Silikon karbida (SiC) merupakan arah utama pengembangan industri semikonduktor tenaga, yang secara signifikan dapat meningkatkan tingkat pemanfaatan energi listrik ketika digunakan untuk membuat perangkat tenaga. Di masa mendatang, kendaraan energi baru akan menjadi skenario aplikasi utama perangkat listrik silikon karbida. Sebagai pionir dalam teknologi, Tesla telah memimpin dalam mengintegrasikan semua modul silikon karbida di Model 3, dan perusahaan mobil lini pertama lainnya juga berencana untuk memperluas penerapan silikon karbida. Dengan penurunan biaya produksi perangkat silikon karbida dan kematangan teknologi secara bertahap, masa depan industri perangkat listrik silikon karbida dapat diharapkan. [Apa itu silikon karbida? Silikon karbida (SiC) adalah bahan semikonduktor senyawa generasi ketiga. Landasan industri semikonduktor adalah chip, dan bahan inti pembuatan chip dibagi menjadi bahan semikonduktor generasi pertama (kebanyakan silikon dengan kemurnian tinggi yang banyak digunakan saat ini), bahan semikonduktor majemuk generasi kedua (gallium arsenida dan indium fosfida) dan bahan semikonduktor majemuk generasi ketiga (silikon karbida dan galium nitrida) menurut proses sejarah. Karena sifat fisiknya yang unggul: celah pita yang tinggi (sesuai dengan medan listrik kerusakan yang tinggi dan kepadatan daya yang tinggi), konduktivitas listrik yang tinggi, dan konduktivitas termal yang tinggi, silikon karbida akan menjadi bahan dasar yang paling banyak digunakan untuk chip semikonduktor di masa depan. [Sifat Fisika dan Kimia Silikon Karbida]Bentuk utama silikon karbida dalam chip semikonduktor adalah substrat. Chip semikonduktor dapat dibagi menjadi sirkuit terpadu dan perangkat diskrit, namun struktur dasar sirkuit terpadu dan perangkat diskrit dapat dibagi menjadi struktur "perangkat substrat-epitaksial". Bentuk utama silikon karbida dalam semikonduktor adalah sebagai bahan substrat.Wafer silikon karbida adalah lembaran kristal tunggal yang dibentuk dengan memotong, menggiling, memoles dan membersihkan kristal silikon karbida. Sebagai bahan substrat semikonduktor, wafer silikon karbida dapat dibuat menjadi perangkat daya berbasis silikon karbida dan perangkat RF gelombang mikro melalui pertumbuhan epitaksi dan pembuatan perangkat, yang merupakan bahan dasar penting untuk pengembangan industri semikonduktor generasi ketiga. Menurut perbedaan resistivitas, wafer silikon karbida dapat dibagi menjadi tipe konduktif dan tipe semi-isolasi. Diantaranya, wafer silikon karbida konduktif terutama digunakan untuk memproduksi perangkat listrik bersuhu tinggi dan bertegangan tinggi, dengan skala pasar yang besar; Substrat silikon karbida semi-isolasi terutama digunakan dalam perangkat RF gelombang mikro dan bidang lainnya. Dengan percepatan pembangunan jaringan komunikasi 5G, permintaan pasar jelas meningkat.[Penelitian tentang teknologi pemrosesan silikon karbida] Kekerasan SiC berada di urutan kedua setelah berlian, dan dapat digunakan sebagai bahan abrasif untuk alat gerinda seperti roda gerinda. Oleh karena itu, roda gerinda intan terutama digunakan untuk penggilingan, penggilingan dan pemolesan, di antaranya roda gerinda intan memiliki efisiensi tertinggi dan merupakan sarana penting untuk memproses SiC. Namun material SiC tidak hanya memiliki karakteristik kekerasan yang tinggi, tetapi juga kerapuhannya yang tinggi dan ketangguhan patah yang rendah sehingga mudah menyebabkan patah getas pada material pada proses penggilingan, sehingga meninggalkan lapisan permukaan yang rusak pada permukaan material. dan menyebabkan kerusakan permukaan