Was sind die Herausforderungen bei der Herstellung von SiC-Substraten?

Während sich die Halbleitertechnologie in Richtung höherer Frequenzen, höherer Temperaturen, höherer Leistung und geringerer Verluste weiterentwickelt und verbessert, sticht Siliziumkarbid als das führende Halbleitermaterial der dritten Generation hervor und ersetzt nach und nach herkömmliche Siliziumsubstrate. Siliziumkarbidsubstrate bieten deutliche Vorteile, wie z. B. eine größere Bandlücke, höhere Wärmeleitfähigkeit, überlegene kritische elektrische Feldstärke und höhere Elektronenmobilität, und werden zur idealen Option für Hochleistungs-, Hochleistungs- und Hochfrequenzgeräte in Spitzenbereichen wie NEVs, 5G-Kommunikation, Photovoltaik-Wechselrichtern und Luft- und Raumfahrt.

Herausforderungen bei der Herstellung hochwertiger Siliziumkarbid-Substrate

Die Herstellung und Verarbeitung hochwertiger Siliziumkarbid-Substrate ist mit äußerst hohen technischen Hürden verbunden. Während des gesamten Prozesses, von der Rohmaterialvorbereitung bis zur Herstellung des fertigen Produkts, bestehen zahlreiche Herausforderungen, die zu einem entscheidenden Faktor geworden sind, der die großtechnische Anwendung und industrielle Aufwertung einschränkt.

1. Herausforderungen bei der Rohstoffsynthese

Die Grundrohstoffe für das Wachstum von Siliziumkarbid-Einkristallen sind Kohlenstoffpulver und Siliziumpulver. Sie sind während ihrer Synthese anfällig für Verunreinigungen durch Umweltverunreinigungen, und die Entfernung dieser Verunreinigungen ist schwierig. Diese Verunreinigungen wirken sich negativ auf die Qualität des SiC-Kristalls aus. Außerdem kann eine unvollständige Reaktion zwischen Siliziumpulver und Kohlenstoffpulver leicht zu einem Ungleichgewicht im Si/C-Verhältnis führen, was die Stabilität der Kristallstruktur beeinträchtigt. Die präzise Regulierung der Kristallform und Partikelgröße im synthetisierten SiC-Pulver erfordert eine strenge Nachbearbeitung und erhöht somit die technischen Hürden bei der Rohstoffvorbereitung.

2. Herausforderungen beim Kristallwachstum

Das Wachstum von Siliziumkarbidkristallen erfordert Temperaturen über 2300 °C, was hohe Anforderungen an die Hochtemperaturbeständigkeit und die Präzision der thermischen Steuerung von Halbleitergeräten stellt. Im Gegensatz zu monokristallinem Silizium weist Siliziumkarbid extrem langsame Wachstumsraten auf. Mit der PVT-Methode können beispielsweise nur 2 bis 6 Zentimeter Siliziumkarbidkristall in sieben Tagen gezüchtet werden. Dies führt zu einer geringen Produktionseffizienz für Siliziumkarbid-Substrate, was die gesamte Produktionskapazität stark einschränkt.  Darüber hinaus verfügt Siliziumkarbid über 200 Kristallstrukturtypen, wobei nur wenige Strukturtypen wie 4H-SiC verwendbar sind. Daher ist eine strenge Kontrolle der Parameter unerlässlich, um polymorphe Einschlüsse zu vermeiden und die Produktqualität sicherzustellen.

3. Herausforderungen bei der Kristallverarbeitung

Da die Härte von Siliziumkarbid nach Diamant an zweiter Stelle steht, erhöht dies die Schwierigkeit des Schneidens erheblich. Während des Schneidvorgangs kommt es zu erheblichen Schnittverlusten, wobei die Verlustrate etwa 40 % erreicht, was zu einer äußerst geringen Materialausnutzungseffizienz führt. Aufgrund seiner geringen Bruchzähigkeit neigt Siliziumkarbid während der Dünnbearbeitung zu Rissen und Kantenabplatzungen. Darüber hinaus stellen nachfolgende Halbleiterfertigungsprozesse äußerst hohe Anforderungen an die Bearbeitungsgenauigkeit und Oberflächenqualität von Siliziumkarbid-Substraten, insbesondere hinsichtlich Oberflächenrauheit, Ebenheit und Verzug. Dies stellt erhebliche verarbeitungstechnische Herausforderungen beim Dünnen, Schleifen und Polieren von Siliziumkarbid-Substraten dar.

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