Silisyum karbür (SiC), güç cihazları yapımında kullanıldığında elektrik enerjisinin kullanım oranını önemli ölçüde artırabilen, güç yarı iletken endüstrisinin ana gelişme yönüdür. Öngörülebilir gelecekte yeni enerji araçları silisyum karbür güç cihazlarının ana uygulama senaryoları olacaktır. Teknolojide öncü olarak Tesla, tüm silisyum karbür modüllerinin Model 3'e entegre edilmesinde öncülük yaptı ve diğer birinci sınıf otomobil şirketleri de silisyum karbür uygulamasını genişletmeyi planlıyor. Silisyum karbür cihazların üretim maliyetlerinin azalması ve teknolojinin kademeli olarak olgunlaşması ile silisyum karbür güç cihazları endüstrisinin geleceği beklenebilir. [Silisyum karbür nedir? Silisyum karbür (SiC), üçüncü nesil bileşik yarı iletken malzemedir. Yarı iletken endüstrisinin temel taşı çiplerdir ve çip yapımında kullanılan çekirdek malzemeler birinci nesil yarı iletken malzemelere (çoğunlukla şu anda yaygın olarak kullanılan yüksek saflıkta silikon), ikinci nesil bileşik yarı iletken malzemelere (galyum arsenit ve indiyum fosfit) bölünmüştür. ve tarihsel sürece göre üçüncü nesil bileşik yarı iletken malzemeler (silisyum karbür ve galyum nitrür). Üstün fiziksel özellikleri nedeniyle: yüksek bant aralığı (yüksek arıza elektrik alanı ve yüksek güç yoğunluğuna karşılık gelir), yüksek elektrik iletkenliği ve yüksek termal iletkenlik nedeniyle silisyum karbür, gelecekte yarı iletken çipler için en yaygın kullanılan temel malzeme olacaktır. [Silisyum Karbürün Fiziksel ve Kimyasal Özellikleri]Yarı iletken çiplerdeki silisyum karbürün ana formu substrattır. Yarı iletken yongalar entegre devrelere ve ayrık cihazlara ayrılabilir, ancak hem entegre devrelerin hem de ayrık cihazların temel yapısı "alt tabaka-epitaksiyel cihaz" yapısına bölünebilir. Yarı iletkenlerdeki silisyum karbürün ana formu bir substrat malzemesidir.Silisyum karbür levha, silisyum karbür kristalinin kesilmesi, taşlanması, parlatılması ve temizlenmesiyle oluşturulan tek bir kristal levhadır. Yarı iletken bir substrat malzemesi olarak silisyum karbür levha, üçüncü nesil yarı iletken endüstrisinin gelişimi için önemli bir temel malzeme olan epitaksiyel büyüme ve cihaz üretimi yoluyla silisyum karbür bazlı güç cihazlarına ve mikrodalga RF cihazlarına dönüştürülebilir. Direnç farkına göre silisyum karbür levhalar iletken tipte ve yarı yalıtımlı tipte ayrılabilir. Bunlar arasında, iletken silisyum karbür levhalar esas olarak geniş bir pazar ölçeğine sahip, yüksek sıcaklık ve yüksek voltajlı güç cihazlarının üretiminde kullanılır; Yarı yalıtkan silisyum karbür substrat esas olarak mikrodalga RF cihazlarında ve diğer alanlarda kullanılır. 5G iletişim ağının hızla inşa edilmesiyle birlikte pazar talebi de belirgin bir şekilde arttı.[Silisyum karbür işleme teknolojisi üzerine araştırma] SiC'nin sertliği elmastan sonra ikinci sıradadır ve taşlama diskleri gibi taşlama takımlarında aşındırıcı olarak kullanılabilir. Bu nedenle, elmas taşlama taşları esas olarak taşlama, taşlama ve cilalama için kullanılır; bunlar arasında elmas taşlama taşları en yüksek verime sahiptir ve SiC'nin işlenmesi için önemli bir araçtır. Ancak SiC malzemesi sadece yüksek sertlik özelliklerine sahip olmakla kalmayıp, aynı zamanda yüksek kırılganlığı ve düşük kırılma tokluğu, taşlama işleminde malzemenin gevrek kırılmasına neden olmayı kolaylaştırarak, malzeme yüzeyinde yüzeyi kırılmış bir tabaka bırakmaktadır. ve işleme doğruluğunu etkileyen ciddi yüzey ve alt yüzey hasarına neden olur. Bu nedenle, SiC'nin öğütme verimliliğini ve yüzey kalitesini artırmak için SiC'nin öğütme mekanizmasını ve yüzey altı hasarını derinlemesine incelemek büyük önem taşımaktadır. 