dan bawah permukaan yang serius, yang mempengaruhi keakuratan pemesinan. Oleh karena itu, sangat penting untuk mempelajari secara mendalam mekanisme penggilingan dan kerusakan bawah permukaan SiC untuk meningkatkan efisiensi penggilingan dan kualitas permukaan SiC. 1. Mekanisme Penggilingan Bahan Keras dan Rapuh Menggiling bahan keras dan rapuh, dan bahan abrasif memiliki efek penggulungan atau pemotongan mikro pada bahan tersebut. Ketika partikel abrasif bekerja pada permukaan yang terbentur dan retak, seiring dengan kemajuan penggilingan, beberapa partikel abrasif ditekan ke dalam benda kerja di bawah aksi beban penggilingan, dan ujung yang terbuka digunakan untuk menggores permukaan benda kerja untuk pemotongan mikro. . Bagian lain dari butiran abrasif menggelinding di antara benda kerja dan cakram gerinda untuk menghasilkan aksi menggelinding, yang membuat permukaan benda kerja membentuk retakan mikro, dan retakan tersebut meluas hingga membentuk serpihan rapuh pada permukaan benda kerja, sehingga mencapai tujuan permukaan. pemindahan. Karena kekuatan tarik bahan keras dan rapuh lebih rendah dari kekuatan tekan, maka ketika partikel abrasif dibebani, retakan mikro akan dihasilkan pada tegangan tarik maksimum pada permukaan bahan keras dan rapuh. Apabila retakan yang saling bersilangan memanjang dan saling bersilangan, maka bagian yang dikelilingi retakan tersebut akan pecah dan roboh menjadi potongan-potongan kecil. Ini adalah proses dasar pembentukan chip dan pembentukan permukaan saat menggiling bahan keras dan rapuh. Karena silikon karbida adalah sejenis bahan rapuh dengan kekerasan tinggi, diperlukan cairan penggilingan khusus. Kesulitan teknis utama dalam penggilingan silikon karbida terletak pada pengukuran yang akurat dan kontrol ketebalan penipisan bahan dengan kekerasan tinggi. Setelah penggilingan, permukaan wafer akan rusak, retakan mikro dan tegangan sisa, dan penipisan wafer silikon karbida akan menyebabkan lebih banyak lengkungan dibandingkan wafer silikon karbida. 2. Penelitian proses pemolesan silikon karbida. Saat ini, metode pemolesan silikon karbida terutama mencakup pemolesan mekanis, pemolesan magnetorheologi, pemolesan mekanis kimia (CMP), pemolesan elektrokimia (ECMP), pemolesan dengan bantuan katalis atau etsa dengan bantuan katalis (CACP/CARE), pemolesan tribokimia (TCP) dan pemolesan dengan bantuan plasma (PAP). Teknologi pemolesan kimia (CMP) merupakan sarana penting dalam pemrosesan semikonduktor saat ini, dan juga merupakan teknologi paling efektif untuk memproses permukaan silikon kristal tunggal hingga tingkat atom. Ini adalah satu-satunya teknologi praktis yang dapat mewujudkan planarisasi lokal dan global dalam proses pengolahan. Efisiensi pemrosesan CMP terutama ditentukan oleh laju reaksi kimia pada permukaan benda kerja. Dengan mempelajari pengaruh parameter proses terhadap laju pemolesan bahan SiC, diperoleh hasil bahwa laju putaran dan tekanan pemolesan mempunyai pengaruh yang besar; Dan suhu dan nilai pH larutan pemoles memiliki pengaruh yang kecil. Untuk meningkatkan kecepatan pemolesan material, kecepatan putaran harus ditingkatkan sebanyak mungkin. Meskipun meningkatkan tekanan pemolesan juga dapat meningkatkan kecepatan pelepasan, bantalan pemoles mudah rusak. Saat ini, metode pemolesan silikon karbida memiliki masalah dengan tingkat penghilangan material yang rendah dan biaya tinggi, serta tidak ada penggilingan dan pemolesan abrasif, pemrosesan tambahan katalitik, dan metode pemrosesan lainnya. Karena kondisi yang menuntut dan pengoperasian perangkat yang rumit, perangkat ini masih