Ewolucja półprzewodników napędzana technologią SiC

Przemysł półprzewodników znajduje się w ciągłym stanie ewolucji, napędzanej nieustannym zapotrzebowaniem na mniejsze, szybsze i bardziej wydajne urządzenia elektroniczne. Ponieważ tradycyjne technologie oparte na krzemie zbliżają się do swoich teoretycznych granic, pojawiają się nowe materiały, które przesuwają granice wydajności. Wśród nich węglik krzemu (SiC) wyróżnił się jako materiał transformacyjny, szczególnie w zastosowaniach wysokiej mocy, wysokiej częstotliwości i wysokiej temperatury. Ten wpis na blogu bada kluczową rolę SiC w trwającej ewolucji półprzewodników, zagłębiając się w jego zalety, zastosowania i kwestie związane z pozyskiwaniem niestandardowych komponentów SiC.

Krajobraz półprzewodników w transformacji

Od dziesięcioleci krzem (Si) jest niekwestionowanym koniem roboczym przemysłu półprzewodników. Jednak rosnące gęstości mocy, częstotliwości robocze i trudne warunki środowiskowe w nowoczesnych zastosowaniach — od pojazdów elektrycznych po infrastrukturę 5G i systemy energii odnawialnej — ujawniają ograniczenia krzemu. Parametry takie jak napięcie przebicia, przewodność cieplna i ruchliwość elektronów w krzemie są rozciągane do ich wykonalnych maksimów. W tym miejscu wkraczają półprzewodniki o szerokiej przerwie energetycznej (WBG), przede wszystkim węglik krzemu. SiC oferuje doskonałe właściwości materiałowe, które bezpośrednio przekładają się na znaczne ulepszenia wydajności w urządzeniach półprzewodnikowych, zapowiadając nową erę elektroniki mocy i zaawansowanych systemów półprzewodnikowych. Przejście na SiC to nie tylko stopniowa aktualizacja; to fundamentalna zmiana, która umożliwia zupełnie nowe możliwości i wydajność w wielu branżach.

Dlaczego SiC zmienia zasady gry dla półprzewodników

Znaczenie węglika krzemu w przemyśle półprzewodników nie jest przypadkowe; jest to bezpośredni wynik jego wyjątkowych właściwości materiałowych, które pozwalają na wydajność urządzeń znacznie przekraczającą wydajność konwencjonalnego krzemu. Te zalety mają kluczowe znaczenie dla inżynierów i projektantów, którzy chcą tworzyć elektronikę mocy nowej generacji i systemy o wysokiej wydajności.

• Wyższe natężenie pola elektrycznego przebicia: SiC posiada pole elektryczne przebicia około dziesięciokrotnie wyższe niż krzem. Umożliwia to urządzeniom SiC blokowanie znacznie wyższych napięć w znacznie cieńszej warstwie, co prowadzi do mniejszych rozmiarów urządzeń i niższego rezystancji w stanie włączenia dla danego napięcia znamionowego. Ma to kluczowe znaczenie dla konwersji i dystrybucji mocy wysokiego napięcia.
• Doskonała przewodność cieplna: SiC wykazuje przewodność cieplną około trzy razy lepszą niż krzem. Umożliwia to urządzeniom SiC skuteczniejsze rozpraszanie ciepła, pozwalając im na pracę w wyższych temperaturach i gęstościach mocy bez konieczności stosowania nieporęcznych systemów chłodzenia. Ta właściwość zwiększa niezawodność i zmniejsza rozmiar i koszty systemu.
• Szersza przerwa energetyczna: SiC ma przerwę energetyczną około trzy razy szerszą niż krzem (np. ~3,2 eV dla 4H-SiC vs. 1,1 eV dla Si). Ta szersza przerwa energetyczna skutkuje niższymi prądami upływu, szczególnie w podwyższonych temperaturach, i pozwala na wyższe temperatury pracy – często przekraczające 200°C, w porównaniu z typowym limitem krzemu wynoszącym 150°C.
• Wyższa nasycona prędkość dryfu elektronów: SiC obsługuje nasyconą prędkość dryfu elektronów około dwa razy większą niż krzem. Ta charakterystyka umożliwia urządzeniom SiC pracę z wyższymi częstotliwościami przełączania, co prowadzi do mniejszych komponentów pasywnych (cewek, kondensatorów) w systemach konwerterów mocy, zwiększając w ten sposób gęstość mocy i zmniejszając objętość systemu.
• Zwiększona odporność na promieniowanie: Silne wiązania atomowe w SiC sprawiają, że jest on z natury bardziej odporny na uszkodzenia radiacyjne w porównaniu z krzemem. Dzięki temu urządzenia SiC są wysoce odpowiednie dla zastosowań lotniczych, obronnych i energetyki jądrowej, gdzie odporność na promieniowanie jest krytycznym wymaganiem.

