Herausforderungen bei der SiC-Herstellung: Pulverreinheit, Kristallblock-Uniformität und mehr

Unter den vielen Halbleitermaterialien mit großer Bandlücke SiliciumcarbidSiliziumkarbid (SiC) hat sich zu einem Werkstoff entwickelt, der insbesondere im Bereich der Hochleistungsumwandlung viel Aufmerksamkeit erregt hat. Es findet breite Anwendung in Traktionswechselrichtern und On-Board-Ladegeräten für Elektrofahrzeuge (EVs) sowie in Infrastrukturbereichen wie DC-Schnellladung, Solarwechselrichtern, Energiespeichersystemen und unterbrechungsfreien Stromversorgungen (USV). Siliciumcarbid wird seit über hundert Jahren in der Massenproduktion eingesetzt, anfangs vor allem als Schleifmittel, hat sich aber auch bei Hochspannungs- und Hochleistungsanwendungen als hervorragend erwiesen.

Siliziumkarbid zeichnet sich durch hohe Wärmeleitfähigkeit, hohe Sättigungs-Elektronendriftgeschwindigkeit und hohe Durchbruchfeldstärke aus (siehe Abbildung 1). Dadurch können Systeme auf Siliziumkarbidbasis mit deutlich reduzierten Energieverlusten und höheren Schaltgeschwindigkeiten arbeiten. Im Vergleich zu herkömmlichen Silizium-MOSFETs und IGBTs bietet Siliziumkarbid diese Vorteile bei kompakterer Bauweise, höherem Wirkungsgrad und verbesserter Leistung.

Abb. 1:Eigenschaften von Silizium und Materialien mit großer Bandlücke

Die Möglichkeiten, die Siliziumkarbid bietet

Für Hersteller stellt Siliziumkarbid einen wichtigen Wettbewerbsvorteil dar, da es die Möglichkeit bietet, energieeffiziente Systeme zu entwickeln und gleichzeitig Größe, Gewicht und Kosten des Gesamtsystems effektiv zu reduzieren. Denn Systeme mit Siliziumkarbid sind im Allgemeinen energieeffizienter, kompakter und langlebiger als Systeme auf Siliziumbasis, und Entwickler können die Kosten durch die Verkleinerung passiver Bauteile senken. Genauer gesagt: Siliziumkarbid-BauteilAufgrund ihrer geringeren Wärmeerzeugung können sie bei niedrigeren Temperaturen als herkömmliche Lösungen für bestimmte Anwendungen eingesetzt werden (siehe Abbildung 2).Dadurch kann Siliziumkarbid die Systemeffizienz steigern und gleichzeitig die Zuverlässigkeit verbessern sowie die Lebensdauer der Geräte verlängern.

Abb. 2: Vorteile von Siliziumkarbid-Anwendungen

Im Design- und Fertigungsprozess kann der Einsatz neuer Chip-Verbindungstechnologien, wie beispielsweise der Sintertechnologie, zu einer effizienteren Wärmeableitung und einer höheren Verbindungszuverlässigkeit beitragen. Siliziumkarbid-Bauelemente ermöglichen höhere Betriebsspannungen und schnellere Schaltzeiten im Vergleich zu Silizium-Bauelementen. Diese Vorteile erlauben es Entwicklern, die Funktionalität auf Systemebene zu optimieren und gleichzeitig die Wettbewerbsfähigkeit zu verbessern. Aktuell nutzen bereits viele Hochleistungsbauelemente, darunter Siliziumkarbiddioden, die Siliziumkarbid-Technologie. Siliziumkarbid-MOSFETs und Siliziumkarbidmodule.

