Tenké čipy a odolné substráty – klíčové technologie pro nákladově efektivní výkonovou elektroniku z karbidu křemíku

Výkonové prvky na siliconkarbidovém waferu, vyrobené v interním čistírně Fraunhofer IISB. © Daniel Karmann / Fraunhofer IISB / Výkonové prvky na waferu z karbidu křemíku, zpracované v interní čistírně Fraunhofer IISB. © Daniel Karmann / Fraunhofer IISB

Silicon karbid nabízí významné technické výhody pro výkonovou elektroniku – nevýhodou jsou stále náklady. V rámci výzkumného projektu »ThinSiCPower« vyvíjí konsorcium Fraunhoferových institucí klíčové technologie, které umožní snížit spotřebu materiálu a tloušťku součástek a zároveň zvýšit thermomechanickou stabilitu vyrobených SiC čipů. Ušetřené náklady mají přispět k dalšímu urychlení vstupu na trh s efektivní SiC výkonovou elektronikou.

Technologie polovodičů na prahu post-křemíkové éry

Výkonová elektronika založená na širokopásmovém polovodiči silicon karbidu (SiC) je klíčovým otvírákem dveří k energeticky efektivním, udržitelným a vysoce výkonným aplikacím v elektromobilitě – od automobilů přes užitková vozidla až po železnice, lodě a letadla, při výrobě, přenosu a ukládání obnovitelné energie, stejně jako pro IT a průmyslové infrastruktury. Je tak důležitým stavebním kamenem a faktorem konkurenceschopnosti v současných globálních transformačních procesech v oblasti mobility, energie a digitalizace. Trh s výkonovými prvky z SiC je odhadován s ročním růstem přes 30 procent. Ve srovnání s tradiční technologií křemíku lze při použití SiC výkonové elektroniky v typickém pohonu s měničem ušetřit více energie, než je potřeba na výrobu samotné SiC elektroniky.

Zatímco technologické výhody SiC jsou díky jeho fyzikálním vlastnostem zřejmé, vyšší náklady ve srovnání s osvědčeným křemíkem stále představují překážku pro rychlejší proniknutí na trh. Náklady na čipy jsou více než třikrát vyšší než u křemíku. Největším nákladovým faktorem je výchozí wafer z SiC. V případě metal-oxid-polovodičových tranzistorů (MOSFET) založených na SiC tvoří více než 40 procent výrobních nákladů. Navíc kvůli nepříznivým mechanickým vlastnostem materiálu a velké tloušťce monokrystalického waferu z SiC dosahují elektroniky z něj vyrobené pouze asi 30 procent thermomechanické životnosti ve srovnání s křemíkem. Tato nevýhoda vede k přibližně 25procentní větší ploše čipu a přibližně 25procentně vyšším nákladům na použití v měničích.

Ekonomické SiC substráty bez řezání a broušení

V tříletém projektu ThinSiCPower (2024–2027), financovaném z interního programu Fraunhofer »PREPARE«, vyvíjejí vědci alternativní způsob výroby nákladově efektivních SiC substrátů a podstatně tenčích SiC čipů s procesními technologiemi šetrnějšími k zdrojům. Tímto způsobem se místo obvyklého řezání materiálu a následného broušení na tenčí vrstvy, které způsobují ztráty, separuje SiC krystal pomocí speciální laserové technologie přímo na tenčí wafery, které jsou následně lepeny na levné nosné substráty na bázi polykristalického SiC. Tím lze vyrobit výrazně více waferů z jednoho krystalu. Navíc tzv. Poly-SiC nabízí oproti monokrystalickému substrátu výrazně výhodnější mechanické vlastnosti, což příznivě ovlivňuje odolnost vůči thermomechanickému namáhání. Celkově tenčí konstrukce také zajišťuje lepší odvod tepla.

S ThinSiCPower k úplné výrobní linii SiC, vyrobené v Německu

Instituce Fraunhofer ISE, ENAS a IWM spolu s Fraunhofer IISB jako koordinátorem projektu spojují své kompetence v rámci ThinSiCPower. Pro výrobu nosných substrátů Poly-SiC je adaptována SiC povlaková technologie vyvinutá Fraunhofer IISB, která je ve srovnání s dosavadní metodou chemické depozice plynných fází šetrnější k nákladům a zdrojům. Nízkouztrátové oddělení tenkých waferů SiC probíhá pomocí laseru k definované mechanické předtrhlině (Fraunhofer ISE) a následné oddělení za dobře definovaných mechanických podmínek pro kontrolované šíření trhlin (Fraunhofer IWM). Vývoj procesu vazby waferů pro Poly-SiC substráty s rozštěpeným SiC včetně nutné povrchové přípravy před a po procesu vazby probíhá v Fraunhofer ENAS, zatímco následná výroba součástek a jejich kvalifikace se opět koná v Fraunhofer IISB. Pro co nejvyšší přijetí této nové třídy levných SiC substrátů jsou partneři rovněž vyvíjeni upravené elektrické testovací metody na úrovni tenkých waferů a simulace »Physics-of-failure«. Cílem je dosáhnout široké použitelnosti v relevantních odvětvích.

V rámci vývoje technologie pro výrobu levných tenkých waferů SiC a Poly-SiC substrátů je plánováno snížení nákladů na SiC součástky o 25 procent. Dále má dojít ke snížení nákladů na návrh SiC o dalších 25 procent díky zvýšení odolnosti vůči thermomechanickému namáhání o 300 procent. Cílovými trhy jsou výrobci polovodičů a výkonových modulů, jejich dodavatelé procesů a zařízení, až po dodavatele testovacího vybavení. Participující instituce konsorcia rovněž spojují své kompetence k vybudování kompletní, vysoce inovativní a perspektivní výrobní linky SiC v rámci výzkumné továrny Mikroelektronika Německo (FMD). Konzorcium dostává přímou poradenskou podporu od průmyslových partnerů.

Projekt ThinSiCPower urychluje nejen pronikání křemíku karbidu na trh díky plánovanému snížení nákladů a koncepčním výhodám, ale také přispívá k zajištění inovativního, odolného a průmyslově relevantního řetězce hodnot v oblasti SiC technologií v Německu a Evropě.