Te nieodłączne korzyści oznaczają, że urządzenia SiC mogą być mniejsze, szybsze, bardziej wydajne i bardziej niezawodne niż ich krzemowe odpowiedniki, szczególnie w wymagających zastosowaniach. Przekłada się to na wymierne korzyści dla menedżerów ds. zaopatrzenia i nabywców technicznych, w tym obniżone koszty systemu, poprawioną efektywność energetyczną i dłuższą żywotność produktu.

Kluczowe zastosowania SiC w ekosystemie półprzewodników

Doskonałe właściwości węglika krzemu odblokowały szeroki zakres zastosowań w przemyśle półprzewodników, napędzając innowacje i poprawę wydajności. Gdy inżynierowie i specjaliści ds. zaopatrzenia oceniają materiały, zrozumienie tych konkretnych przypadków użycia podkreśla propozycję wartości SiC.

Technologia SiC umożliwia przełomy w kilku kluczowych obszarach:

• Elektronika mocy: Jest to prawdopodobnie najważniejszy obszar dla SiC.
  • Falowniki i konwertery: Używane w pojazdach elektrycznych (EV) do falowników trakcyjnych, ładowarek pokładowych (OBC) i konwerterów DC-DC. SiC zapewnia wyższą wydajność, co prowadzi do dłuższego zasięgu EV i szybszego ładowania. Falowniki słoneczne i konwertery turbin wiatrowych również korzystają z wydajności i gęstości mocy SiC.
  • Zasilacze: Przemysłowe zasilacze, zasilacze serwerów i prostowniki telekomunikacyjne wykorzystują SiC w celu zmniejszenia zużycia energii i mniejszych rozmiarów.
  • Napędy silnikowe: Napędy o zmiennej częstotliwości (VFD) oparte na SiC dla silników przemysłowych oferują lepszą kontrolę i oszczędność energii.
• Istniejące zobowiązania mogą wpływać na czas realizacji.
  • Systemy radarowe: Wysoka gęstość mocy i przewodność cieplna SiC są idealne dla tranzystorów RF dużej mocy w radarach wojskowych i systemach komunikacyjnych.
  • Obszerne szlifowanie, docieranie, polerowanie lub powlekanie wydłużą całkowity czas produkcji. Wzmacniacze stacji bazowych i inne komponenty RF korzystają z wydajności SiC przy wysokich częstotliwościach.
• Elektronika wysokotemperaturowa:
  • Przemysł lotniczy i obronny: Sterowanie silnikiem, siłowniki i czujniki w samolotach i systemach obronnych działających w ekstremalnych warunkach temperaturowych.
  • Eksploracja ropy i gazu: Sprzęt wiertniczy i czujniki wymagają elektroniki, która wytrzyma wysokie temperatury i ciśnienia, w czym SiC przoduje.
• Motoryzacja (poza układem napędowym): Chociaż pojazdy elektryczne są głównym motorem napędowym, SiC znajduje również zastosowanie w innych systemach motoryzacyjnych wymagających solidnego zarządzania energią.
• Ogrzewanie przemysłowe i spawanie: Urządzenia SiC dużej mocy są używane w systemach ogrzewania indukcyjnego i zaawansowanym sprzęcie spawalniczym.
• Oświetlenie LED: Chociaż same diody LED są często GaN-on-SiC lub innych materiałów, zasilacze i sterowniki dla systemów LED dużej mocy mogą korzystać z komponentów SiC w celu poprawy wydajności i trwałości.