berada di laboratorium, dan kecil kemungkinannya untuk mewujudkan produksi massal. Silikon karbida pertama kali ditemukan di meteorit pada tahun 1905, dan sekarang sebagian besar berasal dari sintesis buatan. Silikon karbida memiliki banyak kegunaan, dan jangkauan industrinya luas. Ini dapat digunakan sebagai bahan pemrosesan rekayasa untuk silikon monokristalin, silikon polikristalin, kalium arsenida, kristal Shi Ying, dll., industri fotovoltaik surya, industri semikonduktor dan industri kristal piezoelektrik. [Aliran Proses Pemrosesan Silikon Karbida] Wafer silikon karbida terbuat dari bubuk silikon dengan kemurnian tinggi dan bubuk karbon dengan kemurnian tinggi sebagai bahan mentah, dan kristal silikon karbida ditanam melalui transportasi uap fisik (PVT), dan kemudian diolah menjadi wafer silikon karbida . ① sintesis bahan baku. Bubuk silikon dengan kemurnian tinggi dan bubuk karbon dengan kemurnian tinggi dicampur sesuai dengan proporsi tertentu, dan partikel silikon karbida disintesis melalui reaksi pada suhu tinggi lebih dari 2,000℃. Setelah penghancuran, pembersihan, dan proses lainnya, bahan baku bubuk mikro silikon karbida dengan kemurnian tinggi yang memenuhi persyaratan pertumbuhan kristal disiapkan. ② Pertumbuhan kristal. Menggunakan bubuk mikro silikon karbida kemurnian tinggi sebagai bahan baku, kristal silikon karbida ditanam dengan transportasi uap fisik (PVT) dalam tungku pertumbuhan kristal yang dikembangkan sendiri. Prinsip pertumbuhannya ditunjukkan pada gambar berikut:Bubuk mikro silikon karbida dengan kemurnian tinggi dan kristal benih masing-masing ditempatkan di bagian bawah dan atas wadah grafit tertutup berbentuk silinder dalam tungku pertumbuhan kristal tunggal. Wadah dipanaskan hingga lebih dari 2,000℃ melalui induksi elektromagnetik, dan suhu kristal benih sedikit lebih rendah dibandingkan bubuk mikro yang lebih rendah, sehingga membentuk gradien suhu aksial dalam wadah. Serbuk mikro silikon karbida menyublim pada suhu tinggi untuk membentuk zat gas seperti Si2C, SiC2, Si, dll., dan didorong oleh gradien suhu, mencapai kristal benih dengan suhu lebih rendah, dan mengkristal di atasnya untuk membentuk ingot silikon karbida silinder . ③ Pemrosesan ingot. Ingot silikon karbida yang diperoleh diorientasikan dengan menggunakan orienter kristal tunggal sinar-X, kemudian digiling rata dan digulung, serta diolah menjadi kristal silikon karbida dengan diameter standar. ④ Pemotongan kristal. Gunakan peralatan pemotong multi-kawat untuk memotong kristal silikon karbida menjadi irisan tipis dengan ketebalan tidak lebih dari 1 mm. ⑤ penggilingan wafer. Menggiling wafer hingga mencapai kerataan dan kekasaran yang diperlukan dengan cairan penggilingan berlian dengan ukuran partikel berbeda. ⑥ pemolesan wafer. Wafer pemoles silikon karbida tanpa kerusakan permukaan diperoleh dengan pemolesan mekanis dan pemolesan mekanis kimia. ⑦ pemeriksaan wafer. Menggunakan mikroskop optik, difraktometer sinar-X, mikroskop gaya atom, penguji resistivitas non-kontak, penguji kerataan permukaan, penguji komprehensif cacat permukaan dan instrumen serta peralatan lainnya, berbagai parameter seperti kepadatan mikrotubulus, kualitas kristal, kekasaran permukaan, resistivitas, lengkungan, kelengkungan, perubahan ketebalan, goresan permukaan wafer silikon karbida terdeteksi, dan tingkat kualitas wafer dinilai sesuai. ⑧ Pembersihan wafer. Membersihkan lembaran pemoles silikon karbida dengan bahan pembersih dan air murni untuk menghilangkan sisa kontaminan permukaan seperti larutan pemoles pada lembaran pemoles, lalu meniup dan memutar wafer