Węglik krzemu (SiC) jest głównym kierunkiem rozwoju przemysłu półprzewodników mocy, który może znacząco poprawić stopień wykorzystania energii elektrycznej wykorzystywanej do produkcji urządzeń zasilających. W dającej się przewidzieć przyszłości głównymi scenariuszami zastosowań urządzeń energetycznych z węglika krzemu będą nowe pojazdy energetyczne. Jako pionier technologii Tesla objęła wiodącą rolę w integracji wszystkich modułów z węglika krzemu w Modelu 3, a inni czołowi producenci samochodów również planują rozszerzyć zastosowanie węglika krzemu. Wraz ze spadającymi kosztami produkcji urządzeń z węglika krzemu i stopniową dojrzałością technologii można spodziewać się przyszłości przemysłu urządzeń zasilających z węglika krzemu. [Co to jest węglik krzemu? Węglik krzemu (SiC) to złożony materiał półprzewodnikowy trzeciej generacji. Podstawą przemysłu półprzewodników są chipy, a podstawowe materiały do produkcji chipów dzielą się na materiały półprzewodnikowe pierwszej generacji (głównie szeroko stosowany obecnie krzem o wysokiej czystości), złożone materiały półprzewodnikowe drugiej generacji (arsenek galu i fosforek indu). oraz złożone materiały półprzewodnikowe trzeciej generacji (węglik krzemu i azotek galu) zgodnie z procesem historycznym. Ze względu na swoje doskonałe właściwości fizyczne: dużą przerwę wzbronioną (odpowiadającą silnemu polu elektrycznemu przebicia i dużej gęstości mocy), wysoką przewodność elektryczną i wysoką przewodność cieplną, węglik krzemu będzie w przyszłości najczęściej stosowanym podstawowym materiałem na chipy półprzewodnikowe. [Właściwości fizyczne i chemiczne węglika krzemu]Główną formą węglika krzemu w układach półprzewodnikowych jest substrat. Chipy półprzewodnikowe można podzielić na układy scalone i urządzenia dyskretne, ale podstawową strukturę zarówno układów scalonych, jak i urządzeń dyskretnych można podzielić na strukturę „podłoże-urządzenie epitaksjalne”. Główną formą węglika krzemu w półprzewodnikach jest materiał podłoża.Płytka z węglika krzemu to arkusz pojedynczego kryształu utworzony przez cięcie, szlifowanie, polerowanie i czyszczenie kryształu węglika krzemu. Jako półprzewodnikowy materiał podłoża, płytki z węglika krzemu można przekształcić w urządzenia mocy na bazie węglika krzemu i mikrofalowe urządzenia RF poprzez wzrost epitaksjalny i produkcję urządzeń, co jest ważnym podstawowym materiałem dla rozwoju przemysłu półprzewodników trzeciej generacji. Zgodnie z różnicą rezystywności, płytki węglika krzemu można podzielić na typu przewodzącego i typu półizolacyjnego. Wśród nich przewodzące płytki z węglika krzemu są wykorzystywane głównie do produkcji urządzeń elektroenergetycznych o wysokiej temperaturze i wysokim napięciu, na dużą skalę rynkową; Półizolacyjne podłoże z węglika krzemu jest stosowane głównie w mikrofalowych urządzeniach RF i innych dziedzinach. Wraz z przyspieszoną budową sieci komunikacyjnej 5G, zapotrzebowanie rynku wyraźnie wzrosło.[Badania nad technologią przetwarzania węglika krzemu] Twardość SiC ustępuje jedynie diamentowi i może być stosowany jako materiał ścierny do narzędzi szlifierskich, takich jak ściernice. Dlatego ściernice diamentowe służą głównie do szlifowania, szlifowania i polerowania, wśród których ściernice diamentowe mają najwyższą wydajność i są ważnym środkiem do obróbki SiC. Jednak materiał SiC charakteryzuje się nie tylko dużą twardością, ale także dużą kruchością i niską odpornością na pękanie, dzięki czemu łatwo jest spowodować kruche pękanie materiału w procesie szlifowania, pozostawiając w ten sposób powierzchniową warstwę rozbitą na powierzchni materiału, i powoduje poważne uszkodzenia powierzchniowe i podpowierzchniowe, co wpływa na dokładność obróbki. Dlatego ogromne