O carboneto de silício (SiC) é a principal direção de desenvolvimento da indústria de semicondutores de potência, que pode melhorar significativamente a taxa de utilização da energia elétrica quando ela é usada para fabricar dispositivos de potência. Num futuro próximo, os novos veículos energéticos serão os principais cenários de aplicação dos dispositivos de potência de carboneto de silício. Como pioneira em tecnologia, a Tesla assumiu a liderança na integração de todos os módulos de carboneto de silício no Modelo 3, e outras empresas automotivas de primeira linha também planejam expandir a aplicação de carboneto de silício. Com a diminuição do custo de fabricação dos dispositivos de carboneto de silício e a maturidade gradual da tecnologia, o futuro da indústria de dispositivos de energia de carboneto de silício pode ser esperado. [O que é carboneto de silício? O carboneto de silício (SiC) é o material semicondutor composto de terceira geração. A pedra angular da indústria de semicondutores são os chips, e os materiais principais para fazer chips são divididos em materiais semicondutores de primeira geração (principalmente silício de alta pureza que é amplamente utilizado atualmente), materiais semicondutores compostos de segunda geração (arsenieto de gálio e fosfeto de índio) e os materiais semicondutores compostos de terceira geração (carboneto de silício e nitreto de gálio) de acordo com o processo histórico. Devido às suas propriedades físicas superiores: alto bandgap (correspondendo a alto campo elétrico de ruptura e alta densidade de potência), alta condutividade elétrica e alta condutividade térmica, o carboneto de silício será o material básico mais amplamente utilizado para chips semicondutores no futuro. [Propriedades Físicas e Químicas do Carboneto de Silício]A principal forma de carboneto de silício em chips semicondutores é o substrato. Os chips semicondutores podem ser divididos em circuitos integrados e dispositivos discretos, mas a estrutura básica dos circuitos integrados e dos dispositivos discretos pode ser dividida na estrutura "dispositivo substrato-epitaxial". A principal forma de carboneto de silício em semicondutores é como material de substrato.O wafer de carboneto de silício é uma folha de cristal único formada por corte, retificação, polimento e limpeza de cristal de carboneto de silício. Como material de substrato semicondutor, o wafer de carboneto de silício pode ser transformado em dispositivos de energia baseados em carboneto de silício e dispositivos de RF de micro-ondas por meio do crescimento epitaxial e fabricação de dispositivos, que é um material básico importante para o desenvolvimento da indústria de semicondutores de terceira geração. De acordo com a diferença de resistividade, os wafers de carboneto de silício podem ser divididos em tipo condutivo e tipo semi-isolante. Entre eles, os wafers condutores de carboneto de silício são usados principalmente para fabricar dispositivos de energia de alta temperatura e alta tensão, com grande escala de mercado; O substrato semi-isolante de carboneto de silício é usado principalmente em dispositivos de RF de micro-ondas e outros campos. Com a construção acelerada da rede de comunicação 5G, a demanda do mercado aumentou obviamente.[Pesquisa sobre tecnologia de processamento de carboneto de silício] A dureza do SiC perde apenas para a do diamante e pode ser usado como abrasivo para ferramentas de retificação, como rebolos. Portanto, os rebolos diamantados são usados principalmente para retificação, retificação e polimento, entre os quais os rebolos diamantados têm a mais alta eficiência e são um meio importante para o processamento de SiC. No entanto, o material SiC não só possui características de alta dureza, mas também sua alta fragilidade e baixa tenacidade à fratura facilitam a fratura frágil do material no processo de retificação, deixando assim uma camada superficial quebrada na superfície do material, e causando sérios danos superficiais e subterrâneos, o que afeta a precisão da usinagem. Portanto, é de grande importância estudar profundamente o mecanismo de moagem e os danos subterrâneos do SiC para melhorar a eficiência da moagem e a qualidade da superfície do SiC. 1. Mecanismo de moagem de materiais duros e quebradiços Moa materiais duros e quebradiços, e os abrasivos têm efeitos de rolamento ou microcorte sobre eles. Quando as partículas abrasivas atuam na superfície com saliências e rachaduras, com o progresso da retificação, algumas partículas abrasivas são pressionadas na peça de trabalho sob a ação da carga de retificação, e a ponta exposta é usada para arranhar a superfície da peça de trabalho para microcorte . A outra parte dos grãos abrasivos rola entre a peça de trabalho e o disco de retificação para produzir ação de rolamento, o que faz com que a superfície da peça forme microfissuras, e a rachadura se estende para formar lascas quebradiças na superfície da peça de trabalho, atingindo assim o propósito de superfície remoção. Como a resistência à tração de materiais duros e quebradiços é menor que a resistência à compressão, quando as partículas abrasivas são