dengan nitrogen dengan kemurnian sangat tinggi dan pengering putar; Wafer dikemas dalam kotak wafer bersih di ruangan ultra-bersih untuk membentuk wafer silikon karbida yang dapat dibuka dan segera digunakan di bagian hilir. Semakin besar ukuran wafer, semakin sulit untuk menumbuhkan dan memproses kristal yang sesuai, sedangkan semakin tinggi efisiensi produksi perangkat hilir, semakin rendah biaya per unitnya. Saat ini, produsen wafer silikon karbida internasional terutama menyediakan wafer silikon karbida berukuran 4 inci hingga 6 inci, dan perusahaan terkemuka internasional seperti CREE dan II-VI telah mulai berinvestasi dalam pembangunan lini produksi wafer silikon karbida 8 inci. [Situasi Industri Silikon Karbida]01. Silikon karbida (SiC) adalah bahan yang ideal untuk perangkat berdaya tinggi. Silikon merupakan bahan dasar generasi pertama dalam industri semikonduktor. Saat ini, lebih dari 95% komponen sirkuit terpadu di dunia terbuat dari silikon. Saat ini, dengan berkembangnya kendaraan listrik, 5G, dan aplikasi lainnya, permintaan akan perangkat berdaya tinggi, bertegangan tinggi, dan berfrekuensi tinggi meningkat pesat. Ketika tegangan lebih besar dari 900V, papan pendek MOSFET daya berbasis silikon dan IGBT akan terekspos, yang akan terbatas dalam banyak aspek seperti efisiensi konversi, frekuensi switching, dan suhu kerja. Silikon karbida (SiC) banyak digunakan pada perangkat elektronik bersuhu tinggi, bertegangan tinggi, berfrekuensi tinggi, berdaya tinggi, kedirgantaraan, dan lingkungan ekstrem lainnya karena celah pita yang lebar (3 kali Si), konduktivitas termal yang tinggi (3.3 kali Si atau 10 kali GaAs), laju migrasi saturasi elektron yang tinggi (2.5 kali Si) dan medan listrik tembus yang tinggi (5 kali Si atau GaAs). Silikon karbida dibuat dengan melebur pasir kuarsa, kokas minyak bumi (atau kokas batubara), serbuk gergaji (garam diperlukan saat silikon karbida hijau diproduksi) dan bahan mentah lainnya dalam tungku tahan pada suhu tinggi. 02. Keuntungan perangkat semikonduktor daya SiC Semikonduktor generasi ketiga, juga dikenal sebagai semikonduktor celah pita lebar karena struktur fisiknya, terutama diwakili oleh galium nitrida dan silikon karbida. Karakteristik kinerja semikonduktornya berbeda dengan silikon generasi pertama dan galium arsenida generasi kedua, sehingga memiliki keunggulan celah pita yang tinggi, konduktivitas termal yang tinggi, kekuatan medan tembus yang tinggi, dan laju penyimpangan saturasi elektron yang tinggi. Dengan demikian mampu mengembangkan perangkat semikonduktor daya mini yang lebih cocok untuk kondisi keras seperti suhu tinggi, daya tinggi, tegangan tinggi, frekuensi tinggi, dan ketahanan terhadap radiasi, serta secara efektif menembus batas fisik perangkat semikonduktor daya berbasis silikon tradisional dan perangkatnya. bahan.

Saat ini, proses persiapan utama substrat SiC secara kasar dibagi menjadi dua langkah: langkah pertama adalah bubuk SiC disublimasikan pada suhu tinggi dalam tungku kristal tunggal dan kemudian ingot SiC dibentuk dalam tungku kristal tunggal; Kedua, pemesinan kasar, pemotongan, penggilingan dan pemolesan ingot SiC untuk mendapatkan wafer SiC yang transparan atau tembus cahaya (yaitu substrat SiC) tanpa lapisan rusak dan kekasaran rendah.

Arah evolusi teknis: dalam hal perangkat, perangkat tegangan tahan tinggi di atas 3.3kv sedang dikembangkan, dan desain parit diperkenalkan untuk meningkatkan kinerja dan keandalan perangkat; Dalam hal pengemasan, proses pengemasan akan dioptimalkan untuk memberikan manfaat penuh dari silikon karbida yang tahan suhu tinggi.