1. Sert ve Kırılgan Malzemelerin Taşlama Mekanizması Sert ve kırılgan malzemeleri taşlayın ve aşındırıcıların bunlar üzerinde yuvarlanma veya mikro kesme etkisi vardır. Aşındırıcı parçacıklar yüzeye çarpma ve çatlaklarla etki ettiğinde, taşlama ilerledikçe, bazı aşındırıcı parçacıklar taşlama yükünün etkisi altında iş parçasına bastırılır ve açıkta kalan uç, mikro kesme için iş parçasının yüzeyini çizmek için kullanılır. . Aşındırıcı tanelerin diğer kısmı, iş parçasının yüzeyinde mikro çatlaklar oluşturan yuvarlanma hareketi üretmek için iş parçası ile taşlama diski arasında yuvarlanır ve çatlak, iş parçasının yüzeyinde kırılgan talaşlar oluşturacak şekilde uzanır, böylece yüzey amacına ulaşır. kaldırma. Sert ve kırılgan malzemelerin çekme dayanımı basınç dayanımından daha düşük olduğundan, aşındırıcı parçacıklar yüklendiğinde sert ve kırılgan malzemelerin yüzeyinde maksimum çekme gerilmesinde mikro çatlaklar oluşacaktır. Çapraz çatlaklar uzayıp birbirini geçtiğinde, çatlaklarla çevrelenen kısım kırılacak ve küçük parçalara ayrılacaktır. Bu, sert ve kırılgan malzemelerin taşlanması sırasında talaş oluşumu ve yüzey oluşumunun temel sürecidir. Silisyum karbür yüksek sertlikte kırılgan bir malzeme olduğundan özel taşlama sıvısına ihtiyaç vardır. Silisyum karbür taşlamanın ana teknik zorluğu, yüksek sertlikteki malzemenin inceltme kalınlığının doğru ölçümü ve kontrolünde yatmaktadır. Öğütmeden sonra, levhanın yüzeyi hasar görecek, mikro çatlaklar ve artık gerilimler olacak ve silisyum karbür levhanın incelmesi, silisyum karbür levhanınkinden daha fazla çarpıklığa neden olacaktır. 2. Silisyum karbürün polisaj işlemlerinin araştırılması. Şu anda, silisyum karbürün parlatma yöntemleri esas olarak mekanik parlatma, manyetoreolojik parlatma, kimyasal mekanik parlatma (CMP), elektrokimyasal parlatma (ECMP), katalizör destekli parlatma veya katalizör destekli aşındırma (CACP/CARE), tribokimyasal parlatma (TCP) içerir. ve plazma destekli parlatma (PAP). Kimyasal parlatma (CMP) teknolojisi günümüzde yarı iletken işlemenin önemli bir aracıdır ve aynı zamanda tek kristal silikonun yüzeyini atomik seviyeye kadar işlemek için en etkili teknolojidir. İşleme sürecinde yerel ve küresel düzlemselleştirmeyi gerçekleştirebilen tek pratik teknolojidir. CMP'nin işleme verimliliği esas olarak iş parçası yüzeyindeki kimyasal reaksiyon hızıyla belirlenir. İşlem parametrelerinin SiC malzemelerinin parlatma hızı üzerindeki etkisini inceleyerek elde edilen sonuçlar, dönme hızının ve parlatma basıncının büyük etkiye sahip olduğunu göstermektedir; Ve parlatma solüsyonunun sıcaklığı ve pH değerinin çok az etkisi vardır. Malzemelerin cilalanma oranını arttırmak için dönme hızının mümkün olduğu kadar arttırılması gerekmektedir. Parlatma basıncını arttırmak temizleme oranını da artırabilse de, parlatma pedine zarar vermek kolaydır. Şu anda silisyum karbürün parlatma yöntemi, düşük malzeme çıkarma oranı ve yüksek maliyet sorunlarına sahiptir ve aşındırıcı taşlama ve parlatma, katalitik yardımcı işleme ve diğer işleme yöntemleri yoktur. Cihazın zorlu koşulları ve karmaşık çalışması nedeniyle halen laboratuvarda olması nedeniyle seri üretime geçmesi pek mümkün görünmüyor. Silisyum