Semiconductor-evolutie aangedreven door SiC-technologie

De halfgeleiderindustrie bevindt zich in een constante staat van evolutie, gedreven door de niet aflatende vraag naar kleinere, snellere en efficiëntere elektronische apparaten. Nu traditionele op silicium gebaseerde technologieën hun theoretische grenzen naderen, komen er nieuwe materialen op om de grenzen van de prestaties te verleggen. Van deze materialen heeft siliciumcarbide (SiC) zich onderscheiden als een transformatief materiaal, met name voor toepassingen met hoge vermogens, hoge frequenties en hoge temperaturen. Deze blogpost onderzoekt de cruciale rol van SiC in de voortdurende evolutie van halfgeleiders en gaat dieper in op de voordelen, toepassingen en de overwegingen voor het inkopen van aangepaste SiC-componenten.

The Semiconductor Landscape in Transformation

Decennialang is silicium (Si) de onbetwiste werkpaard van de halfgeleiderindustrie geweest. De toenemende vermogensdichtheid, bedrijf frequenties en zware omgevingsomstandigheden in moderne toepassingen - van elektrische voertuigen tot 5G-infrastructuur en systemen voor hernieuwbare energie - leggen echter de beperkingen van silicium bloot. Parameters zoals doorslagspanning, thermische geleidbaarheid en elektronenmobiliteit in silicium worden tot hun haalbare maximum opgerekt. Hier komen breedbandgap (WBG)-halfgeleiders, met name siliciumcarbide, in beeld. SiC biedt superieure materiaaleigenschappen die zich direct vertalen in aanzienlijke prestatieverbeteringen in halfgeleiderapparaten, waarmee een nieuw tijdperk van vermogenselektronica en geavanceerde halfgeleidersystemen wordt ingeluid. De verschuiving naar SiC is niet slechts een incrementele upgrade; het is een fundamentele verandering die geheel nieuwe mogelijkheden en efficiëntie in tal van industrieën mogelijk maakt.

Why SiC is a Game-Changer for Semiconductors

De prominentie van siliciumcarbide in de halfgeleiderindustrie is geen toeval; het is een direct gevolg van de uitzonderlijke materiaaleigenschappen die apparaatprestaties mogelijk maken die ver uitstijgen boven die van conventioneel silicium. Deze voordelen zijn cruciaal voor ingenieurs en ontwerpers die vermogenselektronica en hoogwaardige systemen van de volgende generatie willen creëren.

• Hogere elektrische doorslagveldsterkte: SiC bezit een doorslag elektrisch veld dat ongeveer tien keer hoger is dan dat van silicium. Hierdoor kunnen SiC-apparaten aanzienlijk hogere spanningen blokkeren in een veel dunnere laag, wat leidt tot kleinere apparaatgroottes en een lagere weerstand in de aan-toestand voor een bepaalde spanningswaarde. Dit is cruciaal voor hoogspanningsvermogensconversie en -distributie.
• Superieur warmtegeleidingsvermogen: SiC vertoont een thermische geleidbaarheid die ongeveer drie keer beter is dan die van silicium. Hierdoor kunnen SiC-apparaten warmte effectiever afvoeren, waardoor ze kunnen werken bij hogere temperaturen en vermogensdichtheden zonder omvangrijke koelsystemen. Deze eigenschap verbetert de betrouwbaarheid en vermindert de systeemgrootte en -kosten.
• Bredere bandgap: SiC heeft een bandgap die ongeveer drie keer breder is dan silicium (bijvoorbeeld ~3,2 eV voor 4H-SiC versus 1,1 eV voor Si). Deze bredere bandgap resulteert in lagere lekstromen, vooral bij verhoogde temperaturen, en maakt hogere bedrijfstemperaturen mogelijk - vaak meer dan 200°C, vergeleken met de typische limiet van silicium van 150°C.
• Hogere verzadigde driftsnelheid van elektronen: SiC ondersteunt een verzadigde elektronen driftsnelheid die ongeveer twee keer zo hoog is als die van silicium. Deze eigenschap stelt SiC-apparaten in staat om te werken bij hogere schakelfrequenties, wat leidt tot kleinere passieve componenten (inductoren, condensatoren) in vermogensomvormersystemen, waardoor de vermogensdichtheid toeneemt en het systeemvolume afneemt.
• Verbeterde stralingshardheid: De sterke atoom bindingen in SiC maken het inherent beter bestand tegen stralingsschade in vergelijking met silicium. Dit maakt SiC-apparaten zeer geschikt voor ruimtevaart-, defensie- en nucleaire energietoepassingen waar stralingstolerantie een kritieke vereiste is.

