Aufstieg mit dem Substrat: Der Aufstieg der chinesischen SiC-Substrat-Industriekette

1. Einführung in Siliciumcarbid

Siliciumcarbid (SiC) ist ein synthetisch hergestelltes Carbid mit der chemischen Formel SiC und einer Molmasse von 40. Es hat eine Dichte von 3,22 g/cm³, einen hohen Schmelzpunkt von bis zu 2700 °C und eine Mohs-Härte von 9,2–9,8, die nur von Diamant übertroffen wird.

Als Halbleiterwerkstoff der dritten Generation ist Siliziumkarbid eines der idealen Materialien für die Herstellung von Hochtemperatur-, Hochfrequenz-, Hochleistungs- und Hochspannungsbauelementen. Im Vergleich zu herkömmlichem Silizium (Si) weist Siliziumkarbid eine dreimal größere Bandlücke, eine dreimal höhere Wärmeleitfähigkeit, eine zehnmal höhere Durchbruchfeldstärke und eine doppelt so hohe Sättigungsdriftgeschwindigkeit der Elektronen auf.

Folglich arbeiten Halbleiterbauelemente auf Siliziumkarbidbasis nicht nur stabil bei höheren Temperaturen und eignen sich für Hochspannungs- und Hochfrequenzanwendungen, sondern erreichen auch eine höhere Betriebseffizienz bei geringeren Energieverlusten. Ein Vergleich der wichtigsten Parameter der drei Generationen von Halbleitermaterialien ist in der folgenden Tabelle dargestellt.

2. Arten von SiliziumkarbidsubstratS

Substrate dienen als Basismaterial für Halbleiterchips und bieten in erster Linie physikalische Unterstützung, Wärmeleitung und elektrische Leitfähigkeit.

Gemäß dem vom Ministerium für Industrie und Informationstechnologie (MIIT) herausgegebenen „Leitfaden für die erste Anwendungsdemonstration wichtiger neuer Materialien (Ausgabe 2019)“ lassen sich Siliziumkarbidsubstrate anhand ihrer elektrischen Eigenschaften in zwei Typen unterteilen: halbisolierende Siliziumkarbidsubstrate mit einem spezifischen Widerstand von ≥ 10⁵ Ω·cm und leitfähige Siliziumkarbidsubstrate mit einem spezifischen Widerstand zwischen 15 und 30 mΩ·cm. Nach dem epitaxialen Wachstum werden diese beiden Substrattypen zur Herstellung von Hochfrequenzbauelementen (HF-Bauelementen) bzw. Leistungshalbleiterbauelementen verwendet.

II. Siliciumcarbid-Werkstoff-Industriekette

Die auf Siliziumkarbid als Substratmaterial basierende Wertschöpfungskette umfasst im Wesentlichen die Substratvorbereitung, das epitaktische Wachstum, die Geräteherstellung und nachgelagerte Anwendungen.

Das Substrat ist das Segment mit den höchsten technischen Hürden und dem größten Wertschöpfungsanteil in der Siliziumkarbid-Industriekette und zugleich der Schlüssel zur zukünftigen großtechnischen Entwicklung von Siliziumkarbid. In der Kostenstruktur von Siliziumkarbid-BauteilBei den Substraten liegt der Anteil bei bis zu 46%.

Halbisolierende Siliziumkarbidsubstrate werden hauptsächlich zur Herstellung von Galliumnitrid (GaN)-Hochfrequenzbauelementen verwendet, die unter anderem in der 5G-Kommunikation und im Verteidigungsbereich Anwendung finden. Durch das Aufwachsen einer Galliumnitrid-Epitaxieschicht auf diesem Substrat entstehen GaN-auf-SiC-Epitaxiewafer, die anschließend zur Herstellung von GaN-HF-Bauelementen dienen.

Leitfähige Siliziumkarbidsubstrate werden hauptsächlich zur Herstellung von Leistungselektronik verwendet, wobei zu den Endmärkten unter anderem Elektrofahrzeuge, neue Energien, Schienenverkehr usw. gehören.

Anders als bei herkömmlichen Leistungshalbleitern auf Siliziumbasis müssen bei Siliziumkarbid-Leistungshalbleitern zunächst eine Siliziumkarbid-Epitaxieschicht auf dem leitfähigen Substrat aufgebracht werden, um einen SiC-Epitaxie-Wafer zu bilden. Anschließend werden auf dieser Epitaxieschicht verschiedene Leistungshalbleiter hergestellt.

III. Herstellungsprozess für Siliziumkarbidsubstrate

Die Herstellung von Siliziumkarbidsubstraten ist ein komplexer und technisch anspruchsvoller Prozess, der spezifische Schritte wie die Rohmaterialsynthese, das Kristallwachstum, die Blockverarbeitung, das Schneiden der Blöcke, das Schleifen der Wafer, das Polieren der Wafer, die Waferinspektion und die Waferreinigung umfasst.

