Voordelen van siliciumcarbide wafers

Een siliciumcarbide-wafer is een innovatief halfgeleidersubstraat dat tal van voordelen biedt ten opzichte van traditioneel silicium. Van een revolutie in de vermogenselektronica tot de ontwikkeling van ultrasnelle communicatiesystemen: siliciumcarbide belooft ingrijpende veranderingen teweeg te brengen in een breed scala aan technologieën en sectoren.

SiC is zeer goed bestand tegen hoge temperaturen en spanningen, waardoor het een onmisbaar materiaal is voor vermogenshalfgeleiders, zonnecellen en laadinfrastructuur voor elektrische voertuigen. Helaas vereist de hardheid ervan het gebruik van speciaal gereedschap voor het bewerken ervan.

Hoge thermische geleidbaarheid

Wafers van siliciumcarbide zijn essentiële onderdelen van vermogenselektronica vanwege hun uitzonderlijke warmtegeleidingsvermogen en hun vermogen om tijdens het gebruik warmte effectief af te voeren, waardoor apparaten zelfs onder zware omstandigheden kunnen functioneren zonder dat de prestaties achteruitgaan.

Door de brede bandkloof van siliciumcarbide kunnen elektronen moeilijk van de valentiebanden naar de geleidingsbanden overgaan, wat lekkage in hoogspanningstoepassingen helpt voorkomen en thermionische lekkage tegengaat. Bovendien maken de oxidatiebestendigheid en de chemische inertie het tot een uitstekende materiaalkeuze voor talrijke halfgeleidertoepassingen bij hoge temperaturen.

Siliciumcarbide heeft een lage thermische uitzettingscoëfficiënt, wat betekent dat de uitzetting of krimp bij temperatuurschommelingen niet noemenswaardig verandert. Dit helpt bij het verminderen van spanningen die worden veroorzaakt door temperatuurgradiënten en die kunnen leiden tot scheuren of breuken in apparaten, terwijl er tegelijkertijd meer transistors op één wafer kunnen worden geplaatst – beide belangrijke eigenschappen voor het verbeteren van de betrouwbaarheid bij de productie van chips.

Lage thermische uitzettingscoëfficiënt

Siliciumcarbide heeft een lage thermische uitzettingscoëfficiënt, wat betekent dat het bij temperatuurschommelingen niet zo sterk uitzet of krimpt. Daardoor is het een ideaal materiaal voor toepassingen die een hoge mate van stabiliteit vereisen, zoals mobiele telefoons en andere elektronische apparaten. Bovendien is siliciumcarbide bestand tegen extreme temperaturen en is het bestand tegen chemische aantasting.

Siliconrubber van voedingskwaliteit is niet alleen toxicologisch veilig, maar kan ook worden gebruikt in de voedselproductie. Bovendien zijn de toepassingsmogelijkheden zeer divers: van vuurvaste bekledingen en isolatieonderdelen voor industriële ovens tot wrijvingslagers en mechanische afdichtingen in leidingsystemen.

Fabrikanten produceren kubische siliciumcarbide-wafers door kwartszand samen met petroleumcokes of een andere koolstofbron in een open “Acheson”-oven tot hoge temperaturen te verwarmen, waardoor groen of zwart kristallijn siliciumcarbide van hoge zuiverheid ontstaat. Sommige fabrikanten maken ook gebruik van chemische dampafzetting om kubisch siliciumcarbide te produceren; beide methoden vergen enorme hoeveelheden energie en apparatuur.

Hoge hardheid

Siliciumcarbide staat bekend als een uiterst veerkrachtig materiaal dat goed bestand is tegen thermische schokken, wat betekent dat plotselinge temperatuurschommelingen geen scheuren veroorzaken of tot plotselinge breuken of barsten leiden. Dit maakt siliciumcarbide een uitstekende materiaalkeuze voor apparaten die een hoge weerstand tegen beschadiging vereisen, zoals vermogenshalfgeleiders; bovendien heeft het een lagere doorlaatweerstand en totale poortlading, wat snellere schakelsnelheden met een hoger rendement mogelijk maakt.

Siliciumcarbide wordt vervaardigd door silicium en koolstof te combineren en kan verschillende kristalstructuren aannemen. Alfa-siliciumcarbide wordt het meest gebruikt, aangezien de zeshoekige kristalstructuur ervan lijkt op die van wurtziet. De bèta-variant, met zijn zinkblende-kristalstructuur, komt misschien minder vaak voor, maar kent toch diverse toepassingen.

Voor de productie van veel geavanceerde halfgeleidercomponenten zijn substraten van siliciumcarbide nodig, die op de juiste wijze moeten worden voorbereid om epitaxiale groei met een hoge mate van precisie en consistentie mogelijk te maken. Om dit te bereiken, worden voor de epitaxiale groei een op diamant gebaseerde polijstslurry en een polijstpad gebruikt die zijn afgestemd op de specifieke apparatuur die bij de klanten is geïnstalleerd.

Hoge weerstand tegen thermische schokken

Wafers van siliciumcarbide bieden dankzij hun uitstekende warmtegeleidbaarheid en lage uitzettingscoëfficiënt een uitzonderlijke weerstand tegen thermische schokken, waardoor ze geschikt zijn om extreem hoge temperaturen te weerstaan zonder aan sterkte in te boeten. Door deze eigenschappen zijn ze geschikt voor gebruik als steunen voor wafertrays of als roerbladen in elektrische ovens, en zijn ze zelfs bestand tegen zuren en gesmolten zouten.

Siliciumcarbide wordt steeds vaker gekozen als materiaal voor schuurgereedschap, zoals snijschijven en slijpschijven, vanwege zijn weerstand tegen corrosie, slijtage en erosie. Gieterijen gebruiken smeltkroezen van siliciumcarbide voor het smelten van metalen; zowel de fysische eigenschappen als de uitzonderlijke elektronische eigenschappen maken het materiaal zeer geschikt voor vermogenselektronica.

Bij de aankoop van siliciumcarbide-wafers is het van cruciaal belang om de kristalmorfologie en de defectdichtheid ervan te beoordelen, aangezien dit van invloed is op de prestaties van de halfgeleidercomponenten. Bovendien mag de keuze van een effectief doteringsproces voor de gewenste elektrische eigenschappen niet worden verwaarloosd.