Thế hệ vật liệu bán dẫn đầu tiên được đại diện bởi silicon (Si) và germanium (Ge) truyền thống, là nền tảng cho việc sản xuất mạch tích hợp. Chúng được sử dụng rộng rãi trong các bóng bán dẫn và bộ dò điện áp thấp, tần số thấp và công suất thấp. Hơn 90% sản phẩm bán dẫn được làm từ vật liệu gốc silicon;
Các vật liệu bán dẫn thế hệ thứ hai bao gồm gali arsenua (GaAs), indi photphua (InP) và gali photphua (GaP). So với các thiết bị dựa trên silicon, chúng có đặc tính quang điện tử tần số cao và tốc độ cao, được sử dụng rộng rãi trong lĩnh vực quang điện tử và vi điện tử.
Thế hệ thứ ba của vật liệu bán dẫn được đại diện bởi các vật liệu mới nổi như cacbua silic (SiC), nitrua gali (GaN), oxit kẽm (ZnO), kim cương (C) và nitrua nhôm (AlN).
cacbua silicSilicon carbide là một vật liệu cơ bản quan trọng cho sự phát triển của ngành công nghiệp bán dẫn thế hệ thứ ba. Các thiết bị điện tử công suất silicon carbide có thể đáp ứng hiệu quả các yêu cầu về hiệu suất cao, thu nhỏ và trọng lượng nhẹ của hệ thống điện tử công suất nhờ khả năng chịu điện áp cao, chịu nhiệt độ cao, tổn hao thấp và các đặc tính khác tuyệt vời.
Nhờ các đặc tính vật lý vượt trội: độ rộng vùng cấm cao (tương ứng với điện trường đánh thủng cao và mật độ công suất cao), độ dẫn điện cao và độ dẫn nhiệt cao, vật liệu này được kỳ vọng sẽ trở thành vật liệu cơ bản được sử dụng rộng rãi nhất để chế tạo chip bán dẫn trong tương lai. Đặc biệt, trong các lĩnh vực xe năng lượng mới, sản xuất điện mặt trời, vận tải đường sắt, lưới điện thông minh và các lĩnh vực khác, nó thể hiện những ưu điểm rõ rệt.
Quy trình sản xuất SiC được chia thành ba bước chính: nuôi cấy tinh thể đơn SiC, nuôi cấy lớp màng mỏng và chế tạo thiết bị, tương ứng với bốn mắt xích chính trong chuỗi công nghiệp:chất nền, dịch tễ học, thiết bị và mô-đun.
Phương pháp sản xuất chất nền phổ biến hiện nay trước tiên sử dụng phương pháp thăng hoa hơi vật lý để thăng hoa bột trong môi trường chân không nhiệt độ cao, và nuôi cấy tinh thể silicon carbide trên bề mặt tinh thể mầm thông qua việc kiểm soát trường nhiệt độ. Sử dụng tấm silicon carbide làm chất nền, phương pháp lắng đọng hơi hóa học được sử dụng để lắng đọng một lớp tinh thể đơn trên tấm wafer để tạo thành tấm wafer kết tinh. Trong đó, việc nuôi cấy lớp kết tinh silicon carbide trên chất nền silicon carbide dẫn điện có thể được sử dụng để chế tạo các thiết bị điện tử công suất, chủ yếu được sử dụng trong xe điện, quang điện và các lĩnh vực khác; nuôi cấy lớp kết tinh gallium nitride trên chất nền bán cách điện.chất nền cacbua silicCó thể được chế tạo thêm thành các thiết bị tần số vô tuyến, được sử dụng trong truyền thông 5G và các lĩnh vực khác.
Hiện tại, chất nền silicon carbide có rào cản kỹ thuật cao nhất trong chuỗi công nghiệp silicon carbide, và chất nền silicon carbide là loại khó sản xuất nhất.
