La forma principal de carburo de silicio en los chips semiconductores es el sustrato. Los chips semiconductores se pueden dividir en circuitos integrados y dispositivos discretos, pero la estructura básica tanto de los circuitos integrados como de los dispositivos discretos se puede dividir en una estructura de "sustrato-epitaxial-dispositivo". La forma principal del carburo de silicio en los semiconductores es como material de sustrato.La oblea de carburo de silicio es una lámina monocristalina formada cortando, esmerilando, puliendo y limpiando cristales de carburo de silicio. Como material de sustrato semiconductor, la oblea de carburo de silicio se puede convertir en dispositivos de potencia basados en carburo de silicio y dispositivos de RF de microondas mediante crecimiento epitaxial y fabricación de dispositivos, que es un material básico importante para el desarrollo de la industria de semiconductores de tercera generación. Según la diferencia de resistividad, las obleas de carburo de silicio se pueden dividir en tipo conductor y tipo semiaislante. Entre ellos, las obleas conductoras de carburo de silicio se utilizan principalmente para fabricar dispositivos de energía de alta temperatura y alto voltaje, con una gran escala de mercado; El sustrato de carburo de silicio semiaislante se utiliza principalmente en dispositivos de RF de microondas y otros campos. Con la construcción acelerada de la red de comunicación 5G, la demanda del mercado ha aumentado obviamente.[Investigación sobre la tecnología de procesamiento del carburo de silicio] La dureza del SiC es superada solo por la del diamante y puede usarse como abrasivo para herramientas abrasivas como muelas abrasivas. Por lo tanto, las muelas de diamante se utilizan principalmente para esmerilar, esmerilar y pulir, entre las cuales las muelas de diamante tienen la mayor eficiencia y son un medio importante para procesar SiC. Sin embargo, el material de SiC no solo tiene las características de alta dureza, sino que también su alta fragilidad y baja tenacidad a la fractura hacen que sea fácil causar una fractura frágil del material en el proceso de molienda, dejando así una capa superficial rota en la superficie del material. y causando graves daños superficiales y subsuperficiales, lo que afecta la precisión del mecanizado. Por lo tanto, es de gran importancia estudiar en profundidad el mecanismo de molienda y el daño subsuperficial del SiC para mejorar la eficiencia de la molienda y la calidad de la superficie del SiC. 1. Mecanismo de molienda de materiales duros y quebradizos Muele materiales duros y quebradizos, y los abrasivos tienen efectos de rodadura o microcorte sobre ellos. Cuando las partículas abrasivas actúan sobre la superficie con protuberancias y grietas, con el progreso del rectificado, algunas partículas abrasivas se presionan en la pieza de trabajo bajo la acción de la carga de rectificado y la punta expuesta se usa para rayar la superficie de la pieza de trabajo para microcorte. . La otra parte de los granos abrasivos rueda entre la pieza de trabajo y el disco abrasivo para producir una acción de rodadura, lo que hace que la superficie de la pieza de trabajo forme microgrietas, y la grieta se extiende para formar virutas quebradizas en la superficie de la pieza de trabajo, logrando así el propósito de la superficie. eliminación. Debido a que la resistencia a la tracción de los materiales duros y quebradizos es menor que la resistencia a la compresión, cuando se cargan las partículas abrasivas, se generarán microgrietas con la tensión de tracción máxima en la superficie de los materiales duros y quebradizos. Cuando las grietas entrecruzadas se extienden y se cruzan entre sí, la parte rodeada por las grietas se romperá y colapsará en pequeños pedazos. Este es el proceso básico de generación de virutas y formación de superficies al rectificar materiales duros y quebradizos. Como el carburo de silicio es un tipo de material frágil de alta dureza, se necesita un líquido de molienda especial. La principal dificultad técnica del rectificado de carburo de silicio radica en la medición y el control precisos del espesor de adelgazamiento del material de alta dureza. Después de la molienda, la superficie de la oblea se dañará, se producirán microfisuras y tensiones residuales, y el adelgazamiento de la oblea de carburo de silicio provocará más deformación que la de la oblea de carburo de silicio. 