Deze inherente voordelen betekenen dat SiC-apparaten kleiner, sneller, efficiënter en betrouwbaarder kunnen zijn dan hun silicium-tegenhangers, met name in veeleisende toepassingen. Dit vertaalt zich in tastbare voordelen voor inkoopmanagers en technische kopers, waaronder lagere systeemkosten, verbeterde energie-efficiëntie en een langere levensduur van het product.

Key SiC Applications in the Semiconductor Ecosystem

De superieure eigenschappen van siliciumcarbide hebben een divers scala aan toepassingen binnen de halfgeleiderindustrie ontsloten, wat innovatie en efficiëntieverbeteringen stimuleert. Wanneer ingenieurs en inkoopspecialisten materialen evalueren, benadrukt het begrijpen van deze specifieke use cases de waardepropositie van SiC.

SiC-technologie maakt doorbraken op verschillende belangrijke gebieden mogelijk:

• Vermogenselektronica: Dit is wellicht het belangrijkste gebied voor SiC.
  • Omvormers en converters: Gebruikt in elektrische voertuigen (EV's) voor tractie-omvormers, on-board chargers (OBC's) en DC-DC-omvormers. SiC maakt een hogere efficiëntie mogelijk, wat leidt tot een groter bereik van EV's en sneller opladen. Zonne-omvormers en windturbine-omvormers profiteren ook van de efficiëntie en vermogensdichtheid van SiC.
  • Voedingen: Industriële voedingen, serverfarm-PSU's en telecommunicatierectifiers maken gebruik van SiC voor een lager energieverbruik en kleinere vormfactoren.
  • Motoraandrijvingen: Op SiC gebaseerde variabele frequentie-aandrijvingen (VFD's) voor industriële motoren bieden betere controle en energiebesparing.
• Radio Frequentie (RF) Apparaten:
  • Radarsystemen: De hoge vermogensdichtheid en thermische geleidbaarheid van SiC zijn ideaal voor hoogvermogen RF-transistors in militaire radar- en communicatiesystemen.
  • Draadloze Communicatie: Basisstationversterkers en andere RF-componenten profiteren van de prestaties van SiC bij hoge frequenties.
• Hoge-temperatuurelektronica:
  • Ruimtevaart en defensie: Motorbesturingen, actuatoren en sensoren in vliegtuigen en defensiesystemen die in extreme temperatuuromgevingen werken.
  • Olie- en gasexploratie: Downhole-boorapparatuur en sensoren vereisen elektronica die bestand is tegen hoge temperaturen en drukken, een domein waarin SiC uitblinkt.
• Automotive (buiten de aandrijflijn): Hoewel EV's een belangrijke aanjager zijn, wordt SiC ook gebruikt in andere autosystemen die een robuust energiebeheer vereisen.
• Industriële verwarming en lassen: Hoogvermogen SiC-apparaten worden gebruikt in inductieverwarmingssystemen en geavanceerde lasapparatuur.
• LED-verlichting: Hoewel de LED's zelf vaak GaN-op-SiC of andere materialen zijn, kunnen de voedingen en drivers voor hoogvermogen LED-systemen profiteren van SiC-componenten voor verbeterde efficiëntie en levensduur.

De volgende tabel geeft een samenvatting van enkele belangrijke toepassingen en de benutte SiC-voordelen:

Toepassingsgebied	Specifieke use case	Belangrijkste SiC-voordelen die worden gebruikt	Doelindustrieën
Vermogenselektronica	EV-tractie-omvormers, on-board chargers	Hoge efficiëntie, hoge vermogensdichtheid, werking bij hoge temperaturen	Automotive, hernieuwbare energie
Vermogenselektronica	Zonne-omvormers, windturbine-omvormers	Hoge efficiëntie, minder koeling nodig, lange levensduur	Hernieuwbare energie
Vermogenselektronica	Industriële motoraandrijvingen	Energiebesparing, precieze controle, robuustheid	Industriële Productie
RF-apparaten	Radarsystemen, basisstationversterkers	Hoog vermogen, hoge frequentie, thermische stabiliteit	Lucht- en ruimtevaart, defensie, telecommunicatie
High-Temperature Elektronica	Sensoren voor boringen, Motorbesturingen	Hoge bedrijfstemperatuur, stralingshardheid	Olie en gas, Lucht- en ruimtevaart, Kernenergie
Productie van halfgeleiders	Wafelklemmen, Susceptors, Ringen	Hoge zuiverheid, thermische uniformiteit, chemische inertheid, duurzaamheid	Halfgeleider