Nút thắt cổ chai trong sản xuất SiC vẫn chưa được giải quyết hoàn toàn, chất lượng của các trụ tinh thể nguyên liệu thô không ổn định và có vấn đề về năng suất, dẫn đến chi phí cao của các thiết bị SiC. Trung bình chỉ mất 3 ngày để vật liệu silicon phát triển thành một thanh tinh thể, nhưng cần đến một tuần để tạo ra một thanh tinh thể silicon carbide. Một thanh tinh thể silicon thông thường có thể dài tới 200cm, nhưng một thanh tinh thể silicon carbide chỉ có thể dài tới 2cm. Hơn nữa, bản thân SiC là một vật liệu cứng và giòn, và các tấm wafer làm từ nó dễ bị sứt mẻ cạnh khi sử dụng phương pháp cắt wafer cơ học truyền thống, ảnh hưởng đến năng suất và độ tin cậy của sản phẩm. Các chất nền SiC rất khác so với các thỏi silicon truyền thống, và mọi thứ từ thiết bị, quy trình, gia công đến cắt gọt đều cần được phát triển để xử lý silicon carbide.
Chuỗi công nghiệp silicon carbide chủ yếu được chia thành bốn khâu chính: chất nền, lớp màng mỏng, thiết bị và ứng dụng. Vật liệu chất nền là nền tảng của chuỗi công nghiệp, vật liệu màng mỏng là chìa khóa để sản xuất thiết bị, thiết bị là cốt lõi của chuỗi công nghiệp, và ứng dụng là động lực thúc đẩy sự phát triển của ngành. Ngành công nghiệp thượng nguồn sử dụng nguyên liệu thô để tạo ra vật liệu chất nền thông qua các phương pháp thăng hoa hơi vật lý và các phương pháp khác, sau đó sử dụng các phương pháp lắng đọng hơi hóa học và các phương pháp khác để nuôi cấy vật liệu màng mỏng. Ngành công nghiệp trung nguồn sử dụng vật liệu thượng nguồn để sản xuất các thiết bị tần số vô tuyến, thiết bị điện và các thiết bị khác, cuối cùng được sử dụng trong các ngành hạ nguồn như truyền thông 5G, xe điện, vận tải đường sắt, v.v. Trong đó, chất nền và lớp màng mỏng chiếm 60% chi phí của chuỗi công nghiệp và là giá trị chính của chuỗi công nghiệp.
Tấm nền SiC: Tinh thể SiC thường được sản xuất bằng phương pháp Lely. Các sản phẩm chủ đạo quốc tế đang chuyển từ kích thước 4 inch sang 6 inch, và các sản phẩm tấm nền dẫn điện 8 inch đã được phát triển. Tấm nền trong nước chủ yếu là 4 inch. Vì các dây chuyền sản xuất tấm silicon 6 inch hiện có thể được nâng cấp và chuyển đổi để sản xuất các thiết bị SiC, nên thị phần cao của tấm nền SiC 6 inch sẽ được duy trì trong thời gian dài.
Quy trình sản xuất chất nền silicon carbide rất phức tạp và khó khăn. Chất nền silicon carbide là vật liệu bán dẫn đơn tinh thể phức hợp được cấu tạo từ hai nguyên tố: carbon và silicon. Hiện nay, ngành công nghiệp chủ yếu sử dụng bột carbon tinh khiết cao và bột silicon tinh khiết cao làm nguyên liệu để tổng hợp bột silicon carbide. Dưới trường nhiệt độ đặc biệt, phương pháp truyền hơi vật lý (phương pháp PVT) đã được kiểm chứng được sử dụng để nuôi cấy silicon carbide với các kích thước khác nhau trong lò nuôi cấy tinh thể. Cuối cùng, phôi tinh thể được xử lý, cắt, mài, đánh bóng, làm sạch và nhiều công đoạn khác để tạo ra chất nền silicon carbide.
Thời gian đăng bài: 22 tháng 5 năm 2024