Dunne chips en robuuste substraten – sleuteltechnologieën voor kosteneffectieve siliciumcarbide vermogenselektronica

Precieze bouwstenen op een siliciumcarbide-wafer, vervaardigd in de eigen cleanroom van het Fraunhofer IISB. © Daniel Karmann / Fraunhofer IISB / Vermogenselementen op een siliciumcarbide-wafer, verwerkt in de interne cleanroom van Fraunhofer IISB. © Daniel Karmann / Fraunhofer IISB

Siliciumcarbide biedt aanzienlijke technische voordelen voor de power-elektronica – een nadeel blijven de kosten. In het onderzoeksproject »ThinSiCPower« ontwikkelt een consortium van Fraunhofer-instituten sleuteltechnologieën waarmee het materiaalverbruik en de dikte van de componenten worden verminderd en tegelijkertijd de thermomechanische stabiliteit van de opgebrachte SiC-chips wordt verhoogd. De behaalde besparingen moeten bijdragen aan een verdere versnelde marktintroductie van efficiënte SiC-power-elektronica.

De halfgeleidertechnologie aan de vooravond van het post-siliciumtijdperk

Power-elektronica op basis van de wide-bandgap-halfgeleider siliciumcarbide (SiC) is een belangrijke poort naar energie-efficiënte, duurzame en hoogpresterende toepassingen in de elektromobiliteit – van auto’s via vrachtwagens tot spoor, scheepvaart en luchtvaart, bij de opwekking, het transport en de opslag van hernieuwbare energie, evenals voor IT- en industriële infrastructuren. Ze vormt daarmee een belangrijke bouwsteen en concurrentiefactor voor de huidige wereldwijde transformatieprocessen op het gebied van mobiliteit, energie en digitalisering. De markt voor SiC-powercomponenten wordt gekenmerkt door jaarlijkse groeipercentages van meer dan 30 procent. In vergelijking met conventioneel silicium kan door het gebruik van SiC-power-elektronica in een typische aandrijvingsomvormer meer energie worden bespaard dan nodig is voor de productie van de SiC-elektronica zelf.

Hoewel de technologische voordelen van SiC dankzij zijn fysische eigenschappen duidelijk zijn, blijven de hogere kosten in vergelijking met het gevestigde silicium een belemmering voor een nog snellere marktpenetratie. De chipkosten zijn meer dan drie keer zo hoog als bij silicium. Hierbij vormt de SiC-uitgangswafer de grootste kostenfactor. Bij een op SiC gebaseerde metal-oxide-halfgeleider-veldeffecttransistor (MOSFET) bedraagt deze meer dan 40 procent van de fabricagekosten. Daarnaast zorgen de ongunstige mechanische materiaaleigenschappen en de grote dikte van de enkele kristal SiC-wafer ervoor dat elektronica die ervan wordt vervaardigd slechts ongeveer 30 procent van de thermomechanische levensduur van silicium bereikt. Dit nadeel leidt tot een ongeveer 25 procent grotere chipoppervlakte en bij een omvormer tot ongeveer 25 procent hogere kosten in de toepassing.

Kosteneffectieve SiC-Substraten zonder zagen en polijsten

In het driejarige project ThinSiCPower (2024-2027), gefinancierd uit het interne Fraunhofer »PREPARE«-programma, ontwikkelen onderzoekers een alternatieve manier voor de productie van kosteneffectieve SiC-substraten en aanzienlijk dunnere SiC-chips met milieuvriendelijkere proces-technologieën. Daarbij worden de dure en kwalitatief hoogwaardige SiC-wafers niet zoals gebruikelijk met materiaalverlies gesneden en later in de componentproductie weer dunner geslepen, maar wordt de SiC-kristal via een speciaal lasersysteem zonder grote materiaalsverliezen direct in dunnere wafers gescheiden, die op een goedkoop drager-substraat op basis van polykristallijn SiC worden gebonden. Hiermee kunnen veel meer wafers uit één kristal worden vervaardigd. Daarnaast biedt het zogenaamde Poly-SiC in vergelijking met het enkele kristal-substraat duidelijk gunstiger mechanische materiaaleigenschappen, wat de thermomechanische spanningswisselbestendigheid positief beïnvloedt. De in totaal aanzienlijk dunnere opbouw zorgt bovendien voor een betere warmteafvoer.

Met ThinSiCPower naar een volledige SiC-proceslijn, made in Germany

De instituten Fraunhofer ISE, ENAS en IWM, evenals het Fraunhofer IISB als projectcoördinator, bundelen in ThinSiCPower hun expertise. Voor de productie van het Poly-SiC-drager-substraat wordt een door Fraunhofer IISB ontwikkelde SiC-beschichtungstechnologie aangepast, die in vergelijking met de tot nu toe gangbare productiemethode via chemische dampafzetting kosten- en milieuvriendelijker is. Het verliesarme scheiden van de dunne SiC-wafers gebeurt met een laser voor het definiëren van mechanische voorbehandeling (Fraunhofer ISE) en daarna onder goed gecontroleerde mechanische omstandigheden voor het gecontroleerd voortzetten van scheurvorming (Fraunhofer IWM). De ontwikkeling van het waferbond-proces voor het Poly-SiC-substraat met het gesplitste SiC, inclusief de noodzakelijke oppervlaktevoorbereiding voor en na het bondingproces, gebeurt bij Fraunhofer ENAS, terwijl de daaropvolgende componentproductie en kwalificatie weer bij Fraunhofer IISB plaatsvinden. Voor een zo hoog mogelijke marktacceptatie van deze nieuwe klasse van kosteneffectieve SiC-substraten ontwikkelen de partners bovendien aangepaste elektrische testmethoden op dunne wafers en »Physics-of-failure«-simulatiemodellen. Hiermee moet een brede toepasbaarheid in de relevante industrieën worden gerealiseerd.

Door de technologische ontwikkeling voor de productie van kosteneffectieve dunne SiC-wafers en Poly-SiC-drager-substraten wordt een kostenreductie van 25 procent voor SiC-componenten nagestreefd. Daarnaast moet een verdere vermindering van de SiC-ontwerpkosten met 25 procent worden gerealiseerd door een verhoging van de spanningswisselbestendigheid met 300 procent. Doelmarkten zijn halfgeleider- en vermogenselektronicafabrikanten, evenals hun proces- en machineleveranciers tot en met testapparatuurleveranciers. De betrokken instituten bundelen met dit project ook hun expertise voor het opbouwen van een volledige, hooginnovatieve en toekomstbestendige SiC-proceslijn binnen de onderzoeksfabriek Mikroelektronik Deutschland (FMD). Het consortium krijgt hierbij directe ondersteuning van industriële partners.

Het project ThinSiCPower versnelt door de beoogde kostenreductie en conceptuele voordelen niet alleen de marktpenetratie van siliciumcarbide, maar draagt ook bij aan het veiligstellen van een innovatieve, veerkrachtige en industrierelevante SiC-technologie-waardeketen in Duitsland en Europa.