Il carburo di silicio (SiC) è la principale direzione di sviluppo dell'industria dei semiconduttori di potenza, che può migliorare significativamente il tasso di utilizzo dell'energia elettrica quando viene utilizzata per realizzare dispositivi di potenza. Nel prossimo futuro, i veicoli a nuova energia costituiranno i principali scenari applicativi dei dispositivi di potenza al carburo di silicio. In qualità di pioniere nella tecnologia, Tesla ha assunto un ruolo guida nell'integrazione di tutti i moduli in carburo di silicio nella Model 3, e anche altre case automobilistiche di prima linea stanno pianificando di espandere l'applicazione del carburo di silicio. Con la diminuzione dei costi di produzione dei dispositivi in carburo di silicio e la graduale maturità della tecnologia, si può prevedere il futuro dell'industria dei dispositivi di potenza in carburo di silicio. [Cos'è il carburo di silicio? Il carburo di silicio (SiC) è il materiale semiconduttore composto di terza generazione. La pietra angolare dell'industria dei semiconduttori sono i chip, e i materiali principali per la produzione dei chip sono suddivisi in materiali semiconduttori di prima generazione (principalmente silicio di elevata purezza, ampiamente utilizzato attualmente), materiali semiconduttori composti di seconda generazione (arseniuro di gallio e fosfuro di indio). e i materiali semiconduttori compositi di terza generazione (carburo di silicio e nitruro di gallio) secondo il processo storico. Grazie alle sue proprietà fisiche superiori: elevato bandgap (corrispondente a un campo elettrico ad alta rottura e ad un'elevata densità di potenza), elevata conduttività elettrica ed elevata conduttività termica, il carburo di silicio sarà in futuro il materiale di base più utilizzato per i chip semiconduttori. [Proprietà fisiche e chimiche del carburo di silicio]La forma principale di carburo di silicio nei chip semiconduttori è il substrato. I chip a semiconduttore possono essere suddivisi in circuiti integrati e dispositivi discreti, ma la struttura di base sia dei circuiti integrati che dei dispositivi discreti può essere suddivisa nella struttura "substrato-dispositivo epitassiale". La forma principale del carburo di silicio nei semiconduttori è come materiale di substrato.Il wafer di carburo di silicio è un foglio monocristallino formato dal taglio, molatura, lucidatura e pulizia del cristallo di carburo di silicio. Come materiale di substrato semiconduttore, il wafer di carburo di silicio può essere trasformato in dispositivi di potenza basati su carburo di silicio e dispositivi RF a microonde attraverso la crescita epitassiale e la produzione di dispositivi, che è un importante materiale di base per lo sviluppo dell'industria dei semiconduttori di terza generazione. In base alla differenza di resistività, i wafer in carburo di silicio possono essere suddivisi in tipo conduttivo e semi-isolante. Tra questi, i wafer conduttivi in carburo di silicio vengono utilizzati principalmente per produrre dispositivi di potenza ad alta temperatura e alta tensione, con un mercato su larga scala; Il substrato semiisolante in carburo di silicio viene utilizzato principalmente nei dispositivi RF a microonde e in altri campi. Con la costruzione accelerata della rete di comunicazione 5G, la domanda del mercato è ovviamente aumentata.[Ricerca sulla tecnologia di lavorazione del carburo di silicio] La durezza del SiC è seconda solo a quella del diamante e può essere utilizzato come abrasivo per utensili abrasivi come le mole. Pertanto, le mole diamantate vengono utilizzate principalmente per la molatura, la molatura e la lucidatura, tra le quali le mole diamantate hanno la massima efficienza e sono un mezzo importante per la lavorazione del SiC. Tuttavia, il materiale SiC non solo ha le caratteristiche di elevata durezza, ma anche la sua elevata fragilità e bassa tenacità alla frattura facilitano la rottura fragile del materiale durante il processo di macinazione, lasciando così uno strato superficiale rotto sulla superficie del materiale, e causando gravi