Poniższa tabela podsumowuje niektóre kluczowe zastosowania i wykorzystane zalety SiC:

Obszar zastosowania	Konkretny przypadek użycia	Kluczowe wykorzystane zalety SiC	Poniższa tabela podsumowuje niektóre kluczowe korzyści SiC-CIM:
Elektronika mocy	Falowniki trakcyjne EV, ładowarki pokładowe	Wysoka wydajność, du	Motoryzacja, Odnawialne Źródła Energii
Elektronika mocy	Inwertery słoneczne, konwertery turbin wiatrowych	Wysoka wydajność, zmniejszone zapotrzebowanie na chłodzenie, trwałość	Energia odnawialna
Elektronika mocy	Przemysłowe napędy silnikowe	Oszczędność energii, precyzyjna kontrola, wytrzymałość	Produkcja przemysłowa
Urządzenia RF	Systemy radarowe, wzmacniacze stacji bazowych	Wysoka moc wyjściowa, wysoka częstotliwość, stabilność termiczna	Lotnictwo, Obrona, Telekomunikacja
Elektronika wysokotemperaturowa	Czujniki do wierceń wgłębnych, sterowanie silnikiem	Wysoka temperatura pracy, odporność na promieniowanie	Przemysł naftowy i gazowy, lotnictwo, energetyka jądrowa
Produkcja półprzewodników	Uchwyty do płytek, susceptory, pierścienie	Wysoka czystość, jednorodność termiczna, obojętność chemiczna, trwałość	Półprzewodnik

To zróżnicowane spektrum zastosowań podkreśla wszechstronność i kluczową rolę SiC w rozwoju nowoczesnej elektroniki w wielu branżach o wysokim ryzyku.

Właściwości materiałowe: gatunki SiC dla czystości półprzewodników

Nie wszystkie węgliki krzemu są takie same, zwłaszcza jeśli chodzi o wymagające wymagania przemysłu półprzewodnikowego. Specyficzna struktura krystaliczna (polityp) i poziom czystości SiC są krytycznymi czynnikami, które decydują o jego przydatności do różnych zastosowań półprzewodnikowych. Dla kierowników ds. zaopatrzenia i inżynierów zrozumienie tych różnic jest kluczem do pozyskiwania odpowiednich materiałów.

Podstawowe politypy SiC istotne dla urządzeń półprzewodnikowych to:

• 4H-SiC: Jest to obecnie najbardziej dominujący polityp dla urządzeń energoelektronicznych ze względu na jego doskonałe właściwości, w tym wyższą ruchliwość elektronów i bardziej izotropowe właściwości w porównaniu z innymi politypami. Przekłada się to na niższy opór w stanie włączenia i lepszą ogólną wydajność urządzenia. Jest to materiał z wyboru dla tranzystorów MOSFET wysokiego napięcia i diod Schottky'ego.
• 6H-SiC: Historycznie 6H-SiC był bardziej powszechny i łatwiejszy do wyhodowania w wysokiej jakości. Chociaż ma mniejszą ruchliwość elektronów niż 4H-SiC, jest nadal używany do niektórych specyficznych zastosowań, w tym do niektórych urządzeń wysokiej częstotliwości oraz jako podłoże do epitaksji GaN.
• 3C-SiC (kubiczny SiC): Ten polityp ma najwyższą ruchliwość elektronów wśród politypów SiC i teoretycznie może być hodowany na podłożach krzemowych, potencjalnie zmniejszając koszty. Jednak osiągnięcie wysokiej jakości, wolnego od defektów 3C-SiC na dużych waflach Si pozostaje znaczącym wyzwaniem, ograniczającym jego komercyjne zastosowanie w głównych urządzeniach zasilających. Badania są kontynuowane ze względu na jego obiecujące zalety teoretyczne.

Poza rodzajami polikryształów, najważniejsza jest czystość. SiC klasy półprzewodnikowej, szczególnie w przypadku podłoży i warstw epitaksjalnych, wymaga niezwykle wysokiego poziomu czystości (często >99,999%). Zanieczyszczenia mogą wprowadzać niepożądane stany elektroniczne, zwiększać gęstość defektów oraz pogarszać wydajność i niezawodność urządzenia. Procesy produkcji SiC klasy półprzewodnikowej, takie jak fizyczny transport par (PVT) dla wzrostu kryształów luzem i chemiczne osadzanie z fazy gazowej (CVD) dla epitaksji, są skrupulatnie kontrolowane w celu osiągnięcia tych poziomów czystości.