Dit diverse toepassingslandschap onderstreept de veelzijdigheid en cruciale rol van SiC bij het bevorderen van moderne elektronica in een groot aantal industrieën met grote belangen.

Material Properties: SiC Grades for Semiconductor Purity

Niet alle siliciumcarbide is gelijk, vooral als het gaat om de veeleisende eisen van de halfgeleiderindustrie. De specifieke kristalstructuur (polytype) en het zuiverheidsniveau van SiC zijn cruciale factoren die de geschiktheid ervan voor verschillende halfgeleidertoepassingen bepalen. Voor inkoopmanagers en ingenieurs is het begrijpen van deze onderscheidingen essentieel voor het inkopen van de juiste materialen.

De belangrijkste SiC-polytypen die relevant zijn voor halfgeleiderapparaten zijn:

• 4H-SiC: Dit is momenteel het meest dominante polytype voor vermogenselektronische apparaten vanwege zijn superieure eigenschappen, waaronder een hogere elektronenmobiliteit en meer isotrope eigenschappen in vergelijking met andere polytypen. Dit vertaalt zich in een lagere aanweerstand en betere algehele prestaties van het apparaat. Het is het materiaal bij uitstek voor MOSFET's en Schottky-dioden met hoge spanning.
• 6H-SiC: In het verleden was 6H-SiC gebruikelijker en gemakkelijker van hoge kwaliteit te kweken. Hoewel het een lagere elektronenmobiliteit heeft dan 4H-SiC, wordt het nog steeds gebruikt voor bepaalde specifieke toepassingen, waaronder bepaalde hoogfrequente apparaten en als substraat voor GaN-epitaxie.
• 3C-Si Dit polytype heeft de hoogste elektronenmobiliteit van alle SiC-polytypen en kan theoretisch worden gekweekt op siliciumsubstraten, waardoor de kosten mogelijk worden verlaagd. Het bereiken van hoogwaardige, defectvrije 3C-SiC op grote Si-wafels blijft echter een aanzienlijke uitdaging, waardoor de commerciële adoptie ervan voor reguliere vermogensapparaten wordt beperkt. Onderzoek gaat door vanwege de veelbelovende theoretische voordelen.

Naast polytypes is zuiverheid van het grootste belang. SiC van halfgeleiderkwaliteit, met name voor substraten en epitaxiale lagen, vereist een extreem hoge zuiverheidsgraad (vaak >99,999%). Verontreinigingen kunnen ongewenste elektronische toestanden introduceren, de dichtheid van defecten verhogen en de prestaties en betrouwbaarheid van het apparaat aantasten. De productieprocessen voor SiC van halfgeleiderkwaliteit, zoals Physical Vapor Transport (PVT) voor de groei van bulkkristallen en Chemical Vapor Deposition (CVD) voor epitaxie, worden nauwkeurig gecontroleerd om deze zuiverheidsniveaus te bereiken.

Belangrijke overwegingen voor halfgeleiderkwaliteit SiC zijn onder meer:

• Micropipe Density (MPD): Micropijpen zijn holle schroefdislocaties die dodelijke defecten kunnen veroorzaken in SiC-apparaten. Een lage MPD (idealiter nul) is cruciaal voor de productie van grote apparaten met een hoge opbrengst.
• Basale vlakdislocatie (BPD) dichtheid: BPD's kunnen bipolaire degradatie veroorzaken in SiC-apparaten. Aanzienlijke O&O-inspanningen richten zich op het verminderen van de BPD-dichtheid in SiC-substraten en epilagen.
• Oppervlaktekwaliteit: Atomair gladde oppervlakken met minimale schade onder het oppervlak zijn essentieel voor daaropvolgende epitaxiale groei en fabricage van apparaten. Dit vereist precieze polijst- en reinigingstechnieken.
• Doping Uniformiteit: Voor geleidende SiC-substraten en epilagen is een uniforme verdeling van doteringsmiddelen (zoals stikstof voor n-type of aluminium voor p-type) cruciaal voor consistente apparaatkenmerken.

