Chuỗi công nghiệp cacbua silic của đất nước tôi!

Cacbua silic (SiC) là hướng phát triển chính của ngành công nghiệp bán dẫn điện, có thể cải thiện đáng kể tỷ lệ sử dụng năng lượng điện khi sử dụng để chế tạo các thiết bị điện. Trong tương lai gần, phương tiện sử dụng năng lượng mới sẽ là kịch bản ứng dụng chính của các thiết bị năng lượng cacbua silic. Là người tiên phong về công nghệ, Tesla đã đi đầu trong việc tích hợp tất cả các mô-đun cacbua silic trong Model 3, và các công ty ô tô hàng đầu khác cũng đang có kế hoạch mở rộng ứng dụng cacbua silic. Với chi phí sản xuất các thiết bị cacbua silic ngày càng giảm và sự trưởng thành dần dần của công nghệ, tương lai của ngành công nghiệp thiết bị điện cacbua silic có thể được mong đợi. [Cacbua silic là gì? Cacbua silic (SiC) là vật liệu bán dẫn hỗn hợp thế hệ thứ ba. Nền tảng của ngành công nghiệp bán dẫn là chip và vật liệu cốt lõi để sản xuất chip được chia thành vật liệu bán dẫn thế hệ thứ nhất (chủ yếu là silicon có độ tinh khiết cao được sử dụng rộng rãi hiện nay), vật liệu bán dẫn hỗn hợp thế hệ thứ hai (gallium arsenide và indium phosphide) và vật liệu bán dẫn hỗn hợp thế hệ thứ ba (silicon cacbua và gali nitrit) theo quy trình lịch sử. Do đặc tính vật lý vượt trội: dải thông cao (tương ứng với điện trường đánh thủng cao và mật độ năng lượng cao), độ dẫn điện cao và độ dẫn nhiệt cao, cacbua silic sẽ là vật liệu cơ bản được sử dụng rộng rãi nhất cho chip bán dẫn trong tương lai. [Tính chất vật lý và hóa học của cacbua silic]Dạng chính của cacbua silic trong chip bán dẫn là chất nền. Chip bán dẫn có thể được chia thành các mạch tích hợp và các thiết bị rời rạc, nhưng cấu trúc cơ bản của cả mạch tích hợp và thiết bị rời rạc có thể được chia thành cấu trúc "thiết bị epiticular-đế". Dạng chính của cacbua silic trong chất bán dẫn là vật liệu nền.Tấm wafer cacbua silic là một tấm tinh thể đơn được hình thành bằng cách cắt, mài, đánh bóng và làm sạch tinh thể cacbua silic. Là vật liệu nền bán dẫn, wafer silicon cacbua có thể được chế tạo thành các thiết bị điện dựa trên cacbua silic và thiết bị RF vi sóng thông qua tăng trưởng epiticular và sản xuất thiết bị, đây là vật liệu cơ bản quan trọng để phát triển ngành bán dẫn thế hệ thứ ba. Theo sự khác biệt về điện trở suất, tấm silicon cacbua có thể được chia thành loại dẫn điện và loại bán cách điện. Trong số đó, tấm silicon cacbua dẫn điện chủ yếu được sử dụng để sản xuất các thiết bị điện có nhiệt độ cao và điện áp cao, với quy mô thị trường lớn; Chất nền cacbua silic bán cách điện chủ yếu được sử dụng trong các thiết bị RF vi sóng và các lĩnh vực khác. Với việc đẩy nhanh việc xây dựng mạng truyền thông 5G, nhu cầu thị trường đã tăng lên rõ rệt.[Nghiên cứu công nghệ xử lý cacbua silic] Độ cứng của SiC chỉ đứng sau kim cương và nó có thể được sử dụng làm chất mài mòn cho các dụng cụ mài như bánh mài. Vì vậy, đá mài kim cương chủ yếu được sử dụng để mài, mài và đánh bóng, trong đó đá mài kim cương có hiệu suất cao nhất và là phương tiện quan trọng để xử lý SiC. Tuy nhiên, vật liệu SiC không chỉ có đặc tính là độ cứng cao mà còn có độ giòn cao, độ bền gãy thấp nên dễ gây ra hiện tượng gãy giòn của vật liệu trong quá trình mài, do đó để lại lớp vỡ bề mặt trên bề mặt vật liệu, và gây hư hỏng bề mặt và dưới bề mặt nghiêm trọng, ảnh hưởng đến độ chính xác gia công. Vì vậy, việc nghiên cứu sâu cơ chế mài và hư hỏng dưới bề mặt của SiC để nâng cao hiệu quả mài và chất lượng bề mặt của SiC là rất có ý nghĩa. 