Vorteile eines Siliziumkarbid-Wafers

Siliciumcarbid-Wafer (SCW) sind Langzeit-Halbleitersubstrate für Anwendungen, die hohe Geschwindigkeiten, hohe Temperaturen und/oder Spannungen erfordern. SCWs bieten hervorragende Bedingungen für diese Anwendungen.

Die Hersteller produzieren kubisches SiC entweder durch Ionenimplantation oder chemische Abscheidung aus der Gasphase sowie verschiedene Polytypen, die durch unterschiedliche Anordnungen von Atomen innerhalb der Kristallstruktur gekennzeichnet sind.

Hohe Wärmeleitfähigkeit

Siliciumcarbid (SiC) wurde 1893 als Schleifmittel für Schleifscheiben und Autobremsen in die Industrie eingeführt. Seitdem haben sich seine Einsatzmöglichkeiten über diese ursprünglichen Verwendungszwecke hinaus auf zahlreiche Halbleiteranwendungen ausgeweitet. Dank seiner einzigartigen physikalischen Eigenschaften, zu denen eine hohe Wärmeleitfähigkeit und eine geringe Wärmeausdehnung gehören, ist SiC eine attraktive Alternative zu herkömmlichen Wafermaterialien wie Silizium.

Aufgrund der großen Bandlücke und der höheren kritischen elektrischen Feldstärke kann Siliziumkarbid höhere Temperaturen und Leistungsdichten als Silizium verkraften. Darüber hinaus ermöglicht seine höhere gesättigte Elektronendriftgeschwindigkeit höhere Schaltfrequenzen und eine schnellere Leistungsumwandlungseffizienz.

Bei der Fotolithografie, dem Verfahren zur Herstellung komplizierter Schaltkreismuster auf Wafern, werden SiC-Substrate durch Masken mit den gewünschten Schaltkreismustern mit UV-Licht belichtet. Nach der Belichtung verändern sich je nach Art des verwendeten Fotolacks die belichteten und unbelichteten Bereiche im Laufe der Zeit chemisch und führen zu einer Übertragung des Musters auf den Wafer.

Das Präzisionsätzen ist der letzte Schritt in der Waferherstellung, bei dem überschüssiges Material durch präzises Abtragen entfernt wird. SiC-Substrate weisen nur sehr wenige Ätzdefekte auf und sind daher ideal für anspruchsvolle Anwendungen wie Leistungselektronik für Elektrofahrzeuge und 5G-Elektronik, bei denen Unvollkommenheiten die Leistung der Geräte beeinträchtigen könnten. MTI-Instrumente ermöglichen es Herstellern, die Qualität während dieser Schritte mit Werkzeugen wie Röntgentopografie, Photolumineszenz-Mapping und Rasterelektronenmikroskopie zu überwachen.

Hohe Widerstandsfähigkeit gegen thermische Schocks

Siliziumkarbid-Wafer können thermischen Schocks sehr gut widerstehen, behalten ihre Festigkeit und Stabilität über einen weiten Temperaturbereich bei und übertreffen Silizium in Leistungshalbleiteranwendungen.

Die Widerstandsfähigkeit von SiC gegenüber schnellen Temperaturschwankungen ist auf seine Struktur zurückzuführen: starke Tetraeder aus Silizium- und Kohlenstoffatomen. Diese Struktur bietet eine ausgezeichnete Säurebeständigkeit, Korrosionsschutz und Druckstabilität und reagiert bei Temperaturen von bis zu 800 Grad Celsius nicht mit geschmolzenen Salzen oder Säuren - Eigenschaften, die SiC von anderen Materialien unterscheiden.

Die hohe Temperaturstabilität von Siliziumkarbid ermöglicht eine hohe Beständigkeit gegen chemische Medien, was es zu einem ausgezeichneten Werkstoff für industrielle Schleifmittel und Automobilbremsen macht. Darüber hinaus ist Siliciumcarbid durch seine mechanische Abriebfestigkeit noch widerstandsfähiger gegen Schlagschäden als seine Konkurrenten.

Siliciumcarbid ist nach Diamant das zweithärteste Material der Welt. Außerdem ist Siliciumcarbid aufgrund seiner hohen Temperaturstabilität ein ausgezeichneter Kandidat für Keramik und Emaille.

Die hervorragenden Leistungseigenschaften von Siliziumkarbid machen es zum perfekten Kandidaten für künftige Entwicklungen in der Leistungshalbleiterindustrie. Da das Mooresche Gesetz an seine Grenzen stößt, wenden sich viele Unternehmen an Siliziumkarbid, um ihren Geräten die erforderliche Leistung und Zuverlässigkeit zu verleihen. Dank seiner hohen elektrischen Leitfähigkeit und seiner Widerstandsfähigkeit gegen chemische Angriffe bei hohen Temperaturen hat sich Siliziumkarbid schnell zu einer der ersten Wahl für Wafer-Tray-Träger und Paddles in Halbleiteröfen sowie für Bauteile wie Thermistoren und Varistoren entwickelt.

Hohe Härte

Siliciumcarbid-Wafer besitzen eine außergewöhnlich harte Oberfläche, die für viele Geräte unerlässlich ist. Mikrochips beispielsweise erfordern eine Härte innerhalb bestimmter Grenzen, um Risse während der Herstellung und des Betriebs zu vermeiden; auch Geräte, die eine hohe Temperaturbeständigkeit und Strahlungsresistenz erfordern, profitieren von seiner überragenden Härte.

SiC-Wafer zeichnen sich durch eine außergewöhnliche Temperaturwechselbeständigkeit aus, so dass sie für schnelle Temperaturwechsel geeignet sind, ohne zu brechen oder zu reißen, was sie besonders für Leistungselektronik- und HF-Anwendungen geeignet macht.

Siliciumcarbid-Wafer weisen eine hervorragende Verschleißfestigkeit auf. SiC findet sich in kugelsicheren Westen oder Extrusionswerkzeugen für Materialien wie Sandpapier und Hochleistungs-Scheibenbremsen und bietet eine zuverlässige Verschleißfestigkeit. SiC verfügt außerdem über ausgezeichnete Strahlungsschutzeigenschaften sowie einen hohen Schmelzpunkt und eine hohe Energiebandlücke, was ebenfalls zu seiner physischen Beständigkeit beiträgt.

SiC kann durch Dotierung, Legierung und Oberflächenbehandlungsverfahren wie Mischkristalldotierung oder Ionenimplantation gehärtet werden; Oberflächenbehandlungen umfassen Beschichtungen und Plattierungen zur Erhöhung der Härte, Verringerung des Verschleißes und Verbesserung der Schmierung. Darüber hinaus kann die Härte auch durch die Steuerung der Korngröße und -gleichmäßigkeit erhöht werden; die Zugabe von härteren Verbindungen oder Pulvern in der Nähe der Korngrenzen erhöht die Härte weiter, indem die Ausbreitung von Versetzungen verhindert wird.

Hohe elektrische Leitfähigkeit

Die Kombination von Silizium aus Sand mit Kohlenstoff aus Kohle führt zu einem erstaunlichen Ergebnis: Siliziumkarbid. Dieses revolutionäre Verbindungshalbleitermaterial kommt in Anwendungen zum Einsatz, die außergewöhnliche Leistungen erfordern, z. B. in der Leistungselektronik und in Hochfrequenzgeräten.

Siliziumkarbid-Wafer erfüllen diese strengen Anforderungen mit Leichtigkeit und weisen eine dreimal höhere Wärmeleitfähigkeit auf als ihr bekannterer Cousin, das Silizium.

SiC-Wafer sind thermisch leistungsfähiger als Silizium-Wafer und können bei höheren Betriebstemperaturen eingesetzt werden, während sie gleichzeitig eine bessere Wärmeableitung bieten, was sie zum idealen Substrat für leistungsintensive Anwendungen macht, die bei hohen Temperaturen arbeiten.

So müssen beispielsweise Wechselrichter für Elektrofahrzeuge mit extrem hohen Spannungen arbeiten und dabei viel Wärme effizient ableiten. SiC zeichnet sich in dieser Hinsicht aus - dank seiner Festigkeit kann es selbst extrem hohen Spannungen problemlos standhalten und bietet gleichzeitig überragende Leistungen wie eine höhere Energieeffizienz und Leistungsdichte.

Für die Herstellung von Siliziumkarbid-Wafern verwenden die Hersteller in der Regel Verfahren der physikalischen oder chemischen Gasphasenabscheidung, um kubische Kristalle aus reinem Silizium zu bilden, die dann zu Wafern geschnitten und poliert werden, die dann für die Herstellung von Bauelementen zu ultraflachen Oberflächen poliert und gereinigt werden können. Die genaue Kontrolle über Dicke und Dotierung erleichtert die Herstellung leistungsfähiger Bauelemente mit höherer Ausbeute, niedrigeren Fehlerkosten und größerer Zuverlässigkeit.