danni alla superficie e al sottosuolo, che influiscono sulla precisione della lavorazione. Pertanto, è di grande importanza studiare in modo approfondito il meccanismo di macinazione e i danni nel sottosuolo del SiC per migliorare l’efficienza di macinazione e la qualità della superficie del SiC. 1. Meccanismo di macinazione di materiali duri e fragili Macina materiali duri e fragili e gli abrasivi hanno su di essi effetti di rotolamento o di microtaglio. Quando le particelle abrasive agiscono sulla superficie con protuberanze e crepe, con il progredire della molatura, alcune particelle abrasive vengono premute nel pezzo sotto l'azione del carico di molatura e la punta esposta viene utilizzata per graffiare la superficie del pezzo per il microtaglio . L'altra parte dei grani abrasivi rotola tra il pezzo e il disco abrasivo per produrre un'azione di rotolamento, che fa sì che la superficie del pezzo formi microfessure e la fessura si estenda per formare trucioli fragili sulla superficie del pezzo, raggiungendo così lo scopo di superficie rimozione. Poiché la resistenza alla trazione dei materiali duri e fragili è inferiore alla resistenza alla compressione, quando le particelle abrasive vengono caricate, si genereranno microfessure alla massima sollecitazione di trazione sulla superficie dei materiali duri e fragili. Quando le crepe incrociate si estendono e si incrociano, la parte circondata da crepe si romperà e collasserà in piccoli pezzi. Questo è il processo base di generazione dei trucioli e formazione della superficie durante la rettifica di materiali duri e fragili. Poiché il carburo di silicio è un materiale fragile ad elevata durezza, è necessario un fluido di rettifica speciale. La principale difficoltà tecnica della rettifica del carburo di silicio risiede nella misurazione e nel controllo accurati dell'assottigliamento dello spessore del materiale ad alta durezza. Dopo la macinazione, la superficie del wafer sarà danneggiata, si verificheranno microfessure e tensioni residue e l'assottigliamento del wafer in carburo di silicio causerà una maggiore deformazione rispetto a quello del wafer in carburo di silicio. 2. Ricerca sul processo di lucidatura del carburo di silicio. Attualmente, i metodi di lucidatura del carburo di silicio comprendono principalmente lucidatura meccanica, lucidatura magnetoreologica, lucidatura chimico-meccanica (CMP), lucidatura elettrochimica (ECMP), lucidatura assistita da catalizzatore o incisione assistita da catalizzatore (CACP/CARE), lucidatura tribochimica (TCP) e lucidatura assistita dal plasma (PAP). La tecnologia di lucidatura chimica (CMP) è attualmente un mezzo importante per la lavorazione dei semiconduttori ed è anche la tecnologia più efficace per trattare la superficie del silicio monocristallino a livello atomico. È l'unica tecnologia pratica in grado di realizzare la planarizzazione locale e globale nel processo di elaborazione. L'efficienza di lavorazione del CMP è determinata principalmente dalla velocità di reazione chimica sulla superficie del pezzo. Studiando l'influenza dei parametri di processo sulla velocità di lucidatura dei materiali SiC, i risultati mostrano che la velocità di rotazione e la pressione di lucidatura hanno una grande influenza; E la temperatura e il valore del pH della soluzione lucidante hanno poca influenza. Per migliorare la velocità di lucidatura dei materiali, la velocità di rotazione dovrebbe essere aumentata il più possibile. Sebbene l'aumento della pressione di lucidatura possa anche migliorare il tasso di rimozione, è facile danneggiare il tampone di lucidatura. Allo stato attuale, il metodo di lucidatura del carburo di silicio presenta i problemi di bassa velocità di rimozione del materiale e costi elevati, e non esistono molatura e lucidatura abrasiva, lavorazione ausiliaria catalitica e altri metodi di lavorazione. A causa delle condizioni impegnative e del funzionamento complicato del dispositivo, è ancora in laboratorio ed è improbabile che venga realizzata una produzione di massa. Il carburo di silicio fu scoperto per