Siliciumkarbid: Eine exklusive Gruppe von Halbleitern wird zum Mainstream

Siliciumkarbid: Fünf-Sterne-Halbleiter

Siliciumkarbid (SiC) wird in Anwendungen eingesetzt, die leistungsstarke Chips mit höherer Geschwindigkeit, höheren Spannungen und niedrigerem Stromverbrauch erfordern. So müssen Elektrofahrzeuge in der Lage sein, hohe Spannungen bei minimalem Leistungsverlust zu verarbeiten, um grössere Reichweiten zu erzielen. Oder man denke daran, wie sich die Leistungsfähigkeit von Wandlern auf die Effizienz der Stromerzeugung aus erneuerbaren Energiequellen auswirkt, wie z. B. bei Solaranlagen und Windfarmen. Jedes Kilowatt Energie, das bei der Stromumwandlung eingespart wird, leistet einen Beitrag zum Klimaschutz. SiC ist so etwas wie der Rolls-Royce unter den Halbleitern, denn es hat eine grosse Energiebandlücke und eine hervorragende Elektronenbeweglichkeit. Daher können SiC-Chips bei höheren Temperaturen, Spannungen und Frequenzen arbeiten, sodass Leistung und Effizienz erheblich steigen. Aufgrund ihrer besseren Wärmeleitfähigkeit leiten SiC-Chips Wärme gut ab, sodass die Betriebstemperatur sinkt.

Die hohe Leistungsfähigkeit ist jedoch mit hohen Kosten und noch mehr mit dem anspruchsvollen Fertigungsverfahren verbunden. Aktuell sind SiC-Chips in der Produktion wesentlich teurer. Daher werden sie nur in Fällen eingesetzt, in denen sich die höheren Kosten auszahlen. „Die Produktion hochwertiger SiC-Wafer mit grossen Durchmessern für die Chipproduktion ist bereits ein sehr komplexer Vakuumprozess – auch Lely-Methode genannt“, so Theresa Tang, Industry Sector Manager bei VAT. „Ein SiC-Pulver wird geschmolzen und unter inerter Atmosphäre und leichtem Vakuum verdampft. Über einen Zeitraum von ein bis zwei Wochen lagert sich das Material anschliessend aus der Gasphase auf einem Impfkristall ab.“

Die Vakuumtechnologie ist entscheidend für die Produktion hochwertiger SiC-Substrate. VAT begleitet seine Kunden während der gesamten Entwicklung von Technologie für die SiC-Züchtung, vom Kristallziehen über das derzeit am häufigsten verwendete CVD-Verfahren bis hin zum modernsten Epitaxieverfahren. Die HV-Regelklappenventile der Baureihe 61.6 und 61.3 ermöglichen eine äusserst präzise Druck- und Durchflussregelung während des Prozesses. Die Absperrventile der Baureihen S10, S19 und S12 bieten eine flexible Auswahl, um den Anforderungen der Hersteller bezüglich Bauform und Kosten zu entsprechen. Mit einer möglichen Leistungsfähigkeit, die über den derzeitigen Anforderungen liegt, ist VAT gut aufgestellt, die nächsten technischen Entwicklungen zu unterstützen.

Effizientere Prozesse in der SiC-Produktion dank Vakuum-Know-how von VAT

Um diese Herausforderungen zu meistern, befassen sich die Hersteller von Ofensystemen eingehend mit der Prozessstabilität beim Wachstum von SiC-Kristallen, um Fehlerquoten zu senken und die Ausbeute zu erhöhen. Ein häufig übersehener Faktor ist das Vakuumsystem. Dieses umfasst Druckstabilität wie auch den Grad der Verunreinigung in der Vakuumatmosphäre. Wie bei der Destillation von Alkohol ist es auch bei der Züchtung von SiC-Kristallen besonders wichtig, die Schritte für die Züchtung von den Schritten für die thermische und chemische Aufbereitung von Substrat und Ausgangsmaterial sowie die Systemreinigung zu trennen. Auch der eingestellte Druck während der Produktion des
SiC-Barrens hat einen erheblichen Einfluss auf die Verdampfungs- und Abscheidungsraten während des Verfahrens. Deshalb ist es äusserst wichtig, den Druck im Ofensystem sehr präzise zu kontrollieren und einzustellen. VAT verfügt über einen grossen Produktbereich, der eine genaue Regelung des Vakuums bei SiC-Verfahren ermöglicht.

„Unser Regelventil der Baureihe VAT 61.6 ist unser Arbeitspferd für die präzise Prozesssteuerung bei Vakuumanwendungen. Es wird in vielen Branchen und Forschungsfeldern eingesetzt, in denen eine hohe Reproduzierbarkeit und Genauigkeit benötigt wird. Als wir Herstellern von SiC