carregadas, microfissuras serão geradas na tensão máxima de tração na superfície de materiais duros e quebradiços. Quando as fissuras entrecruzadas se estendem e se cruzam, a parte cercada por fissuras irá quebrar e desmoronar em pequenos pedaços. Este é o processo básico de geração de cavacos e formação de superfície ao retificar materiais duros e quebradiços. Como o carboneto de silício é um tipo de material quebradiço de alta dureza, é necessário um fluido de retificação especial. A principal dificuldade técnica da retificação de carboneto de silício reside na medição e controle precisos da espessura de desbaste do material de alta dureza. Após a retificação, a superfície do wafer será danificada, com microfissuras e tensão residual, e o afinamento do wafer de carboneto de silício causará mais empenamento do que o do wafer de carboneto de silício. 2. Pesquisa sobre processamento de polimento de carboneto de silício. Atualmente, os métodos de polimento de carboneto de silício incluem principalmente polimento mecânico, polimento magnetoreológico, polimento químico-mecânico (CMP), polimento eletroquímico (ECMP), polimento assistido por catalisador ou gravação assistida por catalisador (CACP/CARE), polimento triboquímico (TCP) e polimento assistido por plasma (PAP). A tecnologia de polimento químico (CMP) é um meio importante de processamento de semicondutores atualmente e também é a tecnologia mais eficaz para processar a superfície do silício monocristalino em nível atômico. É a única tecnologia prática que pode realizar a planarização local e global no processo de processamento. A eficiência de processamento do CMP é determinada principalmente pela taxa de reação química na superfície da peça. Ao estudar a influência dos parâmetros do processo na taxa de polimento dos materiais SiC, os resultados mostram que a taxa de rotação e a pressão de polimento têm grande influência; E a temperatura e o valor do pH da solução de polimento têm pouca influência. Para melhorar a taxa de polimento dos materiais, a velocidade de rotação deve ser aumentada tanto quanto possível. Embora aumentar a pressão de polimento também possa melhorar a taxa de remoção, é fácil danificar a almofada de polimento. Atualmente, o método de polimento de carboneto de silício apresenta problemas de baixa taxa de remoção de material e alto custo, e não há retificação e polimento abrasivo, processamento auxiliar catalítico e outros métodos de processamento. Devido às condições exigentes e à operação complicada do dispositivo, ele ainda está em laboratório e é improvável que seja produzido em massa. O carboneto de silício foi descoberto pela primeira vez em meteoritos em 1905 e agora vem principalmente de síntese artificial. O carboneto de silício tem muitos usos e sua abrangência na indústria é ampla. Pode ser usado como materiais de processamento de engenharia para silício monocristalino, silício policristalino, arseneto de potássio, cristal Shi Ying, etc., indústria solar fotovoltaica, indústria de semicondutores e indústria de cristal piezoelétrico. [Fluxo de processo de processamento de carboneto de silício] Os wafers de carboneto de silício são feitos de pó de silício de alta pureza e pó de carbono de alta pureza como matérias-primas, e os cristais de carboneto de silício são cultivados por transporte físico de vapor (PVT) e depois processados em wafers de carboneto de silício . ① síntese de matéria-prima. O pó de silício de alta pureza e o pó de carbono de alta pureza são misturados de acordo com uma certa proporção, e as partículas de carboneto de silício são sintetizadas por reação a uma alta temperatura de mais de 2,000 ℃. Após trituração, limpeza e outros processos, são preparadas matérias-primas de micropó de carboneto de silício de alta pureza que atendem aos requisitos de crescimento de cristais. ② Crescimento de cristal. Usando micropó de carboneto de silício de alta pureza como matéria-prima, o cristal de carboneto de silício foi cultivado por transporte físico de vapor (PVT) em um forno de crescimento de cristal autodesenvolvido. Seu princípio de crescimento é mostrado na figura a seguir:Micropó de carboneto de silício de alta pureza e cristal de semente são colocados respectivamente na parte inferior e superior de um cadinho de grafite cilíndrico selado em um forno de crescimento de cristal único. O cadinho é aquecido a mais de 2,000 ℃ por indução eletromagnética, e a temperatura do cristal semente é ligeiramente inferior à do micropó inferior, formando assim um gradiente de temperatura axial no cadinho. Micropó de carboneto de silício sublima em alta temperatura para formar substâncias gasosas como Si2C, SiC2, Si, etc., e impulsionado pelo gradiente de temperatura, atinge o cristal semente com temperatura mais baixa e cristaliza nele para formar lingote cilíndrico de carboneto de silício . ③ Processamento de lingotes. O lingote de carboneto de silício obtido é orientado usando um orientador de cristal único de raios X, depois retificado e laminado, e processado em cristal de carboneto de silício com diâmetro padrão. ④ Corte de cristal. Use equipamento de corte multifio para cortar