Kluczowe kwestie dla SiC klasy półprzewodnikowej obejmują:

• Gęstość mikrorur (MPD): Mikrorury to dyslokacje śrubowe z pustym rdzeniem, które mogą być defektami zabójczymi w urządzeniach SiC. Niska MPD (idealnie zero) ma kluczowe znaczenie dla produkcji urządzeń o dużej powierzchni o wysokiej wydajności.
• Gęstość dyslok BPD mogą powodować degradację bipolarną w urządzeniach SiC. Znaczące wysiłki badawczo-rozwojowe koncentrują się na zmniejszeniu gęstości BPD w podłożach i epowarstwach SiC.
• Jakość powierzchni: Gładkie powierzchnie atomowe z minimalnym uszkodzeniem podpowierzchniowym są niezbędne do późniejszego wzrostu epitaksjalnego i wytwarzania urządzeń. Wymaga to precyzyjnego polerowania i czyszczenia.
• Jednorodność domieszkowania: W przypadku przewodzących podłoży i warstw epitaksjalnych SiC, jednorodny rozkład domieszek (takich jak azot dla typu n lub glin dla typu p) ma kluczowe znaczenie dla spójnych charakterystyk urządzenia.

Nabywcy techniczni powinni upewnić się, że ich dostawcy SiC mogą dostarczyć materiały o specyficznym politypie, czystości i charakterystyce defektów wymaganych dla ich docelowych zastosowań. Szczegółowe arkusze specyfikacji materiałowych i certyfikaty jakości są w tym względzie niezbędne.

Pokonywanie przeszkód produkcyjnych: produkcja płytek SiC

Podróż węglika krzemu od surowca do gotowej płytki półprzewodnikowej jest obarczona wyzwaniami technicznymi. Chociaż właściwości SiC są bardzo pożądane, jego nieodłączna twardość i stabilność chemiczna sprawiają, że przetwarzanie jest znacznie bardziej złożone i kosztowne niż w przypadku tradycyjnego krzemu. Zrozumienie tych przeszkód jest ważne dla docenienia wartości i czasu realizacji związanych z wysokiej jakości płytkami SiC.

Kluczowe wyzwania produkcyjne obejmują:

• Wzrost kryształów (produkcja buły):
  • Wysokie temperatury: SiC sublimuje, a nie topi się pod ciśnieniem atmosferycznym, wymagając temperatur wzrostu przekraczających 2000°C (zazwyczaj za pomocą transportu par fizycznych – PVT). Utrzymanie stabilnych i jednorodnych wysokich temperatur jest głównym osiągnięciem inżynieryjnym.
  • Kontrola defektów: Kontrolowanie defektów krystalograficznych, takich jak mikrorury, dyslokacje śrubowe i wady stosu podczas wzrostu buły, jest niezwykle trudne. Defekty te mogą poważnie wpłynąć na wydajność i wydajność urządzenia.
  • Powolne tempo wzrostu: Wzrost kryształów SiC jest powolnym procesem, ograniczającym przepustowość i przyczyniającym się do wyższych kosztów.
  • Wprowadzanie domieszek: Osiągnięcie jednorodnego i kontrolowanego domieszkowania (typu n lub typu p) podczas wzrostu jest złożone ze względu na wysokie temperatury.
• Cięcie i kształtowanie płytek:
  • Twardość: SiC jest jednym z najtwardszych materiałów syntetycznych (twardość w skali Mohsa 9,0-9,5), co sprawia, że bardzo trudno jest pociąć buły na płytki, a następnie je ukształtować. Niezbędne są piły druciane i narzędzia szlifierskie impregnowane diamentem, ale zużywają się one szybko, co zwiększa koszty.
  • Utrata materiału: Procesy cięcia i szlifowania mogą powodować znaczną utratę materiału (utrata szczeliny).
• Polerowanie i planaryzacja:
  • Osiągnięcie powierzchni gładkich atomowo: Tworzenie wolnych od uszkodzeń, płaskich atomowo powierzchni wymaganych do epitaksji to proces wieloetapowy obejmujący szlifowanie mechaniczne, docieranie i polerowanie chemiczno-mechaniczne (CMP). Każdy etap musi być precyzyjnie kontrolowany, aby usunąć uszkodzenia podpowierzchniowe wprowadzone przez poprzednie etapy.
  • Chropowatość powierzchni: Docelowa chropowatość powierzchni często mieści się w zakresie angstremów (np. <0,5 nm RMS).
• Wzrost epitaksjalny:
  • Warstwy wysokiej jakości: Hodowanie cienkich, precyzyjnie domieszkowanych warstw epitaksjalnych SiC (zazwyczaj za pomocą osadzania z fazy gazowej – CVD) o niskiej gęstości defektów na podłożach SiC ma kluczowe znaczenie dla wytwarzania urządzeń. Utrzymanie stechiometrii i jednorodności na dużych waflach jest wyzwaniem.
  • Grubość warstwy dryfowej i kontrola domieszkowania: W przypadku urządzeń zasilających grubość i stężenie domieszek warstwy dryfowej muszą być precyzyjnie kontrolowane, aby osiągnąć pożądane napięcie przebicia i rezystancję w stanie włączenia.
• Koszt: Połączenie złożonych procesów, specjalistycznego sprzętu, wysokiego zużycia energii, powolnego tempa wzrostu i twardości materiału przyczynia się do tego, że wafle SiC są znacznie droższe niż wafle krzemowe. Jednak prowadzone prace badawczo-rozwojowe i korzyści skali stopniowo zmniejszają te koszty.