karbür ilk olarak 1905 yılında göktaşlarında keşfedildi ve artık çoğunlukla yapay sentezlerden elde ediliyor. Silisyum karbürün birçok kullanım alanı vardır ve endüstri alanı geniştir. Monokristalin silikon, polikristalin silikon, potasyum arsenit, Shi Ying kristali vb., güneş fotovoltaik endüstrisi, yarı iletken endüstrisi ve piezoelektrik kristal endüstrisi için mühendislik işleme malzemeleri olarak kullanılabilir. [Silikon Karbür İşleme İşlem Akışı] Silisyum karbür levhalar, hammadde olarak yüksek saflıkta silikon tozu ve yüksek saflıkta karbon tozundan yapılır ve silisyum karbür kristalleri, fiziksel buhar aktarımı (PVT) ile büyütülür ve daha sonra silisyum karbür levhalara işlenir. . ① hammadde sentezi. Yüksek saflıkta silikon tozu ve yüksek saflıkta karbon tozu belirli bir orana göre karıştırılır ve silisyum karbür parçacıkları 2,000 ° C'nin üzerindeki yüksek sıcaklıkta reaksiyonla sentezlenir. Kırma, temizleme ve diğer işlemlerden sonra kristal büyütme gereksinimlerini karşılayan yüksek saflıkta silisyum karbür mikro toz hammaddeleri hazırlanır. ② Kristal büyümesi. Hammadde olarak yüksek saflıkta silisyum karbür mikro tozu kullanılarak silisyum karbür kristali, kendi geliştirdiğimiz bir kristal büyütme fırınında fiziksel buhar aktarımı (PVT) yoluyla büyütüldü. Büyüme prensibi aşağıdaki şekilde gösterilmektedir:Yüksek saflıkta silisyum karbür mikro tozu ve tohum kristali, tek kristal büyütme fırınındaki silindirik kapalı grafit potanın sırasıyla altına ve üstüne yerleştirilir. Pota, elektromanyetik indüksiyonla 2,000°C'nin üzerine ısıtılır ve tohum kristalinin sıcaklığı, alt mikro tozunkinden biraz daha düşüktür, böylece potada eksenel bir sıcaklık gradyanı oluşur. Mikro silisyum karbür tozu, Si2C, SiC2, Si vb. gibi gaz halindeki maddeler oluşturmak üzere yüksek sıcaklıkta süblimleşir ve sıcaklık gradyanı tarafından tahrik edilerek daha düşük sıcaklıkta tohum kristaline ulaşır ve silindirik silisyum karbür külçe oluşturmak üzere üzerinde kristalleşir. . ③ Külçe işleme. Elde edilen silisyum karbür külçe, bir X-ışını tek kristal yönlendirici kullanılarak yönlendirilir, daha sonra düz bir şekilde öğütülür ve yuvarlanır ve standart çaplı silisyum karbür kristali halinde işlenir. ④ Kristal kesme. Silisyum karbür kristalini kalınlığı 1 mm'yi aşmayan ince dilimler halinde kesmek için çok telli kesme ekipmanı kullanın. ⑤ gofret öğütme. Farklı parçacık boyutlarına sahip elmas taşlama sıvısı ile gofretin gerekli düzlük ve pürüzlülüğe öğütülmesi. ⑥ gofret parlatma. Mekanik parlatma ve kimyasal mekanik parlatma ile yüzey hasarı olmayan bir silisyum karbür parlatma plakası elde edilir. ⑦ gofret denetimi. Optik mikroskop, X-ışını kırınım ölçer, atomik kuvvet mikroskobu, temassız direnç test cihazı, yüzey düzlüğü test cihazı, yüzey kusuru kapsamlı test cihazı ve diğer alet ve ekipmanları, mikrotübül yoğunluğu, kristal kalitesi, yüzey pürüzlülüğü, direnç, çarpıklık gibi çeşitli parametreler kullanarak, Silisyum karbür levhanın eğriliği, kalınlık değişimi, yüzey çizikleri tespit edildi ve levhanın kalite derecesi buna göre değerlendirildi. ⑧ Gofret temizliği. Parlatma kağıdı üzerindeki parlatma solüsyonu gibi artık yüzey kirletici maddelerini çıkarmak için silikon karbür parlatma kağıdının temizlik maddesi ve saf su ile temizlenmesi ve ardından gofretin ultra yüksek saflıkta nitrojen ve bir döner kurutucu ile üflenmesi ve döndürülmesi; Gofret, ultra temiz bir odada