o cristal de carboneto de silício em fatias finas com espessura não superior a 1 mm. ⑤ moagem de wafer. Retificação do wafer até a planicidade e rugosidade necessárias com fluido de retificação de diamante com diferentes tamanhos de partícula. ⑥ polimento de wafer. Uma pastilha de polimento de carboneto de silício sem danos superficiais é obtida por polimento mecânico e polimento químico-mecânico. ⑦ inspeção de wafer. Usando microscópio óptico, difratômetro de raios X, microscópio de força atômica, testador de resistividade sem contato, testador de planicidade de superfície, testador abrangente de defeitos de superfície e outros instrumentos e equipamentos, vários parâmetros, como densidade de microtúbulos, qualidade de cristal, rugosidade superficial, resistividade, empenamento, curvatura, mudança de espessura, arranhões na superfície do wafer de carboneto de silício foram detectados e o grau de qualidade do wafer foi avaliado de acordo. ⑧ Limpeza de wafer. Limpar a folha de polimento de carboneto de silício com agente de limpeza e água pura para remover os contaminantes residuais da superfície, como solução de polimento na folha de polimento, e depois soprar e girar o wafer com nitrogênio de pureza ultra-alta e um secador giratório; O wafer é embalado em uma caixa limpa em uma sala ultralimpa para formar um wafer de carboneto de silício que pode ser aberto e usado imediatamente a jusante. Quanto maior o tamanho do wafer, mais difícil é cultivar e processar o cristal correspondente, enquanto quanto maior a eficiência de fabricação dos dispositivos downstream, menor o custo unitário. Atualmente, os fabricantes internacionais de wafers de carboneto de silício fornecem principalmente wafers de carboneto de silício de 4 a 6 polegadas, e empresas líderes internacionais como CREE e II-VI começaram a investir na construção de linhas de produção de wafers de carboneto de silício de 8 polegadas. [Situação da Indústria de Carboneto de Silício]01. O carboneto de silício (SiC) é um material ideal para dispositivos de alta potência. O silício é o material básico de primeira geração na indústria de semicondutores. Atualmente, mais de 95% dos componentes de circuitos integrados do mundo são feitos de silício. Actualmente, com o desenvolvimento de veículos eléctricos, 5G e outras aplicações, a procura de dispositivos de alta potência, alta tensão e alta frequência está a aumentar rapidamente. Quando a tensão for maior que 900 V, a placa curta do MOSFET e do IGBT de potência à base de silício será exposta, o que será limitado em muitos aspectos, como eficiência de conversão, frequência de comutação e temperatura de trabalho. O carboneto de silício (SiC) é amplamente utilizado em dispositivos eletrônicos de alta temperatura, alta tensão, alta frequência e alta potência, aeroespacial e outros ambientes extremos devido à sua ampla banda proibida (3 vezes a do Si), alta condutividade térmica (3.3 vezes a do Si ou 10 vezes a do GaAs), alta taxa de migração de saturação de elétrons (2.5 vezes a do Si) e alto campo elétrico de ruptura (5 vezes a do Si ou GaAs). O carboneto de silício é produzido pela fundição de areia de quartzo, coque de petróleo (ou coque de carvão), serragem (o sal é necessário quando o carboneto de silício verde é produzido) e outras matérias-primas em um forno de resistência em alta temperatura. 02. Vantagens dos dispositivos semicondutores de potência SiC O semicondutor de terceira geração, também conhecido como semicondutor de banda larga devido à sua estrutura física, é representado principalmente por nitreto de gálio e carboneto de silício. Suas características de desempenho de semicondutores são diferentes daquelas do silício de primeira geração e do arsenieto de gálio de segunda geração, o que o faz ter as vantagens de alto bandgap, alta condutividade térmica, alta intensidade de campo de ruptura e alta taxa de deriva de saturação de elétrons. Sendo assim capaz de desenvolver dispositivos semicondutores de potência miniaturizados que são mais adequados para condições adversas, como alta temperatura, alta potência, alta tensão, alta frequência e resistência à radiação, e romper efetivamente os limites físicos dos dispositivos semicondutores de potência tradicionais baseados em silício e seus materiais.

Atualmente, o principal processo de preparação do substrato de SiC é dividido em duas etapas: a primeira etapa é que o pó de SiC é sublimado em alta temperatura em um forno de cristal único e, em seguida, o lingote de SiC é formado no forno de cristal único; Em segundo lugar, usinagem grosseira, corte, retificação e polimento do lingote de SiC para obter um wafer de SiC transparente ou translúcido (ou seja, substrato de SiC) sem camada danificada e com baixa rugosidade.

Direção da evolução técnica: em termos de dispositivos, estão sendo desenvolvidos dispositivos de alta tensão suportável acima de 3.3kv e o projeto de valas é introduzido para melhorar o desempenho e a confiabilidade do dispositivo; Em termos de embalagem, o processo de embalagem será otimizado para aproveitar ao máximo as vantagens da resistência a altas temperaturas do carboneto de silício.