Substrat och wafers av kiselkarbid

Kiselkarbid är ett anpassningsbart halvledarmaterial som kan dopas med kväve, bor och aluminium för att bilda olika halvledarkomponenter som används i en rad olika applikationer.

Kiselkarbidsubstrat kan massproduceras med hjälp av PVT-teknik, vilket gör massproduktionen mer kostnadseffektiv än safirsubstrat. Ledande tillverkare som Wolfspeed och Infineon har redan etablerat 8-tums produktionslinjer.

Hårdhet

Substrat och wafers av kiselkarbid (SiC) är specialiserade halvledarmaterial som används vid produktion av kraftelektronik, särskilt applikationer som kräver höga spännings- och temperaturnivåer. SiC har överlägsen hårdhet jämfört med mer vanligt förekommande material som kisel; eftersom det kan motstå högre elektriska fält än sin motsvarighet, möjliggör SiC idealisk användning under svåra förhållanden samt ökad energieffektivitet.

Tillverkning av kiselkarbidsubstrat kan vara en komplicerad process med många variabler som måste hanteras noggrant. Den börjar med råmaterial tillverkat av kiseldioxid, som sedan måste malas till fint pulver innan det blandas med vatten för att bilda enkristallin kiselkarbid och sublimeras under extrema temperaturer för att producera enkristallina kiselkarbidkristaller. När de väl har producerats måste de poleras noggrant för att uppfylla kriterierna för epitaxial tillväxt och vara fria från sprickor, repor eller andra ojämnheter som kan försämra kvaliteten på de epitaxiala skikten.

Kiselkarbidsubstrat kräver mycket exakt bearbetning för att ge resultat av hög kvalitet, och ytkvaliteten spelar en avgörande roll för den efterföljande epitaxiella tillväxten, enhetens prestanda och tillverkningskostnaderna. Sköra substrat kan spricka under påfrestningar vid tillverkningen, vilket leder till skador som ytterligare höjer produktionskostnaderna. En kiselkarbidskivas hårdhet kan mätas med hjälp av Brinells hårdhetstest, där en belastning läggs på och den resulterande runda avtrycksdiametern mäts.

Hög temperatur

Kiselkarbid (SiC) är en innovativ halvledarförening som består av kisel och kol. SiC-wafers har överlägsna egenskaper jämfört med traditionella kiselhalvledare, vilket har gjort dem till pionjärer inom avancerad teknik, särskilt inom kraftelektronik. Med större elektrisk fältstyrka vid genombrott och tre gånger större bandgap än sina motsvarigheter i kisel kan SiC snart revolutionera ett antal industrier över hela världen.

SiC-substraten klarar höga temperaturer, vilket gör dem lämpliga för höghastighets- och högspänningsapplikationer. Dessutom har dessa substrat en låg värmeutvidgningskoefficient, vilket gör att tillverkarna kan få plats med fler transistorer på ett chip utan att ändra form eller storlek när temperaturen varierar.

Tillverkarna producerar vanligtvis kubisk SiC med hjälp av antingen kemisk ångdeposition eller Acheson-processen. Kemisk ångdeposition innebär att en speciell blandning av gaser placeras i ett förseglat hålrum med hög temperatur för att initiera kristalltillväxt; Acheson använder en liknande inställning men använder istället elektronstråleteknik - effektivare men dock mer komplicerat! Båda metoderna kräver stora mängder energi, utrustning och kunskap för att lyckas.

Efter att ha producerat en stor kristall skärs den till enskilda wafers för att användas vid tillverkning av halvledarchips med antingen n-typ- eller p-typstruktur med antingen kisel- eller galliumnitridsubstrat.

Låg koefficient för termisk expansion

Kiselkarbidsubstrat har låga värmeutvidgningskoefficienter, vilket innebär att deras expansion eller kontraktion inte nämnvärt förändrar underliggande enheter eller chip. Detta gör dem lämpliga för applikationer där högspänningsenheter skulle orsaka skada, t.ex. sådana som arbetar med mycket höga spänningsnivåer, som annars skulle kunna generera tillräckligt med värme för att orsaka irreparabelt fel på dem.

Kiselkarbidens låga värmeutvidgning gör den också till ett attraktivt substrat för astronomiska teleskop som kräver stabila optiska ytor för maximal prestanda. Dessutom gör dess styvhet, hårdhet och värmeledningsförmåga det till en lämplig ersättning för traditionella glasmaterial som magnesiumfluorid. Att tillverka polykristallina SiC-skivor med diametrar på upp till 3,5 meter har dessutom visat sig vara revolutionerande för stora observatorier som Herschel och Gaia, som redan använder SiC-speglar i sina teleskopsystem.

SiC är ett sällsynt grundämne som framställs på konstgjord väg genom att pulver sublimeras under höga temperaturer och vakuum och sedan får komponenterna växa ovanpå en kristallyta. Tyvärr är denna komplexa process mycket svår att kontrollera med höga felfrekvenser som äventyrar waferkvaliteten; endast ett fåtal utvalda företag i världen har denna kapacitet (kinesiska SICC ligger i framkant med sitt 12-tums substrat och andra tillverkare som Semisic, Synlight Crystal och TankeBlue arbetar mot liknande mål).

Kapacitet för högspänning

Kiselkarbid är ett utmärkt val för applikationer som kräver hög spänningskapacitet, tack vare sin överlägsna styrka. Materialet tål högre elektriska fält utan att spricka, samtidigt som det växlar nästan tio gånger snabbare än kisel, vilket gör enheterna mindre och mer energieffektiva.

SiC, en förkortning för kiselkarbid, är en halvledarförening som består av kisel och kol som hålls samman av starka tetraedriska bindningar. Den kan dopas med kväve eller fosfor för att bilda en halvledare av n-typ, medan beryllium, bor, aluminium eller gallium kan tillsättas för dopning för att producera halvledare av p-typ. Kiselkarbid förekommer naturligt i små mängder i moissanitmineral, men all kommersiellt tillgänglig kiselkarbid tillverkas syntetiskt med hjälp av sintringsprocessen, precis som den som används för att tillverka volframkarbid som används för att tillverka slipskivor eller keramiska plattor som finns inuti skottsäkra västar.

Nuvarande tillverkare skapar kubiska SiC-wafers genom antingen PVT (pressure-vapor transport) eller kemisk förångningsdeposition, där den senare metoden innebär att gaser blandas i en vakuummiljö innan de deponeras på substrat där de genomgår förångning och kristallisering - detta kräver noggrann temperaturreglering för att undvika sprickbildning i sprött material; Wolfspeed äger alla aspekter av enkristalltillväxt inklusive skivning och wafering för kvalitetssäkring av sina produkter.