Technische kopers moeten ervoor zorgen dat hun SiC-leveranciers materialen kunnen leveren met het specifieke polytype, de zuiverheid en de defectkenmerken die nodig zijn voor hun doeltoepassingen. Gedetailleerde productspecificatiebladen en kwaliteitscertificeringen zijn in dit opzicht essentieel.

Overcoming Manufacturing Hurdles: SiC Wafer Production

De reis van siliciumcarbide van grondstof tot een afgewerkte halfgeleiderwafel is vol technische uitdagingen. Hoewel de eigenschappen van SiC zeer wenselijk zijn, maken de inherente hardheid en chemische stabiliteit de verwerking aanzienlijk complexer en duurder dan traditioneel silicium. Het begrijpen van deze hindernissen is belangrijk om de waarde en doorlooptijden te waarderen die verband houden met hoogwaardige SiC-wafels.

Belangrijke productie-uitdagingen zijn onder meer:

• Kristalgroei (Boule-productie):
  • Hoge Temperaturen: SiC sublimeert in plaats van smelt bij atmosferische druk, waardoor groeitemperaturen van meer dan 2000°C vereist zijn (meestal via Physical Vapor Transport – PVT). Het handhaven van stabiele en uniforme hoge temperaturen is een belangrijke technische prestatie.
  • Defectcontrole: Het beheersen van kristallografische defecten zoals micropijpen, schroefdislocaties en stapelfouten tijdens de groei van boules is uiterst moeilijk. Deze defecten kunnen de opbrengst en prestaties van het apparaat ernstig beïnvloeden.
  • Langzame Groeisnelheden: De kristalgroei van SiC is een langzaam proces, waardoor de doorvoer wordt beperkt en de kosten toenemen.
  • Dotering: Het bereiken van uniforme en gecontroleerde dotering (n-type of p-type) tijdens de groei is complex vanwege de hoge temperaturen die daarbij betrokken zijn.
• Wafelsnijden en -vormen:
  • Hardheid: SiC is een van de hardste synthetische materialen (Mohs-hardheid van 9,0-9,5), waardoor het erg moeilijk is om boules in wafels te snijden en ze vervolgens te vormen. Met diamant geïmpregneerde draadzagen en slijpgereedschap zijn nodig, maar deze slijten snel, wat de kosten verhoogt.
  • Materiaalverlies: Snij- en slijpprocessen kunnen leiden tot aanzienlijk materiaalverlies (kerfverlies).
• Polijsten en Vlak maken:
  • Het bereiken van atomair gladde oppervlakken: Het creëren van schadevrije, atomair vlakke oppervlakken die nodig zijn voor epitaxie is een proces in meerdere stappen waarbij mechanisch slijpen, lappen en chemisch-mechanisch polijsten (CMP) betrokken zijn. Elke stap moet nauwkeurig worden gecontroleerd om schade onder het oppervlak te verwijderen die door eerdere stappen is veroorzaakt.
  • Oppervlakteruwheid: De oppervlakteruwheid van het doeloppervlak ligt vaak in het angstromgebied (bijvoorbeeld <0,5 nm RMS).
• Epitaxiale groei:
  • Hoogwaardige Lagen: Het kweken van dunne, nauwkeurig gedoteerde SiC-epitaxiale lagen (meestal via Chemical Vapor Deposition – CVD) met een lage defectdichtheid op SiC-substraten is cruciaal voor de fabricage van apparaten. Het handhaven van stoichiometrie en uniformiteit over grote wafels is een uitdaging.
  • Dikte van de driftlaag en dopingcontrole: Voor vermogensapparaten moeten de dikte en de dopingconcentratie van de driftlaag nauwkeurig worden gecontroleerd om de gewenste doorslagspanning en de aan-weerstand te bereiken.
• Kosten: De combinatie van complexe processen, gespecialiseerde apparatuur, hoog energieverbruik, trage groeisnelheden en hardheid van het materiaal draagt ertoe bij dat SiC-wafers aanzienlijk duurder zijn dan siliciumwafers. Door voortdurende O&O en schaalvoordelen dalen deze kosten echter geleidelijk.