Pokonanie tych wyzwań wymaga znacznej wiedzy specjalistycznej w zakresie materiałoznawstwa, wzrostu kryształów, mechaniki precyzyjnej i przetwarzania chemicznego. Firmy specjalizujące się w produkcji wafli SiC inwestują znaczne środki w badania i rozwój w celu poprawy jakości kryształów, zwiększenia średnicy wafli (obecnie w kierunku 200 mm), zmniejszenia gęstości defektów i obniżenia kosztów produkcji. Dla nabywców technicznych współpraca z dostawcami, którzy wykazują duże doświadczenie w poruszaniu się po tych złożonościach produkcyjnych, ma kluczowe znaczenie dla zapewnienia stabilnych dostaw wysokiej jakości wafli.

Projektowanie urządzeń półprzewodnikowych nowej generacji z SiC

Przejście na węglik krzemu otwiera nowe granice dla projektowania urządzeń półprzewodnikowych, umożliwiając inżynierom tworzenie komponentów, które przewyższają ograniczenia wydajności krzemu. Jednak skuteczne wykorzystanie unikalnych właściwości SiC wymaga starannego rozważenia podczas fazy projektowania. Inżynierowie muszą dostosować swoje podejścia, aby uwzględnić zarówno zalety, jak i specyficzne cechy SiC.

Kluczowe kwestie projektowe dla urządzeń półprzewodnikowych opartych na SiC obejmują:

• Strategia zarządzania termicznego:
  • Chociaż SiC ma doskonałą przewodność cieplną, wyższe osiągalne gęstości mocy oznaczają, że skuteczne rozpraszanie ciepła jest nadal najważniejsze. Kwestie projektowe obejmują materiały mocujące matrycę, wybór podłoża i ogólną konstrukcję obudowy, aby zapewnić wydajne ścieżki termiczne z dala od aktywnego urządzenia SiC.
  • Możliwość pracy w wyższych temperaturach złącza może uprościć systemy chłodzenia, ale należy ją uwzględnić w obliczeniach niezawodności i żywotności całego modułu.
• Projekt sterownika bramki (dla tranzystorów MOSFET SiC):
  • Tranzystory MOSFET SiC często wymagają różnych poziomów napięcia sterowania bramką (np. wyższe napięcie dodatnie dla pełnego wzmocnienia, czasami napięcie ujemne dla solidnego wyłączenia) w porównaniu z tranzystorami IGBT lub MOSFET krzemowymi.
  • Szybsze prędkości przełączania urządzeń SiC wymagają sterowników bramki o niskich indukcyjnościach pasożytniczych i zdolności do dostarczania wysokich prądów szczytowych w celu szybkiego ładowania i rozładowywania pojemności bramki. Minimalizuje to straty przełączania.
  • Funkcje ochronne, takie jak wykrywanie desaturacji (Desat) i ochrona przed zwarciem, muszą być zoptymalizowane pod kątem charakterystyki SiC.
• Układ i zarządzanie pasożytami:
  • Duże prędkości przełączania (dV/dt i dI/dt) urządzeń SiC mogą nasilać problemy z indukcyjnościami i pojemnościami pasożytniczymi w obudowie urządzenia i otaczających obwodach. Może to prowadzić do przepięć, dzwonienia i problemów z EMI.
  • Krytyczny jest staranny układ, minimalizacja indukcyjności pętli i stosowanie odpowiednich kondensatorów odsprzęgających. Często stosuje się zaawansowane rozwiązania w zakresie obudów, w tym podłoża z bezpośrednio wiązanej miedzi (DBC) i moduły wielowiórowe.
• Paralele urządzeń:
  • W przypadku zastosowań o dużym natężeniu prądu może być konieczne równoległe połączenie wielu urządzeń SiC. Dodatni współczynnik temperaturowy rezystancji w stanie włączenia w tranzystorach MOSFET SiC pomaga w dzieleniu prądu, ale staranne zaprojektowanie sterownika bramki i symetryczne układy są nadal niezbędne, aby zapobiec ucieczce termicznej i zapewnić zrównoważony rozkład prądu.
• Charakterystyka diody ciała (tranzystory MOSFET SiC):
  • Wewnętrzna dioda ciała tranzystorów MOSFET SiC ma inne właściwości niż diody ciała krzemowych tranzystorów MOSFET, często wykazując wyższy spadek napięcia w kierunku przewodzenia. Chociaż nadaje się do niektórych zastosowań, w innych wymagających częstego swobodnego koła, zewnętrzna dioda Schottky'ego SiC może być pakowana razem lub używana równolegle w celu uzyskania lepszej wydajności.
  • Nowsze generacje tranzystorów MOSFET SiC charakteryzują się ulepszoną wydajnością diody ciała.
• Wykorzystanie możliwości wysokotemperaturowych:
  • Konstrukcje mogą wykorzystywać zdolność SiC do niezawodnej pracy w temperaturach złącza 175°C lub nawet 200°C i wyższych. Może to zmniejszyć rozmiar i koszt systemów chłodzenia lub umożliwić pracę w trudniejszych warunkach otoczenia. Jednak otaczające komponenty i materiały opakowaniowe muszą być również przystosowane do tych temperatur.
• Kompromisy między kosztami a wydajnością:
  • Chociaż urządzenia SiC oferują doskonałą wydajność, są one generalnie droższe niż ich krzemowe odpowiedniki. Projektanci muszą ocenić korzyści na poziomie całego systemu (np. zmniejszone chłodzenie, mniejsze elementy pasywne, wyższa wydajność), aby uzasadnić koszt komponentu. W wielu zastosowaniach oszczędności na poziomie systemu przewyższają wyższy koszt urządzenia.

