私の国の炭化ケイ素産業チェーン!

2022-03-17 1071

炭化ケイ素 (SiC) はパワー半導体産業の主な発展方向であり、パワーデバイスの製造に使用される場合、電気エネルギーの利用率を大幅に向上させることができます。近い将来、新エネルギー車が炭化ケイ素パワーデバイスの主な応用シナリオとなるでしょう。テクノロジーのパイオニアとして、テスラはモデル 3 にすべての炭化ケイ素モジュールを統合することに率先して取り組み、他の第一線の自動車会社も炭化ケイ素の用途を拡大することを計画しています。炭化ケイ素デバイスの製造コストの低下と技術の漸進的な成熟により、炭化ケイ素パワーデバイス産業の将来が期待されています。【炭化ケイ素とは？炭化ケイ素 (SiC) は、第 3 世代の化合物半導体材料です。半導体産業の根幹はチップであり、チップを作るための核となる材料は、第一世代の半導体材料（現在広く使われている主に高純度シリコン）と第二世代の化合物半導体材料（ガリウムヒ素やリン化インジウム）に分けられます。歴史的プロセスに従った第3世代の化合物半導体材料（炭化ケイ素と窒化ガリウム）。炭化ケイ素は、高いバンドギャップ（高絶縁破壊電界および高出力密度に対応）、高電気伝導率、高熱伝導率といった優れた物理的特性により、将来的には半導体チップの基本材料として最も広く使用されることになるでしょう。【炭化ケイ素の物理的・化学的性質】半導体チップにおける炭化ケイ素の主な形態は基板です。半導体チップは集積回路とディスクリートデバイスに分けることができますが、集積回路とディスクリートデバイスの基本構造は「基板・エピタキシャル・デバイス」の構造に分けることができます。半導体における炭化ケイ素の主な形態は、基板材料として使用されます。炭化珪素ウエハは、炭化珪素結晶を切断、研削、研磨、洗浄することにより形成された単結晶シートです。半導体基板材料としての炭化ケイ素ウェハは、エピタキシャル成長とデバイス製造を通じて炭化ケイ素ベースのパワーデバイスやマイクロ波RFデバイスを製造することができ、第3世代半導体産業の発展にとって重要な基礎材料です。炭化ケイ素ウエハは抵抗率の違いにより、導電タイプと半絶縁タイプに分けられます。このうち、導電性炭化ケイ素ウェハは主に高温・高電圧のパワーデバイスの製造に使用されており、市場規模が大きい。半絶縁性炭化ケイ素基板は、主にマイクロ波RFデバイスなどの分野で使用されています。 5G通信ネットワークの構築の加速に伴い、市場の需要は明らかに増加しています。【炭化ケイ素の加工技術の研究】 SiCはダイヤモンドに次ぐ硬度を持ち、砥石などの研削工具の研磨材として使用されます。したがって、ダイヤモンド砥石は主に研削、研削、研磨に使用され、その中でダイヤモンド砥石は最も効率が高く、SiCを加工するための重要な手段です。しかし、SiC材料は硬度が高いだけでなく、脆性が高く破壊靱性が低いため、研削加工時に材料が脆性破壊を起こしやすく、材料表面に表面破壊層が残ります。深刻な表面および表面下の損傷を引き起こし、加工精度に影響を与えます。したがって、SiCの研削効率と表面品質を向上させるために、SiCの研削メカニズムと表面下の損傷を深く研究することは非常に重要です。 1. 硬脆材料の研削メカニズム硬脆材料を研削し、砥粒により転がりや微小な切削効果を与えます。研削の進行に伴って凹凸のある表面に砥粒が作用すると、研削荷重の作用により砥粒の一部がワークに押し込まれ、露出した先端でワークの表面を傷つけて微細な切削を行います。。砥粒の残りの部分はワークと研削ディスクの間で転がり、転がり作用を引き起こします。これにより、ワークの表面に微小な亀裂が形成され、その亀裂が広がってワークの表面に脆性チップが形成され、表面の目的が達成されます。