Om deze uitdagingen het hoofd te bieden is veel expertise nodig op het gebied van materiaalkunde, kristalgroei, precisiemechanica en chemische verwerking. Bedrijven die gespecialiseerd zijn in de productie van SiC-wafers investeren veel in R&D om de kristalkwaliteit te verbeteren, de waferdiameter te vergroten (momenteel in de richting van 200 mm), de defectdichtheid te verlagen en de productiekosten te verlagen. Voor technische inkopers is het van cruciaal belang om samen te werken met leveranciers die een goede staat van dienst hebben in het omgaan met deze complexe productietechnieken om een stabiele aanvoer van wafers van hoge kwaliteit te garanderen.

Designing Next-Generation Semiconductor Devices with SiC

De overstap naar siliciumcarbide opent nieuwe grenzen voor het ontwerp van halfgeleiderapparaten, waardoor ingenieurs componenten kunnen creëren die de prestatiebeperkingen van silicium overtreffen. Het effectief benutten van de unieke eigenschappen van SiC vereist echter een zorgvuldige afweging tijdens de ontwerpfase. Ingenieurs moeten hun aanpak aanpassen om rekening te houden met zowel de voordelen als de specifieke kenmerken van SiC.

Belangrijke ontwerpoverwegingen voor op SiC gebaseerde halfgeleiderapparaten zijn onder meer:

• Strategie voor thermisch beheer:
  • Hoewel SiC een uitstekende thermische geleidbaarheid heeft, betekent de hogere vermogensdichtheid die kan worden bereikt dat een effectieve warmteafvoer nog steeds van het grootste belang is. Ontwerpoverwegingen zijn onder meer materialen voor het aanbrengen van de chip, substraatkeuzes en het algehele pakketontwerp om efficiënte thermische paden weg van het actieve SiC-apparaat te garanderen.
  • De mogelijkheid om bij hogere junctietemperaturen te werken, kan koelsystemen vereenvoudigen, maar moet worden meegenomen in de betrouwbaarheids- en levensduurberekeningen van de hele module.
• Ontwerp van de gate-driver (voor SiC MOSFET's):
  • SiC MOSFET's vereisen vaak verschillende gate-drijvingsspanningsniveaus (bijv. een hogere positieve spanning voor volledige verbetering, soms een negatieve spanning voor robuuste uitschakeling) in vergelijking met silicium-IGBT's of MOSFET's.
  • Snellere schakelsnelheden van SiC-apparaten vereisen gate-drivers met lage parasitaire inductanties en de mogelijkheid om hoge piekstromen te leveren om de gate-capaciteit snel op te laden en te ontladen. Dit minimaliseert de schakelverliezen.
  • Beschermingsfuncties zoals desaturatie (Desat)-detectie en kortsluitbeveiliging moeten worden geoptimaliseerd voor de kenmerken van SiC.
• Lay-out en parasitair beheer:
  • De hoge schakelsnelheden (dV/dt en dI/dt) van SiC-apparaten kunnen problemen met parasitaire inductanties en capaciteiten in het apparaatpakket en de omliggende circuits verergeren. Dit kan leiden tot spanningsoverschrijdingen, ringing en EMI-problemen.
  • Zorgvuldige lay-out, het minimaliseren van lusinductanties en het gebruik van geschikte ontkoppelcondensatoren zijn cruciaal. Geavanceerde verpakkingsoplossingen, waaronder direct-bonded copper (DBC)-substraten en multi-chip modules, worden vaak gebruikt.
• Parallel schakelen van apparaten:
  • Voor toepassingen met hoge stromen kan het nodig zijn meerdere SiC-apparaten parallel te schakelen. De positieve temperatuurcoëfficiënt van de aanweerstand in SiC MOSFET's helpt bij het delen van de stroom, maar een zorgvuldig ontwerp van de gate-aandrijving en symmetrische lay-outs zijn nog steeds essentieel om thermische runaway te voorkomen en een evenwichtige stroomverdeling te garanderen.
• Body Diode-eigenschappen (SiC MOSFET's):
  • De intrinsieke body diode van SiC MOSFET's heeft andere eigenschappen dan de body diodes van silicium MOSFET's, en vertoont vaak een hogere spanningsval in voorwaartse richting. Hoewel geschikt voor sommige toepassingen, kan in andere toepassingen die frequent vrijlopen vereisen, een externe SiC Schottky-diode samen worden verpakt of parallel worden gebruikt voor betere prestaties.
  • Nieuwere generaties SiC MOSFET's beschikken over verbeterde body diode-prestaties.
• De voordelen van de hoge temperatuur benutten:
  • Ontwerpen kunnen gebruikmaken van het vermogen van SiC om betrouwbaar te werken bij junctietemperaturen van 175°C of zelfs 200°C en hoger. Dit kan de grootte en kosten van koelsystemen verminderen of werking in ruwere omgevingsomstandigheden mogelijk maken. De omliggende componenten en verpakkingsmaterialen moeten echter ook voor deze temperaturen geschikt zijn.
• Afwegingen tussen kosten en prestaties:
  • Hoewel SiC-apparaten superieure prestaties bieden, zijn ze over het algemeen duurder dan hun silicium-tegenhangers. Ontwerpers moeten de voordelen op systeemniveau (bijvoorbeeld minder koeling, kleinere passieven, hogere efficiëntie) evalueren om de componentkosten te rechtvaardigen. In veel toepassingen wegen de besparingen op systeemniveau op tegen de hogere kosten van het apparaat.