1. Cơ chế mài của vật liệu cứng và giòn Nghiền các vật liệu cứng và giòn, và chất mài mòn có tác dụng lăn hoặc cắt vi mô trên chúng. Khi các hạt mài mòn tác động lên bề mặt với các va đập và vết nứt, trong quá trình mài, một số hạt mài mòn được ép vào phôi dưới tác dụng của tải trọng mài và đầu tiếp xúc được sử dụng để làm xước bề mặt phôi để cắt vi mô . Phần còn lại của hạt mài mòn lăn giữa phôi và đĩa mài để tạo ra hành động lăn, làm cho bề mặt phôi tạo thành các vết nứt nhỏ và vết nứt kéo dài tạo thành các mảnh vụn giòn trên bề mặt phôi, do đó đạt được mục đích của bề mặt gỡ bỏ. Do độ bền kéo của vật liệu cứng và giòn thấp hơn cường độ nén nên khi chịu tác dụng của các hạt mài mòn sẽ tạo ra các vết nứt vi mô ở ứng suất kéo cực đại trên bề mặt vật liệu cứng và giòn. Khi các vết nứt đan chéo nhau kéo dài và cắt chéo nhau, phần được bao quanh bởi các vết nứt sẽ vỡ ra và sụp đổ thành từng mảnh nhỏ. Đây là quá trình cơ bản hình thành phoi và hình thành bề mặt khi mài các vật liệu cứng và giòn. Vì cacbua silic là một loại vật liệu giòn có độ cứng cao nên cần có chất lỏng mài đặc biệt. Khó khăn kỹ thuật chính của việc mài cacbua silic nằm ở việc đo và kiểm soát chính xác độ dày mỏng của vật liệu có độ cứng cao. Sau khi mài, bề mặt của tấm wafer sẽ bị hư hỏng, có vết nứt nhỏ và ứng suất dư, và tấm wafer cacbua silic mỏng đi sẽ gây cong vênh nhiều hơn so với tấm wafer cacbua silic. 2. Nghiên cứu quá trình đánh bóng cacbua silic. Hiện nay, các phương pháp đánh bóng cacbua silic chủ yếu bao gồm đánh bóng cơ học, đánh bóng từ lưu biến, đánh bóng cơ học hóa học (CMP), đánh bóng điện hóa (ECMP), đánh bóng hỗ trợ chất xúc tác hoặc khắc axit hỗ trợ chất xúc tác (CACP/CARE), đánh bóng hóa học ma sát (TCP) và đánh bóng bằng plasma (PAP). Công nghệ đánh bóng hóa học (CMP) là một phương tiện xử lý chất bán dẫn quan trọng hiện nay và nó cũng là công nghệ hiệu quả nhất để xử lý bề mặt silicon đơn tinh thể đến cấp độ nguyên tử. Đây là công nghệ thực tế duy nhất có thể hiện thực hóa sự phẳng hóa cục bộ và toàn cầu trong quá trình xử lý. Hiệu suất xử lý của CMP chủ yếu được xác định bởi tốc độ phản ứng hóa học trên bề mặt phôi. Qua nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số quá trình đến tốc độ đánh bóng của vật liệu SiC, kết quả cho thấy tốc độ quay và áp suất đánh bóng có ảnh hưởng rất lớn; Và nhiệt độ và giá trị pH của dung dịch đánh bóng ít ảnh hưởng. Để cải thiện tốc độ đánh bóng của vật liệu, tốc độ quay phải được tăng lên càng nhiều càng tốt. Mặc dù việc tăng áp suất đánh bóng cũng có thể cải thiện tốc độ loại bỏ nhưng rất dễ làm hỏng miếng đánh bóng. Hiện nay, phương pháp đánh bóng cacbua silic có vấn đề là tốc độ loại bỏ vật liệu thấp và chi phí cao, không có mài và đánh bóng mài mòn, xử lý phụ trợ xúc tác và các phương pháp xử lý khác. Do điều kiện khắt khe và hoạt động phức tạp của thiết bị nên nó vẫn còn trong phòng thí nghiệm và khó có thể sản xuất hàng loạt. Cacbua silic lần đầu tiên được phát hiện trong thiên thạch vào năm 1905 và hiện nay nó chủ yếu đến từ quá trình tổng hợp nhân tạo. Cacbua silic có nhiều ứng dụng và phạm vi công nghiệp của nó rất rộng. Nó có thể được sử dụng làm vật liệu xử lý kỹ thuật cho silicon đơn tinh thể, silicon đa tinh thể, kali arsenide, tinh thể Shi Ying, v.v., công nghiệp quang điện mặt trời, công nghiệp bán dẫn và công nghiệp tinh thể áp điện. [Quy trình xử lý cacbua silic] Tấm silicon cacbua được làm từ bột silicon có độ tinh khiết cao và bột carbon có độ tinh khiết cao làm nguyên liệu thô, và tinh thể cacbua silic được phát triển bằng phương pháp vận chuyển hơi vật lý (PVT), sau đó được xử lý thành tấm wafer cacbua silic . ① tổng hợp nguyên liệu. Bột silicon có độ tinh khiết cao và bột carbon có độ tinh khiết cao được trộn theo một tỷ lệ nhất định và các hạt cacbua silic được tổng hợp bằng phản ứng ở nhiệt độ cao trên 2,000oC. Sau khi nghiền, làm sạch và các quá trình khác, nguyên liệu thô vi bột silicon cacbua có độ tinh khiết cao đáp ứng yêu cầu phát triển tinh thể sẽ được chuẩn bị. ② Tinh thể phát triển. Sử dụng vi bột cacbua silic có độ tinh khiết cao làm nguyên liệu thô, tinh thể cacbua silic được phát triển bằng phương pháp vận chuyển hơi vật lý (PVT) trong lò tăng trưởng tinh thể tự phát triển. Nguyên tắc tăng trưởng của nó được thể hiện trong hình sau:Vi bột cacbua silic có độ tinh khiết cao và tinh thể hạt lần lượt được đặt ở đáy và trên cùng của nồi nấu bằng than chì kín hình trụ trong lò nung đơn tinh thể. Nồi nấu kim loại được làm nóng đến hơn 2,000oC bằng cảm ứng điện từ và nhiệt độ của tinh thể hạt thấp hơn một chút so với nhiệt độ của vi bột phía dưới, do đó hình thành gradient nhiệt độ dọc trục trong nồi nấu kim loại. Bột siêu nhỏ cacbua silic thăng hoa ở nhiệt độ cao để tạo thành các chất khí như Si2C, SiC2, Si, v.v. và được điều khiển bởi gradient nhiệt độ, nó đến tinh thể hạt có nhiệt độ thấp hơn và kết tinh trên đó để tạo thành thỏi cacbua silic hình trụ . ③ Xử lý phôi. Thỏi cacbua silic thu được được định hướng bằng cách sử dụng máy định hướng tinh thể đơn tia X, sau đó được nghiền phẳng và cán, rồi được xử lý thành tinh thể cacbua silic có đường kính tiêu chuẩn. ④ Cắt pha lê. Sử dụng thiết bị cắt nhiều dây để cắt tinh thể cacbua silic thành những lát mỏng có độ dày không quá 1mm. ⑤ mài wafer. Nghiền tấm wafer đến độ phẳng và độ nhám cần thiết bằng dung dịch mài kim cương với các kích thước hạt khác nhau. ⑥ đánh bóng wafer. Một tấm wafer đánh bóng cacbua silic không bị hư hại bề mặt có được bằng cách đánh bóng cơ học và đánh bóng cơ học hóa học. ⑦ kiểm tra wafer. Sử dụng kính hiển vi quang học, máy đo nhiễu xạ tia X, kính hiển vi lực nguyên tử, máy đo điện trở suất không tiếp xúc, máy đo độ phẳng bề mặt, máy kiểm tra toàn diện khuyết tật bề mặt và các dụng cụ, thiết bị khác, các thông số khác nhau như mật độ vi ống, chất lượng tinh thể, độ nhám bề mặt, điện trở suất, cong vênh, độ cong, sự thay đổi độ dày, vết xước bề mặt của tấm wafer cacbua silic đã được phát hiện và chất lượng của tấm wafer được đánh giá tương ứng. ⑧ Làm sạch tấm wafer. Làm sạch tấm đánh bóng cacbua silic bằng chất tẩy rửa và nước tinh khiết để loại bỏ các chất gây ô nhiễm bề mặt còn sót lại như dung dịch đánh bóng trên tấm đánh bóng, sau đó thổi và quay wafer bằng nitơ có độ tinh khiết cực cao và máy sấy quay; Tấm