Rantaian industri silikon karbida negara saya!

Silikon karbida (SiC) ialah arah pembangunan utama industri semikonduktor kuasa, yang boleh meningkatkan kadar penggunaan tenaga elektrik dengan ketara apabila ia digunakan untuk membuat peranti kuasa. Pada masa hadapan yang boleh dijangka, kenderaan tenaga baharu akan menjadi senario aplikasi utama peranti kuasa silikon karbida. Sebagai perintis dalam teknologi, Tesla telah menerajui dalam menyepadukan semua modul silikon karbida dalam Model 3, dan syarikat kereta barisan pertama lain juga merancang untuk mengembangkan aplikasi silikon karbida. Dengan penurunan kos pembuatan peranti silikon karbida dan kematangan teknologi secara beransur-ansur, masa depan industri peranti kuasa silikon karbida boleh dijangkakan. [Apakah silikon karbida? Silikon karbida (SiC) ialah bahan semikonduktor kompaun generasi ketiga. Asas industri semikonduktor ialah cip, dan bahan teras untuk membuat kerepek dibahagikan kepada bahan semikonduktor generasi pertama (kebanyakannya silikon ketulenan tinggi yang digunakan secara meluas pada masa ini), bahan semikonduktor kompaun generasi kedua (gallium arsenide dan indium phosphide) dan bahan semikonduktor kompaun generasi ketiga (silikon karbida dan galium nitrida) mengikut proses sejarah. Kerana sifat fizikalnya yang unggul: celah jalur tinggi (bersamaan dengan medan elektrik pecahan tinggi dan ketumpatan kuasa tinggi), kekonduksian elektrik yang tinggi dan kekonduksian haba yang tinggi, silikon karbida akan menjadi bahan asas yang paling banyak digunakan untuk cip semikonduktor pada masa hadapan. [Sifat Fizikal dan Kimia Silikon Karbida]Bentuk utama silikon karbida dalam cip semikonduktor ialah substrat. Cip semikonduktor boleh dibahagikan kepada litar bersepadu dan peranti diskret, tetapi struktur asas kedua-dua litar bersepadu dan peranti diskret boleh dibahagikan kepada struktur "substrat-epitaxial-device". Bentuk utama silikon karbida dalam semikonduktor adalah sebagai bahan substrat.Wafer silikon karbida adalah kepingan kristal tunggal yang dibentuk dengan memotong, mengisar, menggilap dan membersihkan kristal silikon karbida. Sebagai bahan substrat semikonduktor, wafer silikon karbida boleh dijadikan peranti kuasa berasaskan silikon karbida dan peranti RF gelombang mikro melalui pertumbuhan epitaxial dan pembuatan peranti, yang merupakan bahan asas yang penting untuk pembangunan industri semikonduktor generasi ketiga. Mengikut perbezaan kerintangan, wafer silikon karbida boleh dibahagikan kepada jenis konduktif dan jenis separa penebat. Antaranya, wafer silikon karbida konduktif digunakan terutamanya untuk mengeluarkan peranti kuasa suhu tinggi dan voltan tinggi, dengan skala pasaran yang besar; Substrat silikon karbida separa penebat digunakan terutamanya dalam peranti RF gelombang mikro dan bidang lain. Dengan pembinaan rangkaian komunikasi 5G yang dipercepatkan, permintaan pasaran telah meningkat dengan jelas.[Penyelidikan mengenai teknologi pemprosesan silikon karbida] Kekerasan SiC adalah yang kedua selepas berlian, dan ia boleh digunakan sebagai pelelas untuk alat pengisar seperti roda pengisar. Oleh itu, roda pengisar berlian digunakan terutamanya untuk mengisar, mengisar dan menggilap, antaranya roda pengisar berlian mempunyai kecekapan tertinggi dan merupakan cara penting untuk memproses SiC. Walau bagaimanapun, bahan SiC bukan sahaja mempunyai ciri kekerasan yang tinggi, tetapi juga kerapuhan yang tinggi dan keliatan patah yang rendah menjadikannya mudah untuk menyebabkan patah rapuh bahan dalam proses pengisaran, sekali gus meninggalkan lapisan