Succesvol ontwerpen met SiC omvat een holistische benadering, waarbij de wisselwerking tussen het apparaat, de verpakking, de gate-driver en de algemene systeemtopologie in overweging wordt genomen. Samenwerking met ervaren SiC-componentfabrikanten kan waardevolle inzichten en toepassingsondersteuning bieden om ontwerpen te optimaliseren voor maximale prestaties en betrouwbaarheid.

The Role of Customization in SiC for Semiconductors

Hoewel standaard, kant-en-klare siliciumcarbide-componenten aan veel behoeften in de halfgeleiderindustrie voldoen, vereist de zoektocht naar geoptimaliseerde prestaties, unieke vormfactoren en toepassingsspecifieke kenmerken vaak aangepaste SiC-oplossingen. Maatwerk stelt ingenieurs en ontwerpers in staat SiC-eigenschappen en -geometrieën af te stemmen op hun precieze eisen, waardoor verdere efficiëntie en concurrentievoordelen worden ontsloten. Dit geldt met name voor gespecialiseerde onderdelen voor halfgeleiderproductieapparatuur (klemmen, ringen, susceptors) en geavanceerde apparaatsubstraten of epitaxiale lagen.

Voordelen van aangepaste SiC-oplossingen in de halfgeleidersfeer zijn onder meer:

• Geoptimaliseerde prestaties: Aangepaste dopingprofielen, specifieke kristaloriëntaties of unieke epitaxiale laagsstructuren kunnen worden ontworpen om apparaateigenschappen zoals doorslagspanning, aanweerstand of schakelsnelheid voor een bepaalde toepassing te verbeteren.
• Specifieke geometrieën en vormfactoren: Halfgeleiderproductie omvat ingewikkelde apparatuur waarbij componenten zoals SiC-susceptors, waferklemmen of randringen in precieze afmetingen moeten passen. Maatwerk zorgt voor perfecte integratie en optimale thermische of plasma-uniformiteit.
• Verbeterd thermisch beheer: Aangepaste SiC-warmteverdelers of -substraten kunnen worden ontworpen met specifieke diktes en oppervlakteafwerkingen om de warmteafvoer voor hoogvermogenmodules te maximaliseren.
• Integratie met andere materialen: Aangepaste SiC-componenten kunnen worden ontworpen voor verlijming of integratie met andere materialen, waardoor complexe moduleassemblages mogelijk worden.
• Verbeterde materiaalzuiverheid of specifieke kwaliteiten: Sommige geavanceerde toepassingen vereisen mogelijk nog hogere zuiverheidsniveaus of specifieke SiC-polytypen die niet algemeen verkrijgbaar zijn als standaardproducten. Maatwerkproductie kan aan deze niche-eisen voldoen.