1. Rohstoffsynthese
Hochreines Siliziumpulver und hochreines Kohlenstoffpulver werden in einem bestimmten Verhältnis homogen vermischt. In einer Hochtemperatur-Reaktionskammer bei über 2000 °C werden sie zu Siliziumkarbidpartikeln mit spezifischen Kristallstrukturen und Partikelgrößen synthetisiert. Durch Prozesse wie Zerkleinern, Sieben und Reinigen wird hochreines Siliziumkarbidpulver als Rohmaterial gewonnen, das die Anforderungen für das Kristallwachstum erfüllt.

2. Kristallwachstum
Das Kristallwachstum ist der technisch anspruchsvollste Schritt bei der Herstellung von Siliziumkarbidsubstraten und bestimmt direkt deren elektrische Eigenschaften. Zu den gängigen Kristallwachstumsverfahren zählen derzeit die physikalische Dampftransportmethode (PVT), die Hochtemperatur-CVD-Methode (HTCVD) und die Flüssigphasenepitaxie (LPE).

Unter diesen Verfahren ist die PVT-Methode das gängigste Verfahren zur kommerziellen Herstellung von SiC-Substraten. Sie ist technologisch ausgereift und findet breite Anwendung im Ingenieurwesen. Die LPE-Methode gilt als potenzieller zukünftiger Verfahrensansatz.

(1) Physikalische Dampftransportverfahren (PVT)
Bei der Züchtung von SiC-Kristallen mittels PVT-Verfahren werden hochreines Siliciumcarbid-Mikropulver und ein Impfkristall im Einkristallzüchtungsofen am Boden bzw. am oberen Ende eines Graphittiegels platziert, wodurch ein axialer Temperaturgradient entsteht. Das Siliciumcarbid-Mikropulver sublimiert bei hohen Temperaturen in gasförmige Komponenten wie Si₂C, SiC₂ und Si, die entlang des Temperaturgradienten zum Impfkristall transportiert werden, dort keimen und kristallisieren und schließlich einen Siliciumcarbid-Ingot bilden.

Das PVT-Verfahren zeichnet sich durch relativ niedrige Wachstumskosten aus, eine große Herausforderung besteht jedoch derzeit in der Gewinnung hochreiner SiC-Rohmaterialien, da Spurenverunreinigungen die Kristallreinheit erheblich beeinträchtigen können.

(2) Hochtemperatur-CVD (Hochtemperatur-Chemische Gasphasenabscheidung)
Beim HTCVD-Verfahren werden hochreine Gase wie Silan, Ethan/Propan und Wasserstoff von unten in den Reaktor eingeleitet. Diese reagieren zunächst in der Hochtemperaturzone zu Siliciumcarbid-Vorstufen, die dann mit dem Gasstrom in die Niedertemperaturzone gelangen und sich dort auf dem Impfkristall abscheiden, wodurch der Siliciumcarbidkristall entsteht.

Der Vorteil dieses Verfahrens liegt in der präzisen Kontrolle des Si/C-Verhältnisses, wodurch das kontinuierliche Wachstum hochreiner und qualitativ hochwertiger Kristalle ermöglicht wird. Obwohl die Anlagenkosten höher sind als beim PVT-Verfahren und die Anwendung noch nicht weit verbreitet ist, weisen die mittels HTCVD hergestellten Kristalle weniger Defekte, eine hohe Qualität und einen geringen Verunreinigungsgehalt auf und gewinnen daher zunehmend an Bedeutung.

(3) Flüssigphasenepitaxie (LPE)
Beim LPE-Verfahren wird ein Siliciumcarbid-Impfkristall am vorderen Ende eines Impfstabs befestigt. Der Graphittiegel enthält Silicium-Rohmaterial und eine geringe Menge an Dotierstoffen, die über den Schmelzpunkt von Silicium (1500–1700 °C) erhitzt werden, um das Silicium zu schmelzen. Die Rotation des Impfkristalls oder die gegenläufige Rotation des Tiegels gewährleistet eine gleichmäßige Verteilung von Kohlenstoff und Dotierstoffen in der Schmelze. Durch anschließendes langsames Abkühlen wird die Lösung übersättigt, was zum Wachstum von Siliciumcarbid-Kristallen auf dem Impfkristall führt.

Mit der LPE-Methode lässt sich ein kontrolliertes radiales Wachstum erzielen und es können Kristalle ohne Mikroröhrendefekte erzeugt werden, allerdings sind die Wachstumskosten relativ hoch.

3. Blockverarbeitung
Mithilfe eines Röntgen-Einkristallorientierers wird der Siliciumcarbid-Ingot ausgerichtet. Anschließend wird er durch präzise mechanische Bearbeitung plangeschliffen und abgerundet, um einen Siliciumcarbid-Boule mit Standarddurchmesser und -winkel zu erhalten. Alle Boules werden einer Maß- und Winkelprüfung unterzogen.