2. Investigación sobre el proceso de pulido del carburo de silicio. En la actualidad, los métodos de pulido de carburo de silicio incluyen principalmente pulido mecánico, pulido magnetorreológico, pulido químico mecánico (CMP), pulido electroquímico (ECMP), pulido asistido por catalizador o grabado asistido por catalizador (CACP/CARE), pulido triboquímico (TCP). y pulido asistido por plasma (PAP). La tecnología de pulido químico (CMP) es un medio importante de procesamiento de semiconductores en la actualidad y también es la tecnología más eficaz para procesar la superficie del silicio monocristalino a nivel atómico. Es la única tecnología práctica que puede realizar la planarización local y global en el proceso de procesamiento. La eficiencia de procesamiento de CMP está determinada principalmente por la velocidad de reacción química en la superficie de la pieza de trabajo. Al estudiar la influencia de los parámetros del proceso en la velocidad de pulido de los materiales de SiC, los resultados muestran que la velocidad de rotación y la presión de pulido tienen una gran influencia; Y la temperatura y el valor del pH de la solución de pulido tienen poca influencia. Para mejorar la tasa de pulido de los materiales, la velocidad de rotación debe aumentarse tanto como sea posible. Aunque aumentar la presión de pulido también puede mejorar la tasa de eliminación, es fácil dañar la almohadilla de pulido. En la actualidad, el método de pulido de carburo de silicio tiene los problemas de una baja tasa de eliminación de material y un alto costo, y no existe esmerilado y pulido abrasivo, procesamiento auxiliar catalítico ni otros métodos de procesamiento. Debido a las exigentes condiciones y al complicado funcionamiento del dispositivo, todavía se encuentra en el laboratorio y es poco probable que se produzca en masa. El carburo de silicio se descubrió por primera vez en meteoritos en 1905 y ahora proviene principalmente de síntesis artificial. El carburo de silicio tiene muchos usos y su alcance industrial es amplio. Puede usarse como materiales de procesamiento de ingeniería para silicio monocristalino, silicio policristalino, arseniuro de potasio, cristal Shi Ying, etc., industria solar fotovoltaica, industria de semiconductores e industria de cristal piezoeléctrico. [Flujo del proceso de procesamiento de carburo de silicio] Las obleas de carburo de silicio están hechas de polvo de silicio de alta pureza y polvo de carbono de alta pureza como materias primas, y los cristales de carburo de silicio se cultivan mediante transporte físico de vapor (PVT) y luego se procesan en obleas de carburo de silicio. . ① síntesis de materia prima. El polvo de silicio de alta pureza y el polvo de carbono de alta pureza se mezclan según una cierta proporción, y las partículas de carburo de silicio se sintetizan mediante reacción a una temperatura alta de más de 2,000 ℃. Después de la trituración, la limpieza y otros procesos, se preparan materias primas de micropolvo de carburo de silicio de alta pureza que cumplen con los requisitos del crecimiento de cristales. ② Crecimiento de cristales. Utilizando micropolvo de carburo de silicio de alta pureza como materia prima, se cultivó cristal de carburo de silicio mediante transporte físico de vapor (PVT) en un horno de crecimiento de cristales de desarrollo propio. Su principio de crecimiento se muestra en la siguiente figura:El micropolvo de carburo de silicio de alta pureza y el cristal semilla se colocan respectivamente en la parte inferior y superior de un crisol de grafito cilíndrico sellado en un horno de crecimiento de monocristal. El crisol se calienta a más de 2,000 ℃ mediante inducción electromagnética y la temperatura del cristal semilla es ligeramente más baja que la del micropolvo inferior, formando así un gradiente de temperatura axial en el crisol. El micropolvo de carburo de silicio se sublima a alta temperatura para formar sustancias gaseosas como Si2C, SiC2, Si, etc., y impulsado por un gradiente de temperatura, alcanza el cristal semilla con una temperatura más baja y cristaliza en él para formar un lingote cilíndrico de carburo de silicio. . ③ Procesamiento de lingotes. El lingote de carburo de silicio obtenido se orienta utilizando un orientador monocristalino de rayos X, luego se muele, se lamina y se procesa hasta obtener un cristal de carburo de silicio con un diámetro estándar. ④ Corte de cristal. Utilice un equipo de corte de varios hilos para cortar el cristal de carburo de silicio en rodajas finas con un espesor no superior a 1 mm. ⑤ molienda de oblea. Moler la oblea hasta obtener la planitud y rugosidad requeridas mediante un fluido de pulido de diamante con diferentes tamaños de partículas. ⑥ pulido de obleas. Mediante pulido mecánico y pulido mecánico químico se obtiene una oblea de pulido de carburo de silicio sin daños en la superficie. ⑦ inspección de obleas. Usando microscopio óptico, difractómetro de rayos X, microscopio de fuerza atómica, probador de resistividad sin contacto, probador de planitud de superficie, probador integral de