De groeiende vraag naar op maat gemaakte oplossingen heeft geleid tot de opkomst van gespecialiseerde leveranciers. Een belangrijk wereldwijd centrum voor dergelijke expertise bevindt zich in Weifang City, China, waar meer dan 40 siliciumcarbideproductiebedrijven van verschillende grootte gevestigd zijn. Deze bedrijven zijn samen goed voor meer dan 80% van China's totale productie van siliciumcarbide. Binnen dit dynamische ecosysteem onderscheidt Sicarb Tech zich. Sinds 2015 hebben we een belangrijke rol gespeeld bij het introduceren en implementeren van geavanceerde productietechnologie voor siliciumcarbide en hebben we lokale bedrijven aanzienlijk geholpen bij het realiseren van grootschalige productie en technologische vooruitgang. Onze grote betrokkenheid heeft ons in staat gesteld om getuige te zijn van en bij te dragen aan de opkomst en voortdurende ontwikkeling van dit vitale SiC-industriecentrum.

Sicarb Tech, dat opereert onder de paraplu van het Chinese Academy of Sciences (Weifang) Innovation Park en in nauwe samenwerking met het National Technology Transfer Center van de Chinese Academy of Sciences , maakt gebruik van de formidabele wetenschappelijke en technologische capaciteiten van de Chinese Academy of Sciences. We bieden een robuust platform voor het aanpassen van SiC-producten, ondersteund door een professioneel topteam dat gespecialiseerd is in de productie op maat van een breed scala aan SiC-componenten. Onze expertise omvat materiaalwetenschap, procestechniek, ontwerpoptimalisatie en nauwkeurige meet- en evaluatietechnologieën. Deze geïntegreerde aanpak, van grondstoffen tot eindproducten, stelt ons in staat om te voldoen aan diverse en complexe aanpassingsbehoeften voor de halfgeleiderindustrie en daarbuiten, waardoor oplossingen van hogere kwaliteit en concurrerende kosten worden gegarandeerd.

Quality Assurance and Testing in SiC Components

De uitzonderlijke prestatiekenmerken van siliciumcarbide-apparaten kunnen alleen worden gerealiseerd als de onderliggende materialen en componenten voldoen aan strenge kwaliteitsnormen. Voor halfgeleidertoepassingen, waarbij zelfs kleine onvolkomenheden kunnen leiden tot defecten aan het apparaat of verminderde prestaties, zijn robuuste kwaliteitsborging (QA) en uitgebreide testprotocollen ononderhandelbaar. Inkoopmanagers en ingenieurs moeten prioriteit geven aan leveranciers die een onwrikbare toewijding aan kwaliteitscontrole tonen gedurende het hele SiC-fabricageproces.

Belangrijke aspecten van QA en testen voor SiC-componenten van halfgeleiderkwaliteit zijn onder meer:

• Materiaal karakterisering:
  • Polytype-verificatie: Technieken zoals Raman-spectroscopie of röntgendiffractie (XRD) worden gebruikt om het juiste SiC-polytype (bijv. 4H-SiC, 6H-SiC) te bevestigen.
  • Zuiverheidsanalyse: Glow Discharge Mass Spectrometry (GDMS) of Secondary Ion Mass Spectrometry (SIMS) kan sporenelementverontreinigingen bepalen.
  • Weerstandsmapping: Vierpunts sondemetingen of wervelstroommethoden brengen de weerstandsverdeling over wafers in kaart om de dopinguniformiteit te garanderen.
• Defectmetrologie:
  • Micropipe Density (MPD): Geautomatiseerde optische inspectie na KOH-etsen of niet-destructieve technieken zoals fotoluminescentie (PL)-mapping of röntgentopografie (XRT) worden gebruikt om micropijpen te tellen en in kaart te brengen.
  • Dislocatiedichtheid: Vergelijkbare technieken (etsen, PL, XRT) worden gebruikt om andere dislocaties te kwantificeren, zoals Basal Plane Dislocations (BPD's) en Threading Screw Dislocations (TSD's).
  • Stapelfouten: PL-beeldvorming is bijzonder effectief voor het identificeren van stapelfouten in epilagen.
• Beoordeling van de oppervlakte- en ondergrondse kwaliteit:
  • Oppervlakteruwheid: Atomic Force Microscopy (AFM) meet de oppervlakteruwheid op de angstrom- of nanometerschaal.
  • Oppervlakteverontreiniging: Total Reflection X-ray Fluorescence (TXRF) of Vapor Phase Decomposition (VPD) gevolgd door ICP-MS kan metallische verontreinigingen op het oppervlak detecteren.
  • Schade onder het oppervlak: Technieken zoals cross-sectionele Transmission Electron Microscopy (TEM) of gespecialiseerd etsen kunnen beschadigde lagen van slijpen of polijsten onthullen.
• Dimensionale metrologie:
  • Nauwkeurige meting van waferdiameter, dikte, buiging, kromtrekken en vlakheid van de site met behulp van geautomatiseerde metrologietools.
  • Voor aangepaste componenten verifiëren CMM (Coordinate Measuring Machines) of optische profilometrie kritische afmetingen en toleranties.
• Epitaxiale laagkarakterisering:
  • Dikte-uniformiteit: Fourier Transform Infrared Spectroscopy (FTIR) of spectroscopische ellipsometrie.
  • Dopingconcentratie en uniformiteit: Capacitance-Voltage (CV)-metingen, SIMS.
  • Oppervlaktemorfologie: Nomarski-microscopie, AFM.
• Elektrische tests (voor afgewerkte apparaten of teststructuren):
  • Probing op de wafer van parameters zoals doorslagspanning, on-state weerstand, lekstroom en drempelspanning.
  • Dynamische tests om schakelkarakteristieken te evalueren.
• Procescontrole en traceerbaarheid:
  • Statistical Process Control (SPC) gedurende de productie.
  • Lot traceerbaarheid van grondstof tot eindproduct.
  • Naleving van industrienormen (bijv. SEMI-normen voor wafers).