Pomyślne projektowanie z SiC wymaga holistycznego podejścia, uwzględniającego wzajemne oddziaływanie między urządzeniem, jego obudową, sterownikiem bramki i ogólną topologią systemu. Współpraca z doświadczonymi producentami komponentów SiC może zapewnić cenne spostrzeżenia i wsparcie w zakresie zastosowań w celu optymalizacji projektów pod kątem maksymalnej wydajności i niezawodności.

Rola dostosowywania w SiC dla półprzewodników

Chociaż standardowe, gotowe komponenty z węglika krzemu spełniają wiele potrzeb w przemyśle półprzewodnikowym, dążenie do zoptymalizowanej wydajności, unikalnych kształtów i charakter

Korzyści ze stosowania niestandardowych rozwiązań SiC w sferze półprzewodników obejmują:

• Zoptymalizowana wydajność: Niestandardowe profile domieszkowania, specyficzne orientacje krystalograficzne lub unikalne struktury warstw epitaksjalnych mogą być zaprojektowane w celu poprawy charakterystyk urządzeń, takich jak napięcie przebicia, rezystancja w stanie przewodzenia lub prędkość przełączania dla konkretnego zastosowania.
• Specyficzne geometrie i formy: Produkcja półprzewodników obejmuje skomplikowane urządzenia, w których elementy, takie jak uchwyty SiC, uchwyty płytek lub pierścienie krawędziowe, muszą pasować do precyzyjnych wymiarów. Niestandardowa produkcja zapewnia idealną integrację i optymalną jednorodność termiczną lub plazmową.
• Ulepszone zarządzanie ciepłem: Niestandardowe rozpraszacze ciepła lub podłoża SiC mogą być zaprojektowane z określonymi grubościami i wykończeniami powierzchni, aby zmaksymalizować rozpraszanie ciepła w modułach dużej mocy.
• Integracja z innymi materiałami: Niestandardowe komponenty SiC mogą być zaprojektowane do łączenia lub integracji z innymi materiałami, ułatwiając montaż złożonych modułów.
• Ulepszona czystość materiału lub specyficzne gatunki: Niektóre najnowocześniejsze zastosowania mogą wymagać jeszcze wyższych poziomów czystości lub specyficznych polimorfów SiC, które nie są powszechnie dostępne jako produkty standardowe. Produkcja na zamówienie może sprostać tym niszowym wymaganiom.

