De siliciumcarbide-industrieketen van mijn land!

Siliciumcarbide (SiC) is de belangrijkste ontwikkelingsrichting binnen de vermogenshalfgeleiderindustrie. Het kan de benuttingsgraad van elektrische energie aanzienlijk verbeteren bij de productie van elektrische apparaten. In de nabije toekomst zullen nieuwe energievoertuigen de belangrijkste toepassingsscenario's zijn voor siliciumcarbide-energieapparaten. Als koploper in technologie heeft Tesla het voortouw genomen bij de integratie van alle siliciumcarbidemodules in Model 3. Ook andere vooraanstaande autofabrikanten zijn van plan de toepassing van siliciumcarbide uit te breiden. Door de dalende productiekosten van siliciumcarbide-apparaten en de geleidelijke volwassenheid van de technologie, kunnen we de toekomst van de siliciumcarbide-apparatenindustrie verwachten. Wat is siliciumcarbide? Siliciumcarbide (SiC) is het derde generatie samengestelde halfgeleidermateriaal. De hoeksteen van de halfgeleiderindustrie zijn chips. De kernmaterialen voor de productie van chips worden op basis van het historische proces onderverdeeld in de eerste generatie halfgeleidermaterialen (voornamelijk silicium met een hoge zuiverheidsgraad, dat momenteel veel wordt gebruikt), de tweede generatie samengestelde halfgeleidermaterialen (galliumarsenide en indiumfosfide) en de derde generatie samengestelde halfgeleidermaterialen (siliciumcarbide en galliumnitride). Vanwege de superieure fysische eigenschappen, zoals een hoge bandgap (wat overeenkomt met een hoog doorslagveld en een hoge vermogensdichtheid), een hoge elektrische geleidbaarheid en een hoge thermische geleidbaarheid, zal siliciumcarbide in de toekomst het meest gebruikte basismateriaal voor halfgeleiderchips zijn. [Fysische en chemische eigenschappen van siliciumcarbide]De belangrijkste vorm van siliciumcarbide in halfgeleiderchips is substraat. Halfgeleiderchips kunnen worden onderverdeeld in geïntegreerde schakelingen en discrete apparaten. De basisstructuur van zowel geïntegreerde schakelingen als discrete apparaten kan echter worden onderverdeeld in de structuur 'substraat-epitaxiaal-apparaat'. De belangrijkste vorm van siliciumcarbide in halfgeleiders is als substraatmateriaal.Een siliciumcarbidewafer is een enkelvoudige kristalplaat die gevormd wordt door het siliciumcarbidekristal te snijden, slijpen, polijsten en reinigen. Als substraatmateriaal voor halfgeleiders kunnen siliciumcarbidewafers worden verwerkt tot op siliciumcarbide gebaseerde vermogenscomponenten en microgolf-RF-componenten door middel van epitaxiale groei en de productie van deze componenten. Dit is een belangrijk basismateriaal voor de ontwikkeling van de derde generatie halfgeleiderindustrie. Afhankelijk van het verschil in soortelijke weerstand kunnen siliciumcarbidewafers worden onderverdeeld in geleidende en semi-isolerende wafers. Geleidende siliciumcarbidewafers worden onder meer gebruikt voor de productie van hoogtemperatuur- en hoogspanningsapparaten, met een grote marktomvang; Semi-isolerend siliciumcarbidesubstraat wordt voornamelijk gebruikt in microgolf-RF-apparaten en andere toepassingen. Met de versnelde ontwikkeling van het 5G-communicatienetwerk is de marktvraag aanzienlijk toegenomen.[Onderzoek naar de verwerkingstechnologie van siliciumcarbide] De hardheid van SiC is slechts de tweede na die van diamant en het kan worden gebruikt als schuurmiddel voor slijpgereedschappen zoals slijpschijven. Daarom worden diamantslijpschijven voornamelijk gebruikt voor slijpen, slijpen en polijsten. Diamantslijpschijven hebben de hoogste efficiëntie en zijn een belangrijk hulpmiddel bij de verwerking van SiC. SiC-materiaal heeft echter niet alleen de eigenschappen van een hoge hardheid, maar ook de hoge brosheid en lage breuktaaiheid maken het gemakkelijk om brosse breuk in het materiaal te veroorzaken tijdens het slijpproces, waardoor er een oppervlaktelaag met gebroken oppervlakken op het materiaal achterblijft. Dit kan ernstige schade aan het oppervlak en de ondergrond veroorzaken, wat de bewerkingsnauwkeurigheid beïnvloedt. Daarom is het van groot belang om het slijpmechanisme en de beschadigingen onder het oppervlak van SiC grondig te bestuderen om de slijpefficiëntie en oppervlaktekwaliteit van SiC te verbeteren. 