4. Boule-Schneiden
Unter Berücksichtigung der Weiterverarbeitung wird der Rohling mit Diamantdrahtsägen in Scheiben unterschiedlicher Dicke geschnitten. Vollautomatische Prüfgeräte dienen der Untersuchung von Oberflächenformparametern wie Verzug, Wölbung und Gesamtdickenabweichung (TTV).

5. Zerkleinern von geschnittenen Waffeln
Die geschnittenen Wafer werden mithilfe einer speziellen Schleifsuspension auf eine vorgegebene Dicke ausgedünnt, wodurch Oberflächenspuren und Beschädigungen entfernt werden. Alle geschnittenen Wafer werden anschließend mit vollautomatischen Prüfgeräten und berührungslosen Widerstandsmessgeräten auf Oberflächenform und elektrische Eigenschaften geprüft.

6. Polieren von geläppten Wafern
Spezielle Poliersuspensionen werden für das mechanische und chemische Polieren der geläppten Wafer verwendet, um Oberflächenkratzer zu beseitigen, die Rauheit zu verringern und Verarbeitungsspannungen abzubauen, wodurch eine Oberflächenebenheit im Nanobereich erreicht wird.

Die Parameter werden mithilfe von Geräten wie Röntgendiffraktometern, Rasterkraftmikroskopen, Oberflächenebenheitsmessgeräten und umfassenden Oberflächenfehlermessgeräten geprüft. Die Qualitätsstufe der polierten Wafer wird anhand dieser Messungen bestimmt.

7. Reinigung polierter Wafer
In einem Reinraum der Klasse 100 werden die polierten Wafer mit speziellen chemischen Reagenzien und deionisiertem Wasser gereinigt, um Oberflächenpartikel, Metallionen und organische Verunreinigungen zu entfernen. Nach dem Schleudertrocknen werden sie in Reinraumboxen verpackt und bilden so die Siliziumkarbid-Substrate.

IV. Schnell wachsender Markt für Siliziumkarbidsubstrate

Laut Daten von Gongyan Wang erreichte der globale Markt für Siliziumkarbidsubstrate im Jahr 2022 ein Volumen von 754 Millionen US-Dollar, was einem Anstieg von 27,8 % gegenüber dem Vorjahr entspricht. Bis 2025 wird ein Wachstum auf 1,6 Milliarden US-Dollar prognostiziert.

Im Jahr 2022 betrug das weltweite Marktvolumen für leitfähige Siliziumkarbidsubstrate 512 Millionen US-Dollar, was einem Anteil von 67,9 % entspricht; das Marktvolumen für halbisolierende Siliziumkarbidsubstrate betrug 242 Millionen US-Dollar, was einem Anteil von 32,1 % entspricht, wie aus der folgenden Abbildung hervorgeht.

V. Wettbewerbslandschaft des Siliziumkarbid-Substratmarktes

Derzeit wird der globale Markt für leitfähige Siliziumkarbidsubstrate hauptsächlich von ausländischen Herstellern dominiert.

Im Jahr 2020 hielt Wolfspeed einen Marktanteil von 62 % am globalen Markt für leitfähige Siliziumkarbidsubstrate, wobei die drei größten Unternehmen (CR3) zusammen 89 % ausmachten. Unter den chinesischen Unternehmen erreichte Tianke HeDa einen Marktanteil von 4 %. Leitfähige Siliziumkarbidsubstrate stellen in China derzeit einen wichtigen Bereich für die Importsubstitution dar und verfügen über ein großes Marktpotenzial.

Laut unvollständigen Statistiken gehören zu den inländischen Unternehmen, die die Industrialisierung von Siliziumkarbidsubstraten erreicht haben, unter anderem Tianyue Advanced, Beijing Tianke HeDa Semiconductor Co., Ltd., Shanxi Shuoke Crystal Co., Ltd., Hebei Tongguang Semiconductor Co., Ltd.

VI. Zukünftige Entwicklungstrends von Siliziumkarbidsubstraten

Die Steigerung der Produktionseffizienz und die Senkung der Kosten sind die zentralen Ziele der technologischen Weiterentwicklung von Siliziumkarbidsubstraten, wobei die Vergrößerung der Substratfläche ein wichtiger Ansatzpunkt ist. Größere Substrate ermöglichen die Herstellung von mehr Chips pro Flächeneinheit und reduzieren somit die durchschnittlichen Chipkosten.

Aktuell ist 4 Zoll (100 mm) die gängige Spezifikation für halbisolierende Siliziumkarbidsubstrate, während 6 Zoll (150 mm) für leitfähige Siliziumkarbidsubstrate Standard ist. Unter Berücksichtigung der Kosten und der Trends in nachgelagerten Anwendungen werden 6-Zoll-halbisolierende und 8-Zoll-leitfähige Siliziumkarbidsubstrate zukünftig die wichtigsten Entwicklungsrichtungen der Branche darstellen.