znaczenie ma dokładne zbadanie mechanizmu szlifowania i uszkodzeń podpowierzchniowych SiC, aby poprawić wydajność szlifowania i jakość powierzchni SiC. 1. Mechanizm mielenia materiałów twardych i kruchych Materiały twarde i kruche można szlifować, a materiały ścierne powodują toczenie się lub mikrotnące. Kiedy cząstki ścierne oddziałują na powierzchnię z wybrzuszeniami i pęknięciami, w miarę postępu szlifowania część cząstek ściernych pod wpływem obciążenia szlifującego wciska się w obrabiany przedmiot, a odsłonięta końcówka służy do zarysowania powierzchni przedmiotu obrabianego w celu mikronacięcia . Druga część ziaren ściernych toczy się pomiędzy przedmiotem obrabianym a tarczą szlifierską, powodując ruch toczny, co powoduje, że na powierzchni przedmiotu obrabianego tworzą się mikropęknięcia, a pęknięcie rozciąga się, tworząc kruche wióry na powierzchni przedmiotu obrabianego, osiągając w ten sposób cel powierzchni usuwanie. Ponieważ wytrzymałość na rozciąganie materiałów twardych i kruchych jest mniejsza niż wytrzymałość na ściskanie, przy obciążeniu cząstek ściernych przy maksymalnych naprężeniach rozciągających na powierzchni materiałów twardych i kruchych powstaną mikropęknięcia. Kiedy krzyżujące się pęknięcia rozciągają się i krzyżują, część otoczona pęknięciami pęka i rozpada się na małe kawałki. Jest to podstawowy proces powstawania wiórów i kształtowania powierzchni podczas szlifowania twardych i kruchych materiałów. Ponieważ węglik krzemu jest rodzajem kruchego materiału o dużej twardości, potrzebny jest specjalny płyn szlifierski. Główna trudność techniczna szlifowania węglika krzemu polega na dokładnym pomiarze i kontroli grubości przerzedzania materiału o wysokiej twardości. Po szlifowaniu powierzchnia płytki ulegnie uszkodzeniu, mikropęknięciom i naprężeniom szczątkowym, a przerzedzenie płytki z węglika krzemu spowoduje większe wypaczenia niż w przypadku płytki z węglika krzemu. 2. Badania nad obróbką polerską węglika krzemu. Obecnie metody polerowania węglika krzemu obejmują głównie polerowanie mechaniczne, polerowanie magnetoreologiczne, polerowanie chemiczno-mechaniczne (CMP), polerowanie elektrochemiczne (ECMP), polerowanie wspomagane katalizatorem lub trawienie wspomagane katalizatorem (CACP/CARE), polerowanie trybochemiczne (TCP) oraz polerowanie wspomagane plazmą (PAP). Technologia polerowania chemicznego (CMP) jest obecnie ważnym sposobem przetwarzania półprzewodników, a także najskuteczniejszą technologią przetwarzania powierzchni monokrystalicznego krzemu do poziomu atomowego. Jest to jedyna praktyczna technologia, która umożliwia realizację lokalnej i globalnej planaryzacji w procesie przetwarzania. Wydajność przetwarzania CMP zależy głównie od szybkości reakcji chemicznej na powierzchni przedmiotu obrabianego. Badając wpływ parametrów procesu na szybkość polerowania materiałów SiC, wyniki pokazują, że prędkość obrotowa i ciśnienie polerowania mają duży wpływ; Temperatura i wartość pH roztworu polerskiego mają niewielki wpływ. Aby poprawić szybkość polerowania materiałów, należy maksymalnie zwiększyć prędkość obrotową. Chociaż zwiększenie nacisku polerskiego może również poprawić szybkość usuwania, łatwo jest uszkodzić nakładkę polerską. Obecnie metoda polerowania węglika krzemu wiąże się z problemami związanymi z niską szybkością usuwania materiału i wysokimi kosztami, a także nie obejmuje szlifowania i polerowania ściernego, pomocniczej obróbki katalitycznej ani innych metod przetwarzania. Ze względu na wymagające warunki i skomplikowaną obsługę urządzenie znajduje się jeszcze w laboratorium i raczej nie ma szans na realizację masowej produkcji. Węglik krzemu został po raz pierwszy odkryty w meteorytach w 1905 roku i obecnie pochodzi