Ein Siliziumkarbid-Wafer ist eine kritische Komponente in den Stromversorgungsgeräten, die die neuesten Technologien der Welt antreiben

Siliziumkarbid-Wafer sind Schlüsselkomponenten in Leistungsgeräten, die weltweit Spitzentechnologien vorantreiben. Die steigende Nachfrage und das Bestreben, die Leistung von Leistungsgeräten näher an die Leistung herkömmlicher siliziumbasierter Substrate heranzuführen, erfordern innovative Lösungen.

SiC, das seit 1893 als industrielles Schleifmittel verwendet wird und nur selten in Form von Moissanit-Schmuckstücken zu finden ist, ist hart und spröde, so dass die Hersteller einzigartige Verfahren anwenden müssen, um dieses Material erfolgreich zu verarbeiten.

Elektrische und thermische Eigenschaften

Siliziumkarbid ist ein äußerst vielseitiges Material, das sich ideal für die Verwendung als Halbleitersubstrat eignet. Seine physikalische Härte (die nur von Diamant übertroffen wird), seine Stabilität bei hohen Temperaturen und Stromstärken, seine Widerstandsfähigkeit gegen chemische Angriffe, seine Langlebigkeit und seine Beständigkeit gegen das Eindringen von Chemikalien machen es sehr attraktiv. Zu den nichtelektronischen Anwendungen gehören kugelsichere Westen. Da es eine höhere Spannungsschwelle als Silizium aufweist, eignet es sich auch hervorragend für Anwendungen in der Leistungselektronik wie Stromrichter oder Wechselrichter.

Aufgrund seiner großen Bandlücke ist Saphir ein hervorragendes Material für energieeffiziente elektronische Geräte. Es kann bei höheren Temperaturen und Spannungen betrieben werden als herkömmliche siliziumbasierte Geräte und erzeugt gleichzeitig mehr Leistung pro Volumeneinheit. Außerdem ändert sich aufgrund seines niedrigen Wärmeausdehnungskoeffizienten (CTE) beim Erhitzen oder Abkühlen nicht die Größe, so dass sich kleinere Geräte nahtlos in kleinere Designs einfügen lassen, was eine schnellere elektrische Leistung ermöglicht.

Beim chemisch-mechanischen Polieren (CMP), dem letzten großen Prozessschritt der Waferherstellung, werden kleine Mengen Material von der Oberfläche entfernt, um sie für das Epitaxiewachstum vorzubereiten. CMP ist ein wesentlicher Schritt, der perfekt ausgeführt werden muss, um eine maximale Ausbeute und Qualität zu erreichen; jeder Fehler würde die Leistung und Ausbeute der Geräte beeinträchtigen. Für eine erfolgreiche CMP muss eine spezielle Polierflüssigkeit in Kombination mit polyurethan- oder harnstoffimprägnierten Filzpolierpads verwendet werden, die das Material effektiv entfernen, ohne die Waferform zu verändern;

Anwendungen

Siliziumkarbid (SiC) wird in vielen Bereichen der Elektronik eingesetzt, von Leistungshalbleitern bis hin zu Wärmeleitfähigkeitssensoren. Aufgrund seiner überlegenen physikalischen Eigenschaften und der höheren Effizienz im Vergleich zu siliziumbasierten Gegenstücken bietet SiC höhere Durchbruchsspannungen und einen geringeren Einschaltwiderstand als Siliziumalternativen - und macht in vielen Designs sogar Kühlkörper überflüssig!

Die Leistungssteigerung von SiC wird durch die große Lücke zwischen seinen Energieniveaus - allgemein als Bandlücke bezeichnet - und den Valenz- und Leitungsbändern ermöglicht, die als Bandlücke bekannt ist. Während herkömmliche Siliziumsubstrate in der Regel nur kleine Lücken aufweisen, können sich die Elektronen zwischen diesen Bändern freier bewegen, was zu einer erheblichen Steigerung der Leistungsdichte sowie zu höheren Betriebstemperaturen und damit zu einer höheren Zuverlässigkeit der Geräte führt.

Da das Mooresche Gesetz an seine Grenzen stößt, wird die Nachfrage nach effizienteren Leistungshalbleitern immer dringender. Dieser Trend treibt die Siliziumkarbid (SiC)-Technologie in verschiedenen Branchen wie der Photovoltaik und dem Schienenverkehr voran.