除去。硬脆性材料の引張強度は圧縮強度に比べて低いため、砥粒を負荷すると硬脆性材料の表面に最大引張応力で微小亀裂が発生します。縦横に亀裂が伸びて交差すると、亀裂で囲まれた部分が砕け、細かく崩れていきます。硬脆性材料を研削する際の切りくず生成と面形成の基本プロセスです。炭化ケイ素は高硬度脆性材料の一種であるため、専用の研削液が必要となります。炭化ケイ素の研削における主な技術的困難は、高硬度材料の薄肉化の正確な測定と制御にあります。研削後、ウェーハの表面には損傷、マイクロクラック、残留応力が発生し、炭化ケイ素ウェーハを薄くすると炭化ケイ素ウェーハよりも大きな反りが発生します。 2. 炭化珪素の研磨加工に関する研究。現在、炭化ケイ素の研磨方法には、主に機械研磨、磁気レオロジー研磨、化学機械研磨（CMP）、電気化学研磨（ECMP）、触媒支援研磨または触媒支援エッチング（CACP/CARE）、トライボケミカル研磨（TCP）が含まれます。プラズマ支援研磨（PAP）。化学研磨（CMP）技術は現在半導体加工の重要な手段であり、単結晶シリコンの表面を原子レベルで加工する最も有効な技術でもあります。加工プロセスにおいて局所的かつ全体的な平坦化を実現できる唯一の実用技術です。 CMPの処理効率は主にワーク表面での化学反応速度によって決まります。 SiC 材料の研磨速度に対するプロセスパラメータの影響を研究した結果、回転速度と研磨圧力が大きな影響を与えることがわかりました。また、研磨液の温度やpH値の影響もほとんどありません。材料の研磨速度を向上させるには、回転速度をできるだけ高める必要があります。研磨圧力を上げると研磨速度も向上しますが、研磨パッドが傷つきやすくなります。現在、炭化珪素の研磨方法は、材料除去速度が低く、コストが高いという問題があり、砥粒研削や研磨、触媒補助加工などの加工方法はない。この装置は厳しい条件と複雑な操作のため、まだ研究室にあり、大量生産が実現する可能性は低いです。炭化ケイ素は 1905 年に隕石から初めて発見され、現在では主に人工合成によって製造されています。炭化ケイ素には多くの用途があり、その産業範囲は広いです。単結晶シリコン、多結晶シリコン、カリウムヒ素、士英結晶など、太陽光発電産業、半導体産業、圧電結晶産業などのエンジニアリング加工材料として使用できます。【炭化珪素加工のプロセスフロー】炭化珪素ウエハは、高純度珪素粉末と高純度炭素粉末を原料とし、物理的気相輸送（PVT）により炭化珪素結晶を成長させた後、炭化珪素ウエハに加工されます。。 ①原料合成。高純度シリコン粉末と高純度カーボン粉末を一定の割合で混合し、2,000℃以上の高温で反応させて炭化ケイ素粒子を合成します。粉砕、洗浄等の工程を経て、結晶成長に必要な高純度の炭化ケイ素微粉末原料が調製されます。 ②結晶成長。高純度の炭化ケイ素微粉末を原料として、自社開発の結晶成長炉で物理的気相輸送（PVT）法により炭化ケイ素結晶を成長させました。その成長原理を次の図に示します。高純度の炭化ケイ素微粉末と種結晶を、単結晶成長炉内の円筒形の密封黒鉛るつぼの底部と上部にそれぞれ配置します。るつぼは電磁誘導により2,000℃以上に加熱され、種結晶の温度は下部微粉末の温度よりわずかに低くなり、るつぼ内に軸方向の温度勾配が形成されます。炭化ケイ素の微粉末は高温で昇華してSi2C、SiC2、Siなどのガス状物質を形成し、温度勾配により低温で種結晶に到達し、その上で結晶化して円柱状の炭化ケイ素インゴットを形成します。。 ③インゴット加工。得られた炭化珪素インゴットをＸ線単結晶配向装置を用いて配向させた後、平坦化、圧延を行い、規格径の炭化珪素結晶に加工する。 ④ クリスタルカット。マルチワイヤー切断装置を使用して、炭化ケイ素結晶を厚さ1mm以下の薄いスライスに切断します。 ⑤ウェーハ研削。異なる粒子サイズのダイヤモンド研削液を使用して、ウェーハを必要な平面度および粗さに研削します。 ⑥ウェーハ研磨。機械研磨および化学機械研磨により、表面ダメージのない炭化珪素研磨ウェーハが得られる。 ⑦ウェハ検査。光学顕微鏡、X線回折装置、原子間力顕微鏡、非接触比抵抗検査装置、表面平坦度検査装置、表面欠陥総合検査装置などの機器を用いて、微小管密度、結晶品質、表面粗さ、比抵抗、反りなどの各種パラメータを測定し、炭化ケイ素ウェーハの反り、厚さの変化、表面の傷を検出し、ウェーハの品質グレードを判定しました。 ⑧ ウエハ洗浄。炭化ケイ素研磨シートを洗浄剤と純水で洗浄し、研磨シート上の残留研磨液などの表面汚染物質を除去した後、超高純度窒素とスピンドライヤーでウエハを吹き飛ばして回転させる。ウェーハは、超クリーンルーム内のクリーンなウェーハボックスに梱包されて炭化ケイ素ウェーハが形成され、下流で開いてすぐに使用できます。ウェーハサイズが大きくなるほど、対応する結晶の成長と加工は難しくなりますが、後段のデバイスの製造効率が高くなるほど単価は下がります。現在、国際的な炭化ケイ素ウェーハメーカーは主に 4 インチから 6 インチの炭化ケイ素ウェーハを提供しており、CREE や II-VI などの国際大手企業は 8 インチ炭化ケイ素ウェーハの生産ラインの建設に投資を開始しています。【炭化ケイ素産業の現状】01. 炭化ケイ素 (SiC) は、高出力デバイスに最適な材料です。シリコンは、半導体業界における第一世代の基本材料です。現在、世界中の集積回路部品の 95% 以上がシリコンでできています。現在、電気自動車や5Gなどの発展に伴い、高出力、高電圧、高周波デバイスの需要が急速に高まっています。電圧が 900V を超えると、シリコンベースのパワー MOSFET および IGBT の短絡基板が露出し、変換効率、スイッチング周波数、動作温度など多くの面で制限が発生します。シリコンカーバイド（SiC）は、広いバンドギャップ（Siの3倍）、高い熱伝導率（Siの3.3倍、またはGaAsの10倍）、高い電子飽和移動速度（Siの2.5倍）、および高い破壊電界（SiまたはGaAsの5倍）を備えているため、高温、高電圧、高周波、高出力の電子機器、航空宇宙などの過酷な環境で広く使用されています。炭化ケイ素は、珪砂、石油コークス（または石炭コークス）、おがくず（緑色の炭化ケイ素を製造する場合には塩が必要です）およびその他の原料を抵抗炉で高温で製錬することによって製造されます。 02. SiCパワー半導体デバイスのメリット第XNUMX世代半導体は、その物理的構造からワイドバンドギャップ半導体とも呼ばれ、主に窒化ガリウムや炭化ケイ素に代表されます。その半導体性能特性は、第 XNUMX 世代のシリコンや第 XNUMX 世代のガリウム砒素とは異なり、高いバンドギャップ、高い熱伝導率、高い破壊電界強度、高い電子飽和ドリフト率という利点を備えています。これにより、高温、高電力、高電圧、高周波、耐放射線性などの過酷な条件により適した小型パワー半導体デバイスを開発でき、従来のシリコンベースのパワー半導体デバイスとその物理的限界を効果的に突破できます。材料。

現在、SiC基板の主な製造プロセスは大きく2つのステップに分かれています。最初のステップは、SiC粉末を単結晶炉内で高温で昇華させ、次に単結晶炉内でSiCインゴットを形成することです。第２に、ＳｉＣインゴットを粗加工、切断、研削、研磨して、損傷層がなく粗さが低い透明または半透明のＳｉＣウェハ（すなわち、ＳｉＣ基板）を得る。