Uznając rosnące zapotrzebowanie na rozwiązania dostosowane do potrzeb, pojawili się wyspecjalizowani dostawcy. Znaczącym globalnym ośrodkiem takiej wiedzy specjalistycznej jest miasto Weifang w Chinach, które jest domem dla ponad 40 przedsiębiorstw produkujących węglik krzemu różnej wielkości. Przedsiębiorstwa te łącznie odpowiadają za ponad 80% całkowitej produkcji węglika krzemu w Chinach. W tym dynamicznym ekosystemie Sicarb Tech wyróżnia się. Od 2015 roku odgrywamy kluczową rolę we wprowadzaniu i wdrażaniu zaawansowanej technologii produkcji węglika krzemu, znacząco pomagając lokalnym przedsiębiorstwom w osiągnięciu produkcji na dużą skalę i postępu technologicznego. Nasze głębokie zaangażowanie pozwoliło nam być świadkiem i przyczynić się do powstania i ciągłego rozwoju tego ważnego ośrodka przemysłu SiC.

Sicarb Tech, działający pod parasolem Parku Innowacji Chińskiej Akademii Nauk (Weifang) i w ścisłej współpracy z Narodowym Centrum Transferu Technologii Chińskiej Akademii Nauk, wykorzystuje ogromne możliwości naukowe i technologiczne Chińskiej Akademii Nauk. Oferujemy solidną platformę dla dostosowywania produktów SiC, wspieraną przez najwyższej klasy profesjonalny zespół specjalizujący się w produkcji na zamówienie szerokiej gamy komponentów SiC. Nasza wiedza obejmuje naukę o materiałach, inżynierię procesową, optymalizację projektowania oraz skrupulatne technologie pomiaru i oceny. To zintegrowane podejście, od surowców po gotowe produkty, pozwala nam zaspokajać zróżnicowane i złożone potrzeby związane z dostosowywaniem w przemyśle półprzewodnikowym i poza nim, zapewniając wyższą jakość i konkurencyjne kosztowo rozwiązania.

Zapewnienie jakości i testowanie w komponentach SiC

Wyjątkowe charakterystyki działania urządzeń z węglika krzemu można osiągnąć tylko wtedy, gdy materiały i komponenty spełniają rygorystyczne standardy jakości. W przypadku zastosowań w półprzewodnikach, gdzie nawet najmniejsze niedoskonałości mogą prowadzić do awarii urządzenia lub pogorszenia jego działania, solidne zapewnienie jakości (QA) i kompleksowe protokoły testowania są bezwzględne. Kierownicy ds. zaopatrzenia i inżynierowie muszą traktować priorytetowo dostawców, którzy wykazują niezachwiane zaangażowanie w kontrolę jakości w całym procesie produkcji SiC.

Kluczowe aspekty QA i testowania komponentów SiC klasy półprzewodnikowej obejmują:

• Charakterystyka materiału:
  • Weryfikacja polimorfu: Techniki takie jak spektroskopia Ramana lub dyfrakcja rentgenowska (XRD) są używane do potwierdzenia prawidłowego polimorfu SiC (np. 4H-SiC, 6H-SiC).
  • Analiza czystości: Spektrometria masowa z wyładowaniem jarzeniowym (GDMS) lub wtórna spektrometria masowa jonów (SIMS) może określić śladowe zanieczyszczenia pierwiastkowe.
  • Mapowanie rezystywności: Pomiary czteropunktowe lub metody prądów wirowych mapują rozkład rezystywności na płytkach, aby zapewnić jednorodność domieszkowania.
• Metrologia defektów:
  • Gęstość mikrorur (MPD): Zautomatyzowana kontrola optyczna po wytrawianiu KOH lub metody nieniszczące, takie jak mapowanie fotoluminescencji (PL) lub topografia rentgenowska (XRT), są używane do liczenia i mapowania mikrorur.
  • Gęstość dyslokacji: Podobne techniki (trawienie, PL, XRT) są stosowane do ilościowego określania innych dyslokacji, takich jak dyslokacje płaszczyzny podstawowej (BPD) i dyslokacje śrubowe (TSD).
  • Błędy ułożenia: Obrazowanie PL jest szczególnie skuteczne w identyfikacji wad stosu w warstwach epitaksjalnych.
• Ocena jakości powierzchni i podpowierzchni:
  • Chropowatość powierzchni: Mikroskopia sił atomowych (AFM) mierzy chropowatość powierzchni w skali angstremów lub nanometrów.
  • Zanieczyszczenie powierzchni: Fluorescencja rentgenowska całkowitego odbicia (TXRF) lub rozkład fazy par (VPD), a następnie ICP-MS, może wykryć powierzchniowe zanieczyszczenia metalami.
  • Uszkodzenia podpowierzchniowe: Techniki takie jak transmisyjna mikroskopia elektronowa (TEM) w przekroju poprzecznym lub specjalistyczne trawienie mogą ujawnić warstwy uszkodzeń powstałe w wyniku szlifowania lub polerowania.
• Metrologia wymiarowa:
  • Precyzyjny pomiar średnicy płytki, grubości, ugięcia, wypaczenia i płaskości miejsca za pomocą zautomatyzowanych narzędzi metrologicznych.
  • W przypadku komponentów niestandardowych, CMM (współrzędnościowe maszyny pomiarowe) lub profilometria optyczna weryfikują krytyczne wymiary i tolerancje.
• Charakterystyka warstwy epitaksjalnej:
  • Jednolitość grubości: Spektroskopia w podczerwieni z transformacją Fouriera (FTIR) lub spektroskopowa elipsometria.
  • Stężenie domieszkowania i jednorodność: Pomiary pojemnościowo-napięciowe (CV), SIMS.
  • Morfologia powierzchni: Mikroskopia Nomarskiego, AFM.
• Testy elektryczne (dla gotowych urządzeń lub struktur testowych):
  • Sondowanie na płytce parametrów, takich jak napięcie przebicia, rezystancja w stanie przewodzenia, prąd upływu i napięcie progowe.
  • Testy dynamiczne w celu oceny charakterystyk przełączania.
• Kontrola procesów i identyfikowalność:
  • Statystyczna kontrola procesów (SPC) w całym procesie produkcyjnym.
  • Identyfikowalność partii od surowca do gotowego produktu.
  • Zgodność ze standardami branżowymi (np. standardami SEMI dla płytek).