pecah permukaan pada permukaan bahan, dan menyebabkan kerosakan permukaan dan bawah permukaan yang serius, yang menjejaskan ketepatan pemesinan. Oleh itu, adalah sangat penting untuk mengkaji secara mendalam mekanisme pengisaran dan kerosakan bawah permukaan SiC untuk meningkatkan kecekapan pengisaran dan kualiti permukaan SiC. 1. Mekanisme Pengisaran Bahan Keras dan Rapuh Kisar bahan keras dan rapuh, dan bahan pelelas mempunyai kesan bergolek atau pemotongan mikro padanya. Apabila zarah pelelas bertindak pada permukaan dengan benjolan dan retak, dengan kemajuan pengisaran, beberapa zarah pelelas ditekan ke dalam bahan kerja di bawah tindakan beban pengisaran, dan hujung terdedah digunakan untuk menggaru permukaan bahan kerja untuk pemotongan mikro. . Bahagian lain butiran kasar bergolek antara bahan kerja dan cakera pengisar untuk menghasilkan tindakan bergolek, yang menjadikan permukaan bahan kerja membentuk retakan mikro, dan retak memanjang membentuk serpihan rapuh pada permukaan bahan kerja, dengan itu mencapai tujuan permukaan. penyingkiran. Kerana kekuatan tegangan bahan keras dan rapuh adalah lebih rendah daripada kekuatan mampatan, apabila zarah pelelas dimuatkan, retak mikro akan terhasil pada tegasan tegangan maksimum pada permukaan bahan keras dan rapuh. Apabila rekahan silang silang memanjang dan bersilang antara satu sama lain, bahagian yang dikelilingi oleh rekahan akan pecah dan runtuh menjadi kepingan kecil. Ini adalah proses asas penjanaan cip dan pembentukan permukaan apabila mengisar bahan keras dan rapuh. Oleh kerana silikon karbida adalah sejenis bahan rapuh berkekerasan tinggi, bendalir pengisar khas diperlukan. Kesukaran teknikal utama mengisar silikon karbida terletak pada pengukuran yang tepat dan kawalan ketebalan penipisan bahan kekerasan tinggi. Selepas pengisaran, permukaan wafer akan rosak, mikrocrack dan tegasan sisa, dan penipisan wafer silikon karbida akan menyebabkan lebih banyak warpage daripada wafer silikon karbida. 2. Penyelidikan tentang pemprosesan penggilapan silikon karbida. Pada masa ini, kaedah penggilapan silikon karbida terutamanya termasuk penggilap mekanikal, penggilap magnetorheologi, penggilap mekanikal kimia (CMP), penggilap elektrokimia (ECMP), penggilapan bantuan pemangkin atau penggilapan bantuan pemangkin (CACP/CARE), penggilap tribokimia (TCP) dan penggilap berbantukan plasma (PAP). Teknologi penggilap kimia (CMP) ialah kaedah pemprosesan semikonduktor yang penting pada masa ini, dan ia juga merupakan teknologi paling berkesan untuk memproses permukaan silikon kristal tunggal ke tahap atom. Ia adalah satu-satunya teknologi praktikal yang dapat merealisasikan perancangan tempatan dan global dalam proses pemprosesan. Kecekapan pemprosesan CMP terutamanya ditentukan oleh kadar tindak balas kimia pada permukaan bahan kerja. Dengan mengkaji pengaruh parameter proses ke atas kadar penggilapan bahan SiC, keputusan menunjukkan bahawa kadar putaran dan tekanan penggilap mempunyai pengaruh yang besar; Dan suhu dan nilai pH larutan penggilap mempunyai sedikit pengaruh. Untuk meningkatkan kadar penggilapan bahan, kelajuan putaran harus ditingkatkan sebanyak mungkin. Walaupun meningkatkan tekanan penggilap juga boleh meningkatkan kadar penyingkiran, ia adalah mudah untuk merosakkan pad penggilap. Pada masa ini, kaedah penggilap silikon karbida mempunyai masalah kadar penyingkiran bahan yang rendah dan kos yang tinggi, dan tiada pengisaran dan penggilap yang kasar, pemprosesan tambahan pemangkin dan kaedah pemprosesan lain. Kerana keadaan yang mendesak dan operasi peranti yang rumit, ia masih dalam makmal, dan tidak mungkin untuk merealisasikan pengeluaran besar-besaran. Silikon karbida pertama kali ditemui dalam meteorit pada tahun 1905, dan kini kebanyakannya berasal dari sintesis buatan. Silikon karbida mempunyai banyak kegunaan, dan rentang industrinya luas. Ia boleh digunakan sebagai bahan pemprosesan kejuruteraan untuk silikon monohabluran, silikon polihabluran, kalium arsenida, kristal Shi Ying, dsb., industri fotovoltaik suria, industri semikonduktor dan industri kristal piezoelektrik. [Aliran Proses Pemprosesan Silicon Carbide] Wafer silikon karbida diperbuat daripada serbuk silikon ketulenan tinggi dan serbuk karbon ketulenan tinggi sebagai bahan mentah, dan kristal karbida silikon ditanam melalui pengangkutan wap fizikal (PVT), dan kemudian diproses menjadi wafer silikon karbida . ① sintesis bahan mentah. Serbuk silikon ketulenan tinggi dan serbuk karbon ketulenan tinggi dicampur mengikut perkadaran tertentu, dan zarah karbida silikon disintesis melalui tindak balas pada suhu tinggi melebihi 2,000 ℃. Selepas penghancuran, pembersihan dan proses lain, bahan mentah silikon karbida ketulenan tinggi yang memenuhi keperluan pertumbuhan kristal disediakan. ② Pertumbuhan kristal. Menggunakan serbuk mikro silikon karbida ketulenan tinggi sebagai bahan mentah, kristal silikon karbida telah ditanam melalui pengangkutan wap fizikal (PVT) dalam relau pertumbuhan kristal yang dibangunkan sendiri. Prinsip pertumbuhannya ditunjukkan dalam rajah berikut:Serbuk mikro silikon karbida ketulenan tinggi dan hablur benih masing-masing diletakkan di bahagian bawah dan atas bekas grafit tertutup silinder dalam satu relau pertumbuhan kristal. Pisau dipanaskan kepada lebih 2,000 ℃ melalui aruhan elektromagnet, dan suhu hablur benih adalah lebih rendah sedikit daripada serbuk mikro yang lebih rendah, sekali gus membentuk kecerunan suhu paksi dalam mangkuk pijar. Serbuk mikro silikon karbida menyublim pada suhu tinggi untuk membentuk bahan gas seperti Si2C, SiC2, Si, dsb., dan didorong oleh kecerunan suhu, ia mencapai kristal benih dengan suhu yang lebih rendah, dan mengkristal di atasnya untuk membentuk jongkong silikon karbida silinder. . ③ Pemprosesan jongkong. Jongkong silikon karbida yang diperoleh diorientasikan dengan menggunakan pengorientasikan kristal tunggal sinar-X, kemudian dikisar rata dan digulung, dan diproses menjadi kristal silikon karbida dengan diameter standard. ④ Pemotongan kristal. Gunakan peralatan pemotongan berbilang wayar untuk memotong kristal silikon karbida menjadi kepingan nipis dengan ketebalan tidak lebih daripada 1mm. ⑤ wafer mengisar. Mengisar wafer kepada kerataan dan kekasaran yang diperlukan oleh cecair pengisar berlian dengan saiz zarah yang berbeza. ⑥ penggilap wafer. Wafer penggilap silikon karbida tanpa kerosakan permukaan diperolehi dengan penggilap mekanikal dan penggilap mekanikal kimia. ⑦ pemeriksaan wafer. Menggunakan mikroskop optik, difraktometer sinar-X, mikroskop daya atom, penguji kerintangan bukan sentuhan, penguji kerataan permukaan, penguji komprehensif kecacatan permukaan dan instrumen dan peralatan lain, pelbagai parameter seperti ketumpatan mikrotubul, kualiti kristal, kekasaran permukaan, kerintangan, warpage, kelengkungan, perubahan ketebalan, calar permukaan wafer silikon karbida telah dikesan, dan gred kualiti wafer dinilai sewajarnya. ⑧ Pembersihan wafer. Membersihkan lembaran pengilat karbida silikon dengan agen pembersih dan air tulen untuk membuang sisa cemar permukaan seperti larutan penggilap pada helaian penggilap, dan kemudian meniup dan memutar wafer dengan nitrogen ketulenan ultra tinggi dan pengering putaran; Wafer dibungkus dalam kotak wafer bersih di dalam bilik ultra-bersih untuk membentuk wafer silikon karbida yang boleh dibuka dan digunakan serta-merta di hilir. Semakin besar saiz wafer, semakin sukar untuk membesar dan memproses kristal yang sepadan, manakala semakin tinggi kecekapan pembuatan peranti hiliran, semakin rendah kos unit. Pada masa ini, pengeluar wafer silikon karbida antarabangsa terutamanya menyediakan wafer silikon karbida 4-inci hingga 6-inci, dan perusahaan terkemuka antarabangsa seperti CREE dan II-VI telah mula melabur dalam pembinaan barisan pengeluaran wafer silikon karbida 8-inci. [Situasi Industri Silicon Carbide]01. Silicon carbide (SiC) adalah bahan yang sesuai untuk peranti berkuasa tinggi. Silikon adalah bahan asas generasi pertama dalam industri semikonduktor. Pada masa ini, lebih daripada 95% komponen litar bersepadu di dunia diperbuat daripada silikon. Pada masa ini, dengan pembangunan kenderaan elektrik, 5G dan aplikasi lain, permintaan untuk peranti berkuasa tinggi, voltan tinggi dan frekuensi tinggi meningkat dengan pesat. Apabila voltan lebih besar daripada 900V, papan pendek MOSFET dan IGBT kuasa berasaskan silikon akan terdedah, yang akan dihadkan dalam banyak aspek seperti kecekapan penukaran, frekuensi pensuisan dan suhu kerja. Silikon karbida (SiC) digunakan secara meluas dalam suhu tinggi, voltan tinggi, frekuensi tinggi, peranti elektronik berkuasa tinggi, aeroangkasa dan persekitaran ekstrem lain kerana jurang jalur lebarnya (3 kali Si), kekonduksian terma yang tinggi (3.3 kali Si atau 10 kali GaAs), kadar penghijrahan ketepuan elektron tinggi (2.5 kali Si) dan medan elektrik Si atau GaAs pecahan tinggi (5 kali). Silikon karbida dibuat dengan melebur pasir kuarza, kok petroleum (atau kok arang batu), habuk papan (garam diperlukan apabila karbida silikon hijau dihasilkan) dan bahan mentah lain dalam relau rintangan pada suhu tinggi. 02. Kelebihan peranti semikonduktor kuasa SiC Semikonduktor generasi ketiga, juga dikenali sebagai semikonduktor celah jalur lebar kerana struktur fizikalnya, diwakili terutamanya oleh galium nitrida dan silikon karbida. Ciri prestasi semikonduktornya adalah berbeza daripada silikon generasi pertama dan galium arsenide generasi kedua, yang menjadikannya mempunyai kelebihan jurang jalur yang tinggi, kekonduksian terma yang tinggi, kekuatan medan pecahan yang tinggi dan kadar hanyutan tepu elektron yang tinggi. Dengan itu dapat membangunkan peranti semikonduktor kuasa miniatur yang lebih sesuai untuk keadaan yang teruk seperti suhu tinggi, kuasa tinggi, voltan tinggi, frekuensi tinggi dan rintangan sinaran, dan dengan berkesan menembusi had fizikal peranti semikonduktor kuasa berasaskan silikon tradisional dan mereka bahan.

Pada masa ini, proses penyediaan utama substrat SiC dibahagikan secara kasar kepada dua langkah: langkah pertama ialah serbuk SiC disublimasikan pada suhu tinggi dalam relau kristal tunggal dan kemudian jongkong SiC terbentuk dalam relau kristal tunggal; Kedua, pemesinan kasar, pemotongan, pengisaran dan penggilap jongkong SiC untuk mendapatkan wafer SiC yang telus atau lut sinar (iaitu substrat SiC) tanpa lapisan kerosakan dan kekasaran yang rendah.

Arah evolusi teknikal: dari segi peranti, peranti voltan tahan tinggi melebihi 3.3kv sedang dibangunkan, dan reka bentuk parit diperkenalkan untuk meningkatkan prestasi dan kebolehpercayaan peranti; Dari segi pembungkusan, proses pembungkusan akan dioptimumkan untuk memberikan permainan penuh kepada kelebihan rintangan suhu tinggi silikon karbida.