defectos de superficie y otros instrumentos y equipos, varios parámetros como densidad de microtúbulos, calidad del cristal, rugosidad de la superficie, resistividad, deformación, Se detectaron curvatura, cambio de espesor, rayado en la superficie de la oblea de carburo de silicio y se juzgó en consecuencia el grado de calidad de la oblea. ⑧ Limpieza de obleas. Limpiar la lámina de pulido de carburo de silicio con un agente de limpieza y agua pura para eliminar los contaminantes residuales de la superficie, como la solución de pulido de la lámina de pulido, y luego soplar y hacer girar la oblea con nitrógeno de pureza ultra alta y un secador giratorio; La oblea se envasa en una caja de oblea limpia en una sala ultralimpia para formar una oblea de carburo de silicio que se puede abrir y utilizar inmediatamente después. Cuanto mayor sea el tamaño de la oblea, más difícil será cultivar y procesar el cristal correspondiente, mientras que cuanto mayor sea la eficiencia de fabricación de los dispositivos posteriores, menor será el costo unitario. En la actualidad, los fabricantes internacionales de obleas de carburo de silicio proporcionan principalmente obleas de carburo de silicio de 4 a 6 pulgadas, y empresas líderes internacionales como CREE y II-VI han comenzado a invertir en la construcción de líneas de producción de obleas de carburo de silicio de 8 pulgadas. [Situación de la industria del carburo de silicio]01. El carburo de silicio (SiC) es un material ideal para dispositivos de alta potencia. El silicio es el material básico de primera generación en la industria de los semiconductores. En la actualidad, más del 95% de los componentes de circuitos integrados del mundo están hechos de silicio. En la actualidad, con el desarrollo de los vehículos eléctricos, el 5G y otras aplicaciones, la demanda de dispositivos de alta potencia, alto voltaje y alta frecuencia está aumentando rápidamente. Cuando el voltaje es mayor a 900 V, la placa corta del MOSFET y del IGBT de potencia basados en silicio quedará expuesta, lo que estará limitado en muchos aspectos, como la eficiencia de conversión, la frecuencia de conmutación y la temperatura de trabajo. El carburo de silicio (SiC) se usa ampliamente en dispositivos electrónicos de alta temperatura, alto voltaje, alta frecuencia y alta potencia, en la industria aeroespacial y en otros entornos extremos debido a su amplia banda prohibida (3 veces mayor que Si), alta conductividad térmica (3.3 veces mayor que Si o 10 veces mayor que GaAs), alta tasa de migración de saturación de electrones (2.5 veces mayor que Si) y alto campo eléctrico de ruptura (5 veces mayor que Si o GaAs). El carburo de silicio se fabrica fundiendo arena de cuarzo, coque de petróleo (o coque de carbón), aserrín (se necesita sal para producir carburo de silicio verde) y otras materias primas en un horno de resistencia a alta temperatura. 02. Ventajas de los dispositivos semiconductores de potencia de SiC El semiconductor de tercera generación, también conocido como semiconductor de banda ancha debido a su estructura física, está representado principalmente por nitruro de galio y carburo de silicio. Sus características de rendimiento del semiconductor son diferentes de las del silicio de primera generación y del arseniuro de galio de segunda generación, lo que le hace tener las ventajas de una banda prohibida alta, una conductividad térmica alta, una intensidad de campo de ruptura alta y una tasa de deriva de saturación de electrones alta. De este modo se pueden desarrollar dispositivos semiconductores de potencia miniaturizados que sean más adecuados para condiciones adversas como alta temperatura, alta potencia, alto voltaje, alta frecuencia y resistencia a la radiación, y rompiendo efectivamente los límites físicos de los dispositivos semiconductores de potencia tradicionales basados en silicio y sus materiales.

En la actualidad, el proceso principal de preparación del sustrato de SiC se divide aproximadamente en dos pasos: el primer paso es sublimar el polvo de SiC a alta temperatura en un horno monocristalino y luego se forma un lingote de SiC en el horno monocristalino; En segundo lugar, mecanizar, cortar, esmerilar y pulir el lingote de SiC para obtener una oblea de SiC transparente o translúcida (es decir, un sustrato de SiC) sin capa de daño y con baja rugosidad.

Dirección de la evolución técnica: en términos de dispositivos, se están desarrollando dispositivos de alta tensión soportada por encima de 3.3 kv y se introduce el diseño de zanjas para mejorar el rendimiento y la confiabilidad del dispositivo; En términos de embalaje, el proceso de embalaje se optimizará para aprovechar al máximo las ventajas de la resistencia a altas temperaturas del carburo de silicio.