Od 4 palcov do 8 palcov: Dekáda rastu SiC polovodičov

V roku 2013 sa priemysel opýtal, či je vôbec možné komercializovať karbid kremíka. O desať rokov neskôr poháňa SiC elektromobily a obnoviteľnú energiu – a skutočná konkurencia sa presunula na materiály, vybavenie a výrobné výnosy. Za desaťročie sa doštičky SiC zväčšili zo 4 palcov na 8 palcov, keď sa epitaxné zariadenie postupne rozvinulo. Okrem samotného plátku, povlaky CVD SiC, Solid CVD SiC a TaC povlaky teraz udržujú spoľahlivý chod zariadení odolných voči vysokej teplote. VETEK Semiconductor dodáva všetky tri materiálové riešenia pre výrobu SiC v mierke.

Dekáda transformácie SiC: Od laboratórneho materiálu k bežnému výkonovému polovodiču

SiC sa v roku 2013 presunul zo sľubného laboratórneho materiálu na bežnú technológiu, ktorá dnes podporuje elektromobily, výkonovú elektroniku a konverziu energie – a zameranie priemyslu sa presunulo od overovania technológie k zvládnutiu výroby vo veľkom meradle.

Nižšie uvedená tabuľka sumarizuje, ako sa zmenili priority priemyslu SiC za posledné desaťročie.

2013 vs. dnešok: Ako sa posunulo zameranie priemyslu SiC

Hlavná výzva komercializácie SiC: Technológia epitaxie

Epitaxné zariadenie bolo vždy technickým prekážkou pre komercializáciu SiC – pokrok v tomto odvetví je možné sledovať priamo prostredníctvom vývoja epitaxných reaktorov, od skorých 6-palcových platforiem až po dnešné automatizované 150 mm/200 mm systémy.

V roku 2013 sa komercializácia SiC zrýchľovala a výrobcovia zariadení súperili predovšetkým o 6-palcovú (150 mm) schopnosť epitaxie SiC. Semiconductor Today informoval o niekoľkých reprezentatívnych systémoch v tom čase:

Reprezentatívne zariadenie SiC Epitaxy, 2013

Tieto skoré systémy boli navrhnuté tak, aby riešili štyri problémy: dosiahnutie 6-palcovej SiC epitaxie, zlepšenie uniformity epitaxnej vrstvy, zníženie hustoty defektov a splnenie potrieb skorej komercializácie výkonových zariadení.

Ako sa rýchlo rozširovalo prijatie elektromobilov, infraštruktúra nabíjania elektromobilov, solárne a úložné systémy a trhy s priemyselnou energiou, dopyt po zariadeniach SiC primerane rástol – a epitaxné zariadenia sa vyvinuli z malosériových platforiem výskumu a vývoja na systémy novej generácie, ktoré sú určené na výrobu vo veľkom meradle. Dnešné reprezentatívne platformy zahŕňajú:

Reprezentatívne zariadenie SiC Epitaxy, dnes

Zo 4 palcov na 8 palcov: Ako škálovanie plátkov znižuje náklady a zvyšuje výkon

Každý krok nahor v priemere plátku SiC – zo 4 palcov na 6 palcov a teraz smerom k 8 palcov – existuje s cieľom zvýšiť produkciu na plátok a znížiť výrobné náklady a priemysel je teraz uprostred prechodu zo 6 palcov na 8 palcov.

V roku 2013 priemysel SiC presadzoval prechod zo 4-palcových na 6-palcové doštičky. Spoločnosti vrátane Cree, Dow Corning, Showa Denko a Norstel v tom čase rozširovali svoje 6-palcové substráty SiC a kapacitu epitaxie. Cieľ prechodu na väčšie plátky bol jednoduchý: zvýšiť výstup na plátok, znížiť výrobné náklady a zlepšiť škálovateľnosť v celom odvetví.

O viac ako desať rokov neskôr tá istá logika teraz vedie k posunu zo 6 palcov na 8 palcov. GlobalWafers, tretí najväčší výrobca kremíkových doštičiek na svete, uviedol, že výroba 8-palcových SiC doštičiek v celom odvetví by sa v rokoch 2025 – 2026 prudko zrýchlila – prechod, ktorý sa len dva roky predtým považoval za nereálny (GlobalWafers, 2023). Onsemi a Resonac sa podobne zamerali na rok 2025 na kvalifikovanie a rozširovanie 8-palcových SiC substrátov a epitaxných doštičiek (Compound Semiconductor News, 2024).

Čo sa zmení, keď sa oblátky SiC zväčšia

S rastúcimi požiadavkami na priemer a kvalitu doštičiek sa materiály a komponenty zariadení používané počas výrobného procesu stali rovnako rozhodujúcimi pre pokrok SiC ako samotné plátky.

Beyond the Wafer: Prečo sú komponenty zariadenia rovnako dôležité ako čipy SiC

SiC doštičky, MOSFETy a výkonové moduly získavajú väčšinu pozornosti, ale komponenty zariadenia vo vnútri epitaxných reaktorov a reaktorov na rast kryštálov čelia rovnako extrémnym podmienkam – a samotný tradičný grafit už nestačí na splnenie dnešných požiadaviek.

Diskusie o priemysle SiC sa zvyčajne zameriavajú na tri veci: doštičky SiC, MOSFETy SiC a výkonové moduly. V praxi sú komponenty zariadenia používané na ich výrobu rovnako dôležité. Vo vnútri epitaxných reaktorov, pecí na rast kryštálov a iných vysokoteplotných polovodičových procesov musia vnútorné komponenty odolať:

• Prostredie s veľmi vysokou teplotou

• Korozívne procesné plyny ako H2 a HCl

• Prísne požiadavky na čistotu, aby sa zabránilo kontaminácii plátku

Tradičný grafit ponúka silný tepelný výkon, ale pri dlhodobom používaní je náchylný na povrchovú koróziu, tvorbu častíc a skrátenú životnosť – to všetko priamo ohrozuje výťažnosť plátku a konzistenciu procesu. Toto je medzera, ktorú technológia CVD SiC povlakov čoraz viac uzatvára.

CVD SiC povlak: Technológia za spoľahlivým vysokoteplotným zariadením

Epitaxia SiC a povlak SiC sú dve odlišné technológie slúžiace na rôzne účely – epitaxia vytvára samotný polovodičový materiál, zatiaľ čo povlak CVD SiC chráni zariadenie, ktoré ho vyrába.

SiC epitaxia sa používa na výrobu polovodičového materiálu. Naproti tomu povlak SiC CVD sa aplikuje predovšetkým na kritické vnútorné komponenty polovodičových zariadení, aby sa zlepšila ich odolnosť voči vysokým teplotám a korózii.

SiC epitaxia vs. SiC povlak: dve rôzne technológie 

Ako funguje kompozit grafit + SiC

CVD SiC potiahnuté grafitové komponenty sú teraz široko používané v SiC epitaxných zariadeniach, MOCVD zariadeniach, LED epitaxných zariadeniach a RTP/RTA zariadeniach na tepelné spracovanie. Nanesenie hustej SiC vrstvy na vysoko čistý grafit spája silné stránky oboch materiálov:

Prečo Graphite + SiC funguje ako kompozit

Pokročilé materiálové riešenia SiC spoločnosti VETEK Semiconductor

Keďže tretia generácia polovodičov sa neustále rozširuje, VETEK Semiconductor dodáva tri doplnkové materiálové riešenia – CVD SiC potiahnutý grafit, Solid CVD SiC a TaC povlaky – navrhnuté pre špecifické tepelné a chemické požiadavky výrobných zariadení SiC.

CVD SiC potiahnuté grafitové komponenty

VETEK CVD SiC potiahnuté grafitové komponenty sa používajú v SiC epitaxných susceptoroch, MOCVD nosičoch, plátkových nosičoch, Halfmoon Components a Semiconductor Thermal Components.

• Vysoko čistý SiC povlak

• Vynikajúca tepelná rovnomernosť

• Vysokoteplotná stabilita

• Silná odolnosť proti korózii

VETEK CVD SiC potiahnuté grafitové komponenty pre SiC epitaxiu, MOCVD a polovodičové tepelné aplikácie.

Pevné CVD SiC komponenty

Pre pokročilé leptacie a vysokoteplotné procesy poskytuje Solid CVD SiC vyšší stupeň materiálového výkonu. Typické aplikácie zahŕňajú Focus Rings, RTP/EPI komponenty a plazmové procesné komponenty.

• Hustá, neporézna štruktúra

• Extrémne nízka tvorba častíc

• Vynikajúca odolnosť voči plazme

• Dlhá životnosť

Pevné CVD SiC zaostrovacie krúžky a plazmaprocesné komponenty pre pokročilé etch a RTP/EPI aplikácie.

TaC povlak Solutions

Keďže rastové teploty kryštálov SiC stále rastú, povlaky karbidu tantalu (TaC) sa stali dôležitým materiálom pre extrémne vysokoteplotné tepelné polia. TaC ponúka vyššiu teplotnú stabilitu, vynikajúcu odolnosť voči oxidácii a vynikajúcu chemickú stabilitu – vhodné pre zariadenia na rast kryštálov SiC, komponenty vysokoteplotného tepelného poľa a prostredia na výrobu polovodičov tretej generácie.

Komponenty horúcej zóny s povlakom TaC navrhnuté pre rast kryštálov SiC pri veľmi vysokých teplotách.

Tieto tri produktové rady spoločne riešia rôzne tepelné a chemické požiadavky, ktoré sa vyskytujú v rámci výrobného reťazca SiC:

Stručný prehľad troch materiálových riešení SiC spoločnosti VETEK

Často kladené otázky

1. Aký je rozdiel medzi SiC epitaxiou a SiC povlakom?

SiC epitaxia vytvára vrstvu kryštalického karbidu kremíka na výrobu polovodičových doštičiek a zariadení. Povlak SiC (CVD SiC) nanáša tenkú, hustú vrstvu SiC na grafit alebo iné substráty na ochranu komponentov zariadenia pred teplom a koróziou. Slúžia na rôzne účely v rámci toho istého výrobného reťazca.

2. Prečo je grafit pokrytý SiC namiesto toho, aby sa používal samostatne?

Čistý grafit má vynikajúcu tepelnú vodivosť a stabilitu, ale koroduje a vytvára častice, keď je vystavený vysokým teplotám a plynom, ako je H2 a HCl v priebehu času. Hustý povlak CVD SiC dodáva tvrdosť, chemickú odolnosť a stabilitu pri vysokej teplote, pričom zachováva tepelný výkon grafitu.

3. Na čo sa používa Solid CVD SiC?

Pevný CVD SiC je plne hustý, neporézny karbid kremíka používaný v pokročilých leptacích a vysokoteplotných procesoch, vrátane zaostrovacích prstencov, komponentov RTP/EPI a častí plazmového procesu – aplikácie, ktoré vyžadujú extrémne nízku tvorbu častíc a dlhú životnosť.

4. Prečo potrebuje rast kryštálov SiC povlaky TaC?

Keďže procesy rastu kryštálov SiC smerujú k vyšším teplotám, komponenty horúcej zóny potrebujú materiály, ktoré odolávajú oxidácii a zostávajú chemicky stabilné pri extrémnych teplotách. Povlaky TaC ponúkajú vyššiu teplotnú stabilitu ako samotný grafit, vďaka čomu sú vhodné pre pece na rast kryštálov SiC a komponenty vysokoteplotného tepelného poľa.

5. Prečo sa priemysel presúva zo 6-palcových na 8-palcové SiC doštičky?

Väčšie doštičky zvyšujú počet matríc na doštičku, čo znižuje výrobné náklady na čip a zlepšuje škálovateľnosť. Výrobcovia plátkov a čipov teraz kvalifikujú 8-palcové substráty SiC a epitaxné plátky, aby uspokojili rastúci dopyt po elektrických vozidlách, obnoviteľnej energii a priemyselnej výkonovej elektronike.

Zhrnutie: Výroba SiC vstúpila do éry konkurencie v schopnosti procesov

Definujúca otázka priemyslu SiC sa zmenila – od toho, či je možné materiál komercializovať, až po to, ako efektívne, čisto a dôsledne ho možno vyrábať vo veľkom meradle.

V roku 2013 bola ústrednou otázkou odvetvia, či je možné SiC vôbec komercializovať. Dnes, o viac ako desať rokov neskôr, táto otázka znie: ako môžu byť produkty SiC vyrábané s vyššou účinnosťou, menším počtom defektov a vyššou stabilitou?

Keďže priemysel SiC pokračuje v expanzii, väčšie priemery plátkov, modernizovaná epitaxná technológia a optimalizované výrobné zariadenia zostávajú hlavnými smermi rozvoja priemyslu. Súčasne sa vysoko čisté CVD SiC povlaky, pevné CVD SiC a TaC materiály stávajú kľúčovými technológiami na zabezpečenie stability výroby polovodičov.

VETEK Semiconductor sa naďalej zameriava na pokročilé polovodičové materiály a poskytuje spoľahlivé materiálové riešenia pre SiC epitaxiu, rast kryštálov a vysokoteplotnú výrobu polovodičov – podporuje ďalšiu generáciu polovodičového priemyslu.

O VETEK Semiconductor

VETEK Semiconductor navrhuje a vyrába CVD SiC potiahnutý grafit, pevné CVD SiC a TaC poťahové komponenty pre SiC epitaxiu, MOCVD, rast kryštálov a vysokoteplotné polovodičové zariadenia. Tento článok pripravil tím materiálového inžinierstva spoločnosti VETEK, pričom vychádzal z priemyselných správ od spoločnosti Semiconductor Today a súčasnej analýzy trhu s doštičkami SiC a odráža priame skúsenosti spoločnosti VETEK s dodávkou komponentov do výrobných liniek SiC.

Odkazované zdroje: Semiconductor Today (odvetvová funkcia z roku 2013); Verejné vyhlásenia GlobalWafers (2023); Compound Semiconductor News (2024); Analýza cien doštičiek SiC Patsnap Eureka (2025). Údaje a špecifikácie zariadení pre produkty VETEK sú založené na internej produktovej dokumentácii.