głównie ze sztucznej syntezy. Węglik krzemu ma wiele zastosowań, a jego zakres branżowy jest szeroki. Może być stosowany jako materiały do inżynieryjnego przetwarzania krzemu monokrystalicznego, krzemu polikrystalicznego, arsenku potasu, kryształu Shi Ying itp., Przemysłu fotowoltaicznego, przemysłu półprzewodników i przemysłu kryształów piezoelektrycznych. [Przebieg procesu przetwarzania węglika krzemu] Płytki węglika krzemu są wykonane z proszku krzemu o wysokiej czystości i proszku węgla o wysokiej czystości jako surowców, a kryształy węglika krzemu są hodowane poprzez fizyczny transport pary (PVT), a następnie przetwarzane na płytki z węglika krzemu . ① synteza surowców. Proszek krzemowy o wysokiej czystości i proszek węglowy o wysokiej czystości miesza się w określonej proporcji, a cząstki węglika krzemu syntetyzuje się w wyniku reakcji w wysokiej temperaturze ponad 2,000 ℃. Po rozdrobnieniu, oczyszczeniu i innych procesach przygotowywane są surowce w postaci mikroproszku węglika krzemu o wysokiej czystości, spełniające wymagania wzrostu kryształów. ② Wzrost kryształów. Wykorzystując jako surowiec mikroproszek węglika krzemu o wysokiej czystości, kryształ węglika krzemu hodowano metodą fizycznego transportu pary (PVT) w samodzielnie opracowanym piecu do wzrostu kryształów. Zasadę wzrostu przedstawiono na poniższym rysunku:Mikroproszek węglika krzemu o wysokiej czystości i kryształ zaszczepiający umieszcza się odpowiednio na dole i na górze cylindrycznego uszczelnionego tygla grafitowego w piecu do hodowli monokrystalicznej. Tygiel nagrzewa się do ponad 2,000 ℃ za pomocą indukcji elektromagnetycznej, a temperatura kryształu zaszczepiającego jest nieco niższa niż temperatura dolnego mikroproszku, tworząc w ten sposób osiowy gradient temperatury w tyglu. Mikroproszek węglika krzemu sublimuje w wysokiej temperaturze, tworząc substancje gazowe, takie jak Si2C, SiC2, Si itp. i pod wpływem gradientu temperatury dociera do kryształu zaszczepiającego w niższej temperaturze i krystalizuje na nim, tworząc cylindryczny wlewek węglika krzemu . ③ Przetwarzanie wlewków. Otrzymany wlewek węglika krzemu jest orientowany za pomocą orientatora monokrystalicznego promieni rentgenowskich, następnie mielony na płasko i walcowany, a następnie przetwarzany na kryształ węglika krzemu o standardowej średnicy. ④ Cięcie kryształów. Użyj wielodrutowego sprzętu do cięcia, aby pociąć kryształ węglika krzemu na cienkie plasterki o grubości nie większej niż 1 mm. ⑤ szlifowanie wafli. Szlifowanie płytki do wymaganej płaskości i chropowatości za pomocą diamentowego płynu szlifierskiego o różnej wielkości cząstek. ⑥ polerowanie płytek. Płytkę polerską z węglika krzemu pozbawioną uszkodzeń powierzchni uzyskuje się poprzez polerowanie mechaniczne i polerowanie chemiczno-mechaniczne. ⑦ kontrola płytek. Za pomocą mikroskopu optycznego, dyfraktometru rentgenowskiego, mikroskopu sił atomowych, bezdotykowego testera rezystywności, testera płaskości powierzchni, kompleksowego testera defektów powierzchni oraz innych instrumentów i sprzętu, różne parametry, takie jak gęstość mikrotubul, jakość kryształów, chropowatość powierzchni, rezystywność, wypaczenie, Wykryto krzywiznę, zmianę grubości, zarysowanie powierzchni płytki z węglika krzemu i na tej podstawie oceniono stopień jakości płytki. ⑧ Czyszczenie płytek. Czyszczenie arkusza polerskiego z węglika krzemu środkiem czyszczącym i czystą wodą w celu usunięcia pozostałych zanieczyszczeń powierzchniowych, takich jak roztwór polerski na arkuszu polerskim, a następnie dmuchanie i wirowanie płytki za pomocą azotu o ultrawysokiej czystości i suszarki wirówkowej; Płytka jest pakowana w czyste pudełko na płytki w wyjątkowo czystym pomieszczeniu, tworząc płytkę