1. Slijpmechanisme van harde en brosse materialen Slijp harde en brosse materialen en schuurmiddelen hebben een rollend of microsnijdend effect op deze materialen. Wanneer schurende deeltjes op het oppervlak inwerken en daardoor bulten en scheuren vormen, worden tijdens het slijpproces enkele schurende deeltjes door de slijpbelasting in het werkstuk gedrukt. De blootliggende punt wordt gebruikt om het oppervlak van het werkstuk te krassen voor microsnijden. Het andere deel van de slijpkorrels rolt tussen het werkstuk en de slijpschijf en zorgt voor een rollende werking. Hierdoor ontstaan er microscheurtjes op het oppervlak van het werkstuk. Deze scheurtjes breiden zich uit en vormen brosse spanen op het oppervlak van het werkstuk. Zo wordt het doel van oppervlakteverwijdering bereikt. Omdat de treksterkte van harde en brosse materialen lager is dan de druksterkte, ontstaan er bij maximale trekspanning op het oppervlak van harde en brosse materialen microscheuren wanneer de schuurdeeltjes worden belast. Wanneer kruisende scheuren zich uitstrekken en elkaar kruisen, zal het deel dat door scheuren wordt omgeven, breken en in kleine stukken uiteenvallen. Dit is het basisproces van spaangeneratie en oppervlaktevorming bij het slijpen van harde en brosse materialen. Omdat siliciumcarbide een bros materiaal met een hoge hardheid is, is een speciale slijpvloeistof nodig. De grootste technische moeilijkheid bij het slijpen van siliciumcarbide ligt in het nauwkeurig meten en controleren van de dikte van het materiaal met een hoge hardheid. Na het slijpen zal het oppervlak van de wafer beschadigd raken, microscheuren en restspanningen vertonen, en de dikte van de siliciumcarbidewafer zal meer kromtrekken dan die van de siliciumcarbidewafer. 2. Onderzoek naar de polijstbewerking van siliciumcarbide. Momenteel omvatten de polijstmethoden van siliciumcarbide voornamelijk mechanisch polijsten, magnetorheologisch polijsten, chemisch-mechanisch polijsten (CMP), elektrochemisch polijsten (ECMP), katalysatorondersteund polijsten of katalysatorondersteund etsen (CACP/CARE), tribochemisch polijsten (TCP) en plasma-ondersteund polijsten (PAP). Chemisch polijsten (CMP) is momenteel een belangrijke methode voor de verwerking van halfgeleiders en tevens de meest effectieve technologie om het oppervlak van monokristallijn silicium tot op atomair niveau te bewerken. Het is de enige praktische technologie die lokale en globale planarisatie in het verwerkingsproces kan realiseren. De verwerkingsefficiëntie van CMP wordt hoofdzakelijk bepaald door de chemische reactiesnelheid op het werkstukoppervlak. Door de invloed van procesparameters op de polijstsnelheid van SiC-materialen te bestuderen, laten de resultaten zien dat de rotatiesnelheid en de polijstdruk een grote invloed hebben; En de temperatuur en de pH-waarde van de polijstoplossing hebben er weinig invloed op. Om de polijstsnelheid van materialen te verbeteren, moet de rotatiesnelheid zoveel mogelijk worden verhoogd. Hoewel het verhogen van de polijstdruk ook de verwijderingssnelheid kan verbeteren, kan de polijstpad hierdoor gemakkelijk beschadigd raken. De polijstmethode van siliciumcarbide heeft momenteel te kampen met problemen zoals een lage materiaalafname en hoge kosten. Bovendien zijn er geen abrasieve slijp- en polijstmethoden, katalytische hulpstoffen en andere verwerkingsmethoden. Vanwege de veeleisende omstandigheden en de gecompliceerde bediening van het apparaat bevindt het zich nog steeds in het laboratorium en is massaproductie onwaarschijnlijk. Siliciumcarbide werd voor het eerst ontdekt in meteorieten in 1905 en is nu voornamelijk afkomstig van kunstmatige synthese. Siliciumcarbide kent vele toepassingen en de industriële reikwijdte ervan is breed. Het kan worden gebruikt als technisch verwerkingsmateriaal voor monokristallijn silicium, polykristallijn silicium, kaliumarsenide, Shi Ying-kristal, enz., in de fotovoltaïsche zonne-energie-industrie, de halfgeleiderindustrie en de piëzo-elektrische kristalindustrie. [Processtroom van siliciumcarbideverwerking] Siliciumcarbidewafers worden gemaakt van siliciumpoeder met een hoge zuiverheidsgraad en koolstofpoeder met een hoge zuiverheidsgraad als grondstoffen. Siliciumcarbidekristallen worden gekweekt door middel van fysiek damptransport (PVT) en vervolgens verwerkt tot siliciumcarbidewafers. ① synthese van grondstoffen. Siliciumpoeder met een hoge zuiverheidsgraad en koolstofpoeder met een hoge zuiverheidsgraad worden in een bepaalde verhouding gemengd en de siliciumcarbidedeeltjes worden gesynthetiseerd door een reactie bij een hoge temperatuur van meer dan 2,000℃. Na het breken, reinigen en andere processen worden siliciumcarbide-micropoedergrondstoffen met een hoge zuiverheidsgraad geproduceerd die voldoen aan de eisen voor kristalgroei. ② Kristalgroei. Met behulp van siliciumcarbide-micropoeder met een hoge zuiverheidsgraad als grondstof, werden siliciumcarbidekristallen gekweekt door middel van fysisch damptransport (PVT) in een zelfontwikkelde kristalgroeioven. Het groeiprincipe wordt in de volgende figuur weergegeven:Hoogzuiver siliciumcarbide-micropoeder en kiemkristal worden respectievelijk onderin en bovenin een cilindrische, afgesloten grafietkroes in een monokristalkweekoven geplaatst. De kroes wordt door elektromagnetische inductie verhit tot meer dan 2,000 °C, en de temperatuur van het kiemkristal is iets lager dan die van het onderste micropoeder, waardoor een axiale temperatuurgradiënt in de kroes ontstaat. Micropoeder van siliciumcarbide sublimeert bij hoge temperatuur om gasvormige stoffen te vormen, zoals Si2C, SiC2, Si, enz., en bereikt, dankzij de temperatuurgradiënt, het entkristal met een lagere temperatuur, en kristalliseert hierop om een cilindrische siliciumcarbidestaaf te vormen. ③ Verwerking van ingots. Het verkregen siliciumcarbidestaafje wordt georiënteerd met behulp van een röntgenkristal-oriëntatie-apparaat, vervolgens vlak geslepen en gewalst en verwerkt tot siliciumcarbidekristal met standaarddiameter. 4. Kristalslijpen. Gebruik een meerdraads snijapparaat om het siliciumcarbidekristal in dunne plakjes te snijden met een dikte van maximaal 1 mm. ⑤ wafer slijpen. Het slijpen van de wafer tot de gewenste vlakheid en ruwheid met behulp van diamant-slijpvloeistof met verschillende deeltjesgroottes. ⑥ waferpolijsten. Een siliciumcarbide polijstwafer zonder oppervlaktebeschadigingen wordt verkregen door mechanisch polijsten en chemisch-mechanisch polijsten. ⑦ waferinspectie. Met behulp van een optische microscoop, röntgendiffractometer, atoomkrachtmicroscoop, contactloze weerstandstester, oppervlaktevlakheidstester, uitgebreide oppervlaktedefecttester en andere instrumenten en apparatuur werden verschillende parameters, zoals microtubulidichtheid, kristalkwaliteit, oppervlakteruwheid, soortelijke weerstand, kromtrekken, kromtrekken, dikteverandering en oppervlaktekrassen van de siliciumcarbidewafer gedetecteerd. Op basis hiervan werd de kwaliteitsgraad van de wafer beoordeeld. ⑧ Waferreiniging. Reinig de siliciumcarbide polijstplaat met een reinigingsmiddel en zuiver water om de resterende oppervlakteverontreinigingen zoals polijstoplossing op de polijstplaat te verwijderen. Blaas en draai de wafer vervolgens met ultrazuivere stikstof en een centrifuge; De wafer wordt verpakt in een schone waferdoos in een ultra-schone ruimte, zodat er een siliciumcarbidewafer ontstaat die direct kan worden geopend en gebruikt. Hoe groter de wafer, hoe moeilijker het is om het bijbehorende kristal te kweken en te verwerken. En hoe hoger de productie-efficiëntie van de downstream-apparaten, hoe lager de kosten per eenheid. Momenteel leveren internationale fabrikanten van siliciumcarbidewafers voornamelijk siliciumcarbidewafers van 4 tot 6 inch, en toonaangevende internationale ondernemingen zoals CREE en II-VI zijn begonnen met investeren in de bouw van productielijnen voor siliciumcarbidewafers van 8 inch. [Situatie van de siliciumcarbide-industrie]01. Siliciumcarbide (SiC) is een ideaal materiaal voor apparaten met een hoog vermogen. Silicium is het basismateriaal van de eerste generatie in de halfgeleiderindustrie. Momenteel bestaat meer dan 95% van de componenten van geïntegreerde schakelingen wereldwijd uit silicium. Tegenwoordig neemt de vraag naar apparaten met een hoog vermogen, een hoge spanning en een hoge frequentie snel toe door de ontwikkeling van elektrische voertuigen, 5G en andere toepassingen. Wanneer de spanning hoger is dan 900V, wordt de korte printplaat van de silicium-gebaseerde MOSFET en IGBT blootgesteld, waardoor er beperkingen ontstaan op veel vlakken, zoals de conversie-efficiëntie, de schakelfrequentie en de werktemperatuur. Siliciumcarbide (SiC) wordt veel gebruikt in elektronische apparaten met hoge temperaturen, hoge spanningen, hoge frequenties en hoge vermogens, in de lucht- en ruimtevaart en in andere extreme omgevingen vanwege de grote bandgap (3 keer van Si), de hoge thermische geleidbaarheid (3.3 keer van Si of 10 keer van GaAs), de hoge elektronenverzadigingsmigratiesnelheid (2.5 keer van Si) en het hoge doorslagveld (5 keer van Si of GaAs). Siliciumcarbide wordt gemaakt door het smelten van kwartszand, petroleumcokes (of steenkoolcokes), zaagsel (voor de productie van groen siliciumcarbide is zout nodig) en andere grondstoffen in een weerstandsoven bij hoge temperatuur. 02. Voordelen van SiC-vermogenshalfgeleiders. De derde generatie halfgeleiders, ook wel bekend als halfgeleiders met een brede bandgap vanwege hun fysieke structuur, bestaat voornamelijk uit galliumnitride en siliciumcarbide. De prestatiekenmerken van deze halfgeleiders verschillen van die van silicium van de eerste generatie en galliumarsenide van de tweede generatie, waardoor ze de voordelen hebben van een hoge bandgap, hoge thermische geleidbaarheid, hoge doorslagsterkte en een hoge elektronenverzadigingsdrift. Hierdoor kunnen geminiaturiseerde halfgeleiderapparaten worden ontwikkeld die beter geschikt zijn voor zware omstandigheden, zoals hoge temperaturen, hoog vermogen, hoge spanning, hoge frequenties en stralingsbestendigheid. Bovendien worden de fysieke grenzen van traditionele silicium-gebaseerde halfgeleiderapparaten en hun materialen effectief doorbroken.

Momenteel wordt het belangrijkste voorbereidingsproces van SiC-substraat grofweg verdeeld in twee stappen: de eerste stap is dat SiC-poeder bij hoge temperatuur wordt gesublimeerd in een monokristallijne oven en vervolgens wordt het SiC-staafje gevormd in de monokristallijne oven; Ten tweede het grof bewerken, snijden, slijpen en polijsten van het SiC-staafje om een transparante of doorschijnende SiC-wafer (d.w.z. SiC-substraat) te verkrijgen zonder schadelaag en met een lage ruwheid.

Richting van de technische evolutie: op het gebied van apparaten worden apparaten met een hoge spanning van meer dan 3.3 kV ontwikkeld en wordt sleufontwerp geïntroduceerd om de prestaties en betrouwbaarheid van apparaten te verbeteren; Op het gebied van verpakking wordt het verpakkingsproces geoptimaliseerd om de voordelen van de hoge temperatuurbestendigheid van siliciumcarbide volledig te benutten.