la prima volta nei meteoriti nel 1905 e ora proviene principalmente dalla sintesi artificiale. Il carburo di silicio ha molti usi e il suo ambito industriale è ampio. Può essere utilizzato come materiale di lavorazione ingegneristica per silicio monocristallino, silicio policristallino, arseniuro di potassio, cristallo Shi Ying, ecc., industria solare fotovoltaica, industria dei semiconduttori e industria dei cristalli piezoelettrici. [Flusso di processo della lavorazione del carburo di silicio] I wafer di carburo di silicio sono costituiti da polvere di silicio di elevata purezza e polvere di carbonio di elevata purezza come materie prime, e i cristalli di carburo di silicio vengono coltivati mediante trasporto fisico di vapore (PVT) e quindi trasformati in wafer di carburo di silicio . ① sintesi delle materie prime. La polvere di silicio di elevata purezza e la polvere di carbonio di elevata purezza vengono miscelate secondo una determinata proporzione e le particelle di carburo di silicio vengono sintetizzate mediante reazione ad una temperatura elevata di oltre 2,000 ℃. Dopo la frantumazione, la pulizia e altri processi, vengono preparate materie prime in micropolvere di carburo di silicio di elevata purezza che soddisfano i requisiti di crescita dei cristalli. ② Crescita dei cristalli. Utilizzando micropolvere di carburo di silicio ad elevata purezza come materia prima, il cristallo di carburo di silicio è stato coltivato mediante trasporto fisico di vapore (PVT) in un forno di crescita dei cristalli sviluppato internamente. Il suo principio di crescita è mostrato nella figura seguente:La micropolvere di carburo di silicio di elevata purezza e il cristallo seme vengono posizionati rispettivamente sul fondo e sulla parte superiore di un crogiolo cilindrico sigillato di grafite in un forno di crescita a cristallo singolo. Il crogiolo viene riscaldato a oltre 2,000 ℃ mediante induzione elettromagnetica e la temperatura del seme di cristallo è leggermente inferiore a quella della micropolvere inferiore, formando così un gradiente di temperatura assiale nel crogiolo. La micropolvere di carburo di silicio sublima ad alta temperatura per formare sostanze gassose come Si2C, SiC2, Si, ecc. e, guidata dal gradiente di temperatura, raggiunge il cristallo seme a temperatura inferiore e cristallizza su di esso per formare un lingotto cilindrico di carburo di silicio . ③ Lavorazione dei lingotti. Il lingotto di carburo di silicio ottenuto viene orientato utilizzando un orientatore a cristallo singolo a raggi X, quindi levigato e laminato e trasformato in cristalli di carburo di silicio con diametro standard. ④ Taglio del cristallo. Utilizzare un'attrezzatura da taglio multifilo per tagliare il cristallo di carburo di silicio in fette sottili con uno spessore non superiore a 1 mm. ⑤ macinazione dei wafer. Macinazione del wafer alla planarità e ruvidità richieste mediante fluido di macinazione diamantato con particelle di diverse dimensioni. ⑥ lucidatura dei wafer. Un wafer di lucidatura al carburo di silicio senza danni superficiali si ottiene mediante lucidatura meccanica e lucidatura chimico-meccanica. ⑦ ispezione dei wafer. Utilizzando microscopio ottico, diffrattometro a raggi X, microscopio a forza atomica, tester di resistività senza contatto, tester di planarità superficiale, tester completo di difetti superficiali e altri strumenti e apparecchiature, vari parametri come densità dei microtubuli, qualità dei cristalli, rugosità superficiale, resistività, deformazione, sono stati rilevati curvatura, variazione di spessore, graffi superficiali del wafer in carburo di silicio e il grado di qualità del wafer è stato giudicato di conseguenza. ⑧ Pulizia dei wafer. Pulire il foglio di lucidatura al carburo di silicio con un detergente e acqua pura per rimuovere i contaminanti superficiali residui come la soluzione lucidante sul foglio di lucidatura, quindi soffiare e far girare il wafer con azoto ad altissima purezza e una centrifuga; Il wafer viene confezionato in una scatola pulita in una stanza ultra pulita per formare