z węglika krzemu, którą można otworzyć i natychmiast wykorzystać w dalszej części procesu. Im większy rozmiar płytki, tym trudniej jest hodować i przetwarzać odpowiedni kryształ, natomiast im wyższa wydajność produkcji dalszych urządzeń, tym niższy koszt jednostkowy. Obecnie międzynarodowi producenci płytek z węglika krzemu dostarczają głównie płytki z węglika krzemu o średnicy od 4 do 6 cali, a wiodące międzynarodowe przedsiębiorstwa, takie jak CREE i II-VI, zaczęły inwestować w budowę 8-calowych linii do produkcji płytek z węglika krzemu. [Sytuacja przemysłu węglika krzemu]01. Węglik krzemu (SiC) jest idealnym materiałem na urządzenia dużej mocy. Krzem jest podstawowym materiałem pierwszej generacji w przemyśle półprzewodników. Obecnie ponad 95% elementów układów scalonych na świecie wykonanych jest z krzemu. Obecnie, wraz z rozwojem pojazdów elektrycznych, 5G i innych zastosowań, szybko rośnie zapotrzebowanie na urządzenia o dużej mocy, wysokim napięciu i wysokiej częstotliwości. Gdy napięcie jest większe niż 900 V, odsłonięta zostanie krótka płytka tranzystora MOSFET i IGBT na bazie krzemu, co będzie ograniczone pod wieloma względami, takimi jak wydajność konwersji, częstotliwość przełączania i temperatura robocza. Węglik krzemu (SiC) jest powszechnie stosowany w urządzeniach elektronicznych o wysokiej temperaturze, wysokim napięciu, wysokiej częstotliwości, dużej mocy, w lotnictwie i innych ekstremalnych środowiskach ze względu na szeroką przerwę energetyczną (3 razy większą niż Si), wysoką przewodność cieplną (3.3 razy większą niż Si lub 10 razy większą niż GaAs), wysoką szybkość migracji nasycenia elektronów (2.5 razy większą niż Si) i wysokie pole elektryczne przebicia (5 razy większe niż Si lub GaAs). Węglik krzemu wytwarza się przez wytapianie piasku kwarcowego, koksu naftowego (lub koksu węglowego), trocin (sól jest potrzebna do produkcji zielonego węglika krzemu) i innych surowców w piecu oporowym w wysokiej temperaturze. 02. Zalety półprzewodników mocy SiC Półprzewodnik trzeciej generacji, ze względu na swoją strukturę fizyczną znany również jako półprzewodnik o szerokim paśmie wzbronionym, reprezentowany jest głównie przez azotek galu i węglik krzemu. Jego charakterystyka działania półprzewodników różni się od właściwości krzemu pierwszej generacji i arsenku galu drugiej generacji, co sprawia, że ma on zalety w postaci dużego pasma wzbronionego, wysokiej przewodności cieplnej, wysokiego natężenia pola przebicia i wysokiego współczynnika dryfu nasycenia elektronów. Dzięki temu jesteśmy w stanie opracować zminiaturyzowane półprzewodnikowe urządzenia mocy, które są bardziej odpowiednie do trudnych warunków, takich jak wysoka temperatura, duża moc, wysokie napięcie, wysoka częstotliwość i odporność na promieniowanie, a także skutecznie przełamują fizyczne ograniczenia tradycyjnych półprzewodnikowych urządzeń mocy na bazie krzemu i ich materiały.

Obecnie główny proces przygotowania podłoża SiC można z grubsza podzielić na dwa etapy: pierwszy etap polega na sublimacji proszku SiC w wysokiej temperaturze w piecu monokrystalicznym, a następnie w piecu monokrystalicznym formowany jest wlewek SiC; Po drugie, obróbka zgrubna, cięcie, szlifowanie i polerowanie wlewka SiC w celu uzyskania przezroczystej lub półprzezroczystej płytki SiC (tj. podłoża SiC) bez warstwy niszczącej i o niskiej chropowatości.

Kierunek ewolucji technicznej: w zakresie urządzeń opracowywane są urządzenia o wysokim napięciu wytrzymywanym powyżej 3.3 kv oraz wprowadzana jest konstrukcja rowowa w celu poprawy wydajności i niezawodności urządzeń; Jeśli chodzi o opakowanie, proces pakowania zostanie zoptymalizowany, aby w pełni wykorzystać zalety odporności węglika krzemu na wysoką temperaturę.