Die Herstellung von anspruchsvollen Leistungshalbleitern erfordert eine komplizierte Lieferkette. Die Kosten für SiC-Wafer machen einen erheblichen Prozentsatz des Gesamtpreises der Komponenten aus, und ihre Qualität spielt eine wesentliche Rolle für die endgültige Leistung. Pureon bietet fortschrittliche Wafer-Verbrauchsmaterialien an, so dass seine Polier- und Oberflächenlabors in der Lage sind, Oberflächen- und Polierrauhigkeitsmessungen an SiC-Substraten auszuwerten, um die Entwicklungszyklen zu verkürzen und gleichzeitig den Kunden repräsentative Daten zur Verfügung zu stellen, um das Risiko beim Testen neuer Produkte zu verringern.

Pureon's Lösungen für die Waferproduktion

Die Herstellung von Siliziumkarbid-Wafern ist für die Entwicklung von Elektroautos, 5G- und IOT-Technologien unerlässlich. Diese Geräte sind auf Hochleistungshalbleiter mit hervorragender Oberflächenqualität angewiesen. Diese Perfektion ermöglicht eine reibungslose Übertragung, Abriebfestigkeit und verhindert bipolare Degradation, die durch Einschränkungen der planaren Versetzungsdichte begrenzt wird. Alle kritischen Prozessschritte müssen präzise und zuverlässig durchgeführt werden, um solche makellosen Oberflächen zu erreichen.

Das erfolgreiche Schneiden qualitativ hochwertiger Rohlinge in der Drahtsägestufe ist für die Herstellung von SiC-Wafern von entscheidender Bedeutung. Es kann sich als schwierig erweisen, die Form der Wafer im Vorfeld zu verbessern, und der Erfolg hängt von Faktoren wie der Auswahl der Polierpads, der Formulierung der Poliersuspension und der Verarbeitungsparameter sowie dem Maschinentyp ab. Die Formulierung der Poliersuspension und die Polierpads spielen eine entscheidende Rolle bei der Gestaltung der endgültigen Waferqualität.

Die diamantbasierten Slurries von Pureon wurden speziell für diese Anwendung entwickelt, wobei die firmeneigene Chemie und die Diamantkategorien für eine Konsistenz von Charge zu Charge beim Kunden sorgen. In Kombination mit einem optimalen Polierpad können diese Produkte hervorragende Abtragsraten liefern und gleichzeitig bemerkenswerte Oberflächenqualitäten auf Siliziumkarbid-Wafern erzeugen.

Das chemisch-mechanische Polieren (CMP) ist eines der wichtigsten Verfahren bei der Herstellung von Siliziumkarbid-Wafern. Beim CMP wird ein hartes Polyurethan-Polierkissen mit fein verteilten Aluminiumoxid- oder Siliziumdioxid-Schleifpartikeln zur Entfernung von Rückständen aus dem Schneiden, Schleifen und Läppen von Barren verwendet, um hochreflektierende Oberflächen ohne Kratzer oder Beschädigungen für das Epitaxiewachstum und die Herstellung von Bauteilen zu erzeugen.

Herstellung

Silizium ist seit langem das bevorzugte Material in der Halbleiterindustrie, wobei Wafer aus diesem Element die Grundlage für die meisten Geräte bilden. Da das Mooresche Gesetz jedoch an seine Grenzen stößt, könnte sich Siliziumkarbid (SiC) bald als brauchbares Ersatzmaterial erweisen.

SiC zeichnet sich dadurch aus, dass es hohen Temperaturen und Spannungen standhält, zehnmal schneller ein- und ausgeschaltet werden kann als Silizium und einen geringeren Wärmeausdehnungskoeffizienten hat, der temperaturbedingten Veränderungen widersteht. Dank seiner einzigartigen Eigenschaften können aus SiC hergestellte Geräte auf kleineren Wafern gefertigt werden.

Um diese Vorteile zu nutzen, müssen die Hersteller bei der Herstellung von SiC-Wafern zunächst mehrere wichtige Schritte bewältigen. Der Herstellungsprozess beginnt mit der Herstellung einer Kugel (die einem Hockey-Puck ähnelt und wochenlang in Öfen gezüchtet wird, die halb so heiß sind wie die Sonne), die dann mit einer Präzisionssäge in Wafer geschnitten wird, bevor sie mehrere chemische und mechanische Prozesse durchläuft, um sie umzuformen.

Das chemisch-mechanische Polieren (CMP), bei dem die Substratoberflächen für das Epitaxiewachstum vorbereitet werden und ihre Form nicht oder nur minimal verändert wird, ist einer der wichtigsten Schritte bei der Herstellung von SiC-Wafern zu so hohen Kosten. Obwohl es schwierig ist, bemühen sich die Chiphersteller, die CMP-Prozesse zu optimieren, um die Ausbeute zu erhöhen und gleichzeitig die Herstellungskosten pro Wafer zu senken.