bán dẫn được đóng gói trong hộp bán dẫn sạch trong phòng siêu sạch để tạo thành tấm bán dẫn bằng cacbua silic có thể mở ra và sử dụng ngay sau đó. Kích thước wafer càng lớn thì việc phát triển và xử lý tinh thể tương ứng càng khó khăn, trong khi hiệu quả sản xuất của các thiết bị hạ nguồn càng cao thì đơn giá càng thấp. Hiện nay, các nhà sản xuất tấm wafer cacbua silic quốc tế chủ yếu cung cấp tấm wafer cacbua silic 4 inch đến 6 inch, và các doanh nghiệp hàng đầu quốc tế như CREE và II-VI đã bắt đầu đầu tư xây dựng dây chuyền sản xuất tấm wafer cacbua silic 8 inch. [Tình hình ngành công nghiệp cacbua silic]01. Silicon cacbua (SiC) là vật liệu lý tưởng cho các thiết bị có công suất cao. Silicon là vật liệu cơ bản thế hệ đầu tiên trong ngành bán dẫn. Hiện nay, hơn 95% linh kiện mạch tích hợp trên thế giới được làm bằng silicon. Hiện nay, với sự phát triển của xe điện, 5G và các ứng dụng khác, nhu cầu về các thiết bị công suất cao, điện áp cao và tần số cao đang tăng lên nhanh chóng. Khi điện áp lớn hơn 900V, bo mạch ngắn của MOSFET công suất silicon và IGBT sẽ bị hở, điều này sẽ hạn chế nhiều mặt như hiệu suất chuyển đổi, tần số chuyển mạch và nhiệt độ làm việc. Silic cacbua (SiC) được sử dụng rộng rãi trong các thiết bị điện tử công suất cao, điện áp cao, tần số cao, nhiệt độ cao, hàng không vũ trụ và các môi trường khắc nghiệt khác do có khoảng cách dải rộng (gấp 3 lần Si), độ dẫn nhiệt cao (gấp 3.3 lần Si hoặc gấp 10 lần GaAs), tốc độ di chuyển bão hòa electron cao (gấp 2.5 lần Si) và trường điện đánh thủng cao (gấp 5 lần Si hoặc GaAs). Cacbua silic được tạo ra bằng cách nấu chảy cát thạch anh, than cốc dầu mỏ (hoặc than cốc), mùn cưa (muối cần thiết khi sản xuất cacbua silic xanh) và các nguyên liệu thô khác trong lò điện trở ở nhiệt độ cao. 02. Ưu điểm của thiết bị bán dẫn điện SiC Chất bán dẫn thế hệ thứ ba, còn được gọi là chất bán dẫn dải rộng vì cấu trúc vật lý của nó, chủ yếu được thể hiện bằng gali nitrit và cacbua silic. Đặc tính hiệu suất bán dẫn của nó khác với silicon thế hệ thứ nhất và gallium arsenide thế hệ thứ hai, điều này làm cho nó có ưu điểm là dải tần cao, độ dẫn nhiệt cao, cường độ trường phân hủy cao và tốc độ trôi bão hòa điện tử cao. Qua đó có thể phát triển các thiết bị bán dẫn công suất thu nhỏ, phù hợp hơn với các điều kiện khắc nghiệt như nhiệt độ cao, công suất cao, điện áp cao, tần số cao và khả năng chống bức xạ, đồng thời vượt qua các giới hạn vật lý của các thiết bị bán dẫn công suất dựa trên silicon truyền thống một cách hiệu quả. nguyên vật liệu.

Hiện nay, quy trình chuẩn bị chính của chất nền SiC được chia thành hai bước: bước đầu tiên là bột SiC được thăng hoa ở nhiệt độ cao trong lò nung đơn tinh thể và sau đó phôi SiC được hình thành trong lò nung đơn tinh thể; Thứ hai, gia công thô, cắt, mài và đánh bóng phôi SiC để thu được tấm wafer SiC trong suốt hoặc mờ (tức là chất nền SiC) không có lớp hư hỏng và độ nhám thấp.

Hướng phát triển kỹ thuật: về mặt thiết bị, các thiết bị có điện áp chịu được cao trên 3.3kv đang được phát triển và thiết kế rãnh được đưa ra để cải thiện hiệu suất và độ tin cậy của thiết bị; Về mặt đóng gói, quy trình đóng gói sẽ được tối ưu hóa để phát huy tối đa ưu điểm về khả năng chịu nhiệt độ cao của cacbua silic.