temiz bir gofret kutusunda paketlenerek hemen aşağı yönde açılıp kullanılabilen bir silikon karbür gofret oluşturulur. Plaka boyutu ne kadar büyük olursa, karşılık gelen kristalin büyütülmesi ve işlenmesi o kadar zorlaşırken, aşağı yöndeki cihazların üretim verimliliği ne kadar yüksek olursa birim maliyet de o kadar düşük olur. Şu anda, uluslararası silisyum karbür levha üreticileri çoğunlukla 4 inç ila 6 inç arası silisyum karbür levhalar sağlıyor ve CREE ve II-VI gibi uluslararası lider şirketler 8 inçlik silisyum karbür levha üretim hatlarının inşasına yatırım yapmaya başladı. [Silisyum Karbür Endüstrisinin Durumu]01. Silisyum karbür (SiC), yüksek güçlü cihazlar için ideal bir malzemedir. Silikon, yarı iletken endüstrisindeki ilk nesil temel malzemedir. Şu anda dünyadaki entegre devre bileşenlerinin %95'inden fazlası silikondan yapılmıştır. Günümüzde elektrikli araçların, 5G ve diğer uygulamaların gelişmesiyle birlikte yüksek güçlü, yüksek voltajlı ve yüksek frekanslı cihazlara olan talep hızla artıyor. Gerilim 900V'un üzerine çıktığında, silikon tabanlı güç MOSFET ve IGBT'nin kısa devresi açığa çıkacak ve bu da dönüşüm verimliliği, anahtarlama frekansı ve çalışma sıcaklığı gibi birçok açıdan sınırlanacaktır. Silisyum karbür (SiC), geniş bant aralığı (Si'nin 3 katı), yüksek ısıl iletkenliği (Si'nin 3.3 katı veya GaAs'nin 10 katı), yüksek elektron doygunluk göç hızı (Si'nin 2.5 katı) ve yüksek arıza elektrik alanı (Si veya GaAs'nin 5 katı) nedeniyle yüksek sıcaklık, yüksek voltaj, yüksek frekans, yüksek güçlü elektronik cihazlarda, havacılık ve diğer aşırı ortamlarda yaygın olarak kullanılmaktadır. Silisyum karbür, kuvars kumu, petrol koku (veya kömür koku), talaş (yeşil silisyum karbür üretildiğinde tuza ihtiyaç duyulur) ve diğer hammaddelerin yüksek sıcaklıkta bir direnç fırınında eritilmesiyle yapılır. 02. SiC güç yarı iletken cihazlarının avantajları Fiziksel yapısından dolayı geniş bant aralıklı yarı iletken olarak da bilinen üçüncü nesil yarı iletken, esas olarak galyum nitrür ve silisyum karbür ile temsil edilir. Yarı iletken performans özellikleri, birinci nesil silikon ve ikinci nesil galyum arsenitten farklıdır; bu da onu yüksek bant aralığı, yüksek termal iletkenlik, yüksek arıza alanı kuvveti ve yüksek elektron doygunluğu sürüklenme oranı avantajlarına sahip kılar. Böylece yüksek sıcaklık, yüksek güç, yüksek voltaj, yüksek frekans ve radyasyon direnci gibi zorlu koşullara daha uygun minyatürleştirilmiş güç yarı iletken cihazları geliştirilebilmekte ve geleneksel silikon bazlı güç yarı iletken cihazlarının fiziksel sınırlarını etkin bir şekilde aşabilmek ve bunların malzemeler.

Şu anda, SiC substratının ana hazırlama süreci kabaca iki aşamaya bölünmüştür: ilk adım, SiC tozunun tek kristal fırında yüksek sıcaklıkta süblimleştirilmesi ve ardından tek kristal fırında SiC külçesinin oluşturulmasıdır; İkinci olarak, hasar tabakası olmayan ve düşük pürüzlülüğe sahip şeffaf veya yarı saydam bir SiC levha (yani SiC substratı) elde etmek için SiC külçesinin kaba işlenmesi, kesilmesi, taşlanması ve cilalanması.

Teknik evrim yönü: Cihazlar açısından, 3.3kv'un üzerinde yüksek dayanım gerilimli cihazlar geliştirilmekte ve cihaz performansını ve güvenilirliğini artırmak için hendek tasarımı tanıtılmaktadır; Paketleme açısından, paketleme süreci silisyum karbürün yüksek sıcaklık direncinin avantajlarından tam anlamıyla yararlanacak şekilde optimize edilecektir.