Niezawodni dostawcy SiC inwestują w zaawansowany sprzęt metrologiczny i utrzymują rygorystyczne systemy QA. Powinni być w stanie dostarczyć kompleksowe arkusze danych, certyfikaty zgodności i szczegółowe raporty z testów dla swoich produktów. W przypadku komponentów niestandardowych często korzystne jest wspólne opracowanie planu jakości, określającego krytyczne parametry i metody kontroli. Zapewnia to, że ostateczny produkt SiC konsekwentnie spełnia wysokie wymagania produkcji półprzewodników i wydajności urządzeń.

Przyszłe trendy: SiC przekracza granice półprzewodników

Wpływ węglika krzemu na przemysł półprzewodników jest już ogromny, ale technologia ta daleka jest od statycznej. Trwające badania i rozwój nieustannie przesuwają granice możliwości SiC, obiecując jeszcze bardziej ekscytujące postępy w nadchodzących latach. Dla firm z branży półprzewodników, motoryzacyjnej, lotniczej i energetycznej, bycie na bieżąco z tymi trendami ma kluczowe znaczenie dla zabezpieczenia projektów na przyszłość i utrzymania przewagi konkurencyjnej.

Kluczowe przyszłe trendy w technologii SiC obejmują:

• Większe średnice płytek: Przejście z płytek SiC o średnicy 150 mm (6 cali) na 200 mm (8 cali) jest w toku. Większe płytki znacznie obniżają koszt na matrycę, dzięki czemu urządzenia SiC są bardziej konkurencyjne ekonomicznie w porównaniu z krzemem. Badania analizują również wykonalność płytek SiC o średnicy 300 mm (12 cali), chociaż stanowi to znaczne wyzwania techniczne.
• Ulepszona jakość kryształów i redukcja defektów: Głównym celem pozostaje zmniejszenie gęstości defektów (mikrorury, BPD, TSD) w podłożach i warstwach epitaksjalnych SiC. Niższe gęstości defektów prowadzą do wyższej wydajności urządzeń, poprawionej niezawodności i możliwości produkcji większych, bardziej wydajnych układów SiC.
• Zaawansowane techniki epitaksji: Innowacje w procesach CVD, w tym nowe prekursory i konstrukcje reaktorów, mają na celu szybsze tempo wzrostu, lepszą jednorodność na dużych waflach i bardziej precyzyjną kontrolę nad profilami domieszkowania i grubościami warstw. Obejmuje to rozwój grubszych warstw dryfujących dla urządzeń ultra-wysokonapięciowych (>10 kV).
• Nowatorskie struktury urządzeń:
  • Tranzystory MOSFET SiC: Podczas gdy planarne tranzystory MOSFET SiC są powszechne, struktury bramkowe rowkowe oferują