un wafer di carburo di silicio che può essere aperto e utilizzato immediatamente a valle. Maggiore è la dimensione del wafer, più difficile è far crescere ed elaborare il cristallo corrispondente, mentre maggiore è l’efficienza produttiva dei dispositivi a valle, minore è il costo unitario. Allo stato attuale, i produttori internazionali di wafer di carburo di silicio forniscono principalmente wafer di carburo di silicio da 4 pollici a 6 pollici e aziende leader a livello internazionale come CREE e II-VI hanno iniziato a investire nella costruzione di linee di produzione di wafer di carburo di silicio da 8 pollici. [Situazione dell'industria del carburo di silicio]01. Il carburo di silicio (SiC) è un materiale ideale per dispositivi ad alta potenza. Il silicio è il materiale di base di prima generazione nell'industria dei semiconduttori. Attualmente, oltre il 95% dei componenti dei circuiti integrati nel mondo sono realizzati in silicio. Attualmente, con lo sviluppo dei veicoli elettrici, del 5G e di altre applicazioni, la domanda di dispositivi ad alta potenza, alta tensione e alta frequenza sta aumentando rapidamente. Quando la tensione è superiore a 900 V, la scheda corta del MOSFET di potenza e dell'IGBT al silicio sarà esposta, il che sarà limitato sotto molti aspetti, come l'efficienza di conversione, la frequenza di commutazione e la temperatura di lavoro. Il carburo di silicio (SiC) è ampiamente utilizzato nei dispositivi elettronici ad alta temperatura, alta tensione, alta frequenza e alta potenza, nel settore aerospaziale e in altri ambienti estremi grazie al suo ampio bandgap (3 volte quello del Si), all'elevata conduttività termica (3.3 volte quella del Si o 10 volte quella del GaAs), all'elevata velocità di migrazione degli elettroni di saturazione (2.5 volte quella del Si) e all'elevato campo elettrico di rottura (5 volte quello del Si o del GaAs). Il carburo di silicio viene prodotto fondendo sabbia di quarzo, coke di petrolio (o coke di carbone), segatura (il sale è necessario quando viene prodotto il carburo di silicio verde) e altre materie prime in un forno a resistenza ad alta temperatura. 02. Vantaggi dei dispositivi a semiconduttore di potenza SiC Il semiconduttore di terza generazione, noto anche come semiconduttore a banda larga a causa della sua struttura fisica, è rappresentato principalmente da nitruro di gallio e carburo di silicio. Le sue caratteristiche prestazionali dei semiconduttori sono diverse da quelle del silicio di prima generazione e dell'arseniuro di gallio di seconda generazione, il che gli conferisce i vantaggi di un elevato bandgap, un'elevata conduttività termica, un'elevata intensità del campo di rottura e un elevato tasso di deriva della saturazione degli elettroni. Essere così in grado di sviluppare dispositivi a semiconduttore di potenza miniaturizzati che sono più adatti a condizioni difficili come alta temperatura, alta potenza, alta tensione, alta frequenza e resistenza alle radiazioni e superare efficacemente i limiti fisici dei tradizionali dispositivi a semiconduttore di potenza a base di silicio e i loro materiali.

Allo stato attuale, il processo principale di preparazione del substrato di SiC è suddiviso approssimativamente in due fasi: la prima fase prevede la sublimazione della polvere di SiC ad alta temperatura in un forno a cristallo singolo e la successiva formazione del lingotto di SiC nel forno a cristallo singolo; In secondo luogo, la sgrossatura, il taglio, la molatura e la lucidatura del lingotto di SiC per ottenere un wafer di SiC trasparente o traslucido (ovvero un substrato di SiC) senza strato danneggiato e con bassa rugosità.

Direzione dell'evoluzione tecnica: in termini di dispositivi, si stanno sviluppando dispositivi ad alta tensione di tenuta superiore a 3.3 kv e viene introdotto il design a trincea per migliorare le prestazioni e l'affidabilità del dispositivo; In termini di confezionamento, il processo di confezionamento sarà ottimizzato per sfruttare appieno i vantaggi della resistenza alle alte temperature del carburo di silicio.