Betrouwbare SiC-leveranciers investeren zwaar in geavanceerde meetapparatuur en handhaven rigoureuze QA-systemen. Ze moeten uitgebreide gegevensbladen, conformiteitscertificaten en gedetailleerde testrapporten voor hun producten kunnen verstrekken. Voor aangepaste componenten is de gezamenlijke ontwikkeling van een kwaliteitsplan, met daarin kritische parameters en inspectiemethoden, vaak nuttig. Dit zorgt ervoor dat het uiteindelijke SiC-product consistent voldoet aan de hoge eisen van de halfgeleiderfabricage en de prestaties van het apparaat.

Toekomstige trends: SiC verlegt de grenzen van halfgeleiders

De impact van siliciumcarbide op de halfgeleiderindustrie is al enorm, maar de technologie is verre van statisch. Voortdurend onderzoek en ontwikkeling verleggen voortdurend de grenzen van SiC-mogelijkheden, wat nog spannendere ontwikkelingen in de komende jaren belooft. Voor bedrijven in de halfgeleider-, auto-, ruimtevaart- en energiesector is het van cruciaal belang om op de hoogte te blijven van deze trends om ontwerpen toekomstbestendig te maken en een concurrentievoordeel te behouden.

Belangrijke toekomstige trends in SiC-technologie zijn onder meer:

• Grotere waferdiameters: De overgang van 150 mm (6 inch) naar 200 mm (8 inch) SiC-wafers is in volle gang. Grotere wafers verminderen de kosten per matrijs aanzienlijk, waardoor SiC-apparaten economisch concurrerender worden met silicium. Onderzoek verkent ook de haalbaarheid van 300 mm (12 inch) SiC-wafers, hoewel dit aanzienlijke technische uitdagingen met zich meebrengt.
• Verbeterde kristalkwaliteit en defectreductie: De primaire focus blijft gericht op het verminderen van defectdichtheden (micropijpen, BPD's, TSD's) in SiC-substraten en epilagen. Lagere defectdichtheden leiden tot hogere apparaatopbrengsten, verbeterde betrouwbaarheid en de mogelijkheid om grotere, krachtigere SiC-chips te produceren.
• Geavanceerde epitaxietechnieken: Innovaties in CVD-processen, waaronder nieuwe precursors en reactorontwerpen, zijn gericht op snellere groeisnelheden, betere uniformiteit op grote wafers en nauwkeurigere controle over doteringsprofielen en laagdiktes. Dit omvat de ontwikkeling van dikkere driftlagen voor apparaten met ultrahoge spanning (>10 kV).
• Nieuwe apparaatstructuren:
  • SiC Trench MOSFET's: Hoewel planaire SiC MOSFET's gebruikelijk zijn, bieden trench-gate-structuren