Im Vergleich zu Siliziummaterialien eröffnen die überlegenen Eigenschaften von Siliziumkarbid vielversprechende Perspektiven für neue Anwendungen. Siliziumkarbid-Bauelemente sind typischerweise für Spannungen von mindestens 650 V ausgelegt, insbesondere für Spannungen über 1200 V, wodurch Siliziumkarbid für viele Anwendungen die beste Wahl darstellt. Anwendungen wie Solarwechselrichter, Ladesäulen für Elektrofahrzeuge und industrielle Wechselstrom-Gleichstrom-Wandlung werden zukünftig schrittweise auf Siliziumkarbid-Technologie umgestellt. Ein weiteres Anwendungsgebiet sind Halbleitertransformatoren, bei denen die bestehenden Kupfer- und Magnettransformatoren nach und nach durch Siliziumkarbid-Technologie ersetzt werden, was die Effizienz und Zuverlässigkeit der Energieübertragung und -umwandlung erhöht.

Die Herausforderungen durch Siliziumkarbid

Trotz seines enormen Marktpotenzials steht Siliciumcarbid in der Herstellung vor zahlreichen Herausforderungen. Zunächst muss die Reinheit der Rohstoffe (z. B. Siliciumcarbid-Granulat oder Siliciumcarbid-Pulver) sichergestellt werden. Anschließend werden Siliciumcarbid-Ingots mit hoher Konsistenz hergestellt (siehe Abbildung 3). Durch die gesammelten Erfahrungen in jedem weiteren Verarbeitungsschritt wird die Zuverlässigkeit des Endprodukts gewährleistet (siehe Abbildung 4).

Eine der besonderen Herausforderungen bei Siliciumcarbid besteht darin, dass es keine flüssige Phase aufweist und daher nicht durch herkömmliche Schmelzverfahren kristallisiert werden kann. Das Kristallwachstum muss unter präzise kontrolliertem Druck erfolgen, was die Herstellung von Siliciumcarbid komplexer macht als die von Silicium. In Umgebungen mit hohem und niedrigem Druck zersetzt sich Siliciumcarbid direkt in gasförmige Substanzen, ohne dabei flüssige Phasen zu durchlaufen. Aufgrund dieser Eigenschaft werden Siliciumcarbidkristalle häufig mittels Sublimation oder physikalischer Dampftransferverfahren (PVT) gezüchtet.

Bei diesem Verfahren wird Siliciumcarbidpulver in einem Tiegel in einem Ofen auf hohe Temperaturen (über 2200 °C) erhitzt. Beim Sublimieren des Siliciumcarbids kristallisiert es auf dem Impfkristall und bildet Kristalle. Der Impfkristall, dessen Durchmesser dem des Rohlings ähnelt, ist entscheidend für das Kristallwachstum nach dem PVT-Verfahren. Die Wachstumsrate ist sehr gering und beträgt etwa 0,1 bis 0,5 mm pro Stunde.

Abb. 3:Siliciumcarbidpulver, Kristallblöcke und Wafer

Die Herstellung von Wafern ist aufgrund der extrem hohen Härte von Siliziumkarbid im Vergleich zu Silizium deutlich komplexer geworden. Siliziumkarbid ist ein extrem hartes Material, das selbst mit einer Diamantsäge schwer zu schneiden ist. Diese Härte unterscheidet sich stark von der vieler anderer Halbleitermaterialien. Zwar stehen derzeit verschiedene Verfahren zum Schneiden des Ingots in Wafer zur Verfügung, doch können diese häufig Defekte im Einkristall verursachen, was die Endqualität des Materials beeinträchtigt.

Abb. 4: Der Herstellungsprozess von Siliciumcarbid von den Rohmaterialien bis zum Endprodukt

Darüber hinaus steht die Massenproduktion von Siliziumkarbid vor mehreren Herausforderungen. Im Vergleich zu Silizium weist Siliziumkarbid mehr inhärente Defekte auf. Sein Dotierungsprozess ist hochkomplex, und die Herstellung großflächiger Wafer mit weniger Defekten ist mit höheren Fertigungs- und Verarbeitungskosten verbunden. Daher ist die Etablierung eines effizienten und strengen Entwicklungsprozesses von Anfang an entscheidend, um die Produktion von Produkten gleichbleibend hoher Qualität zu gewährleisten.

Abb. 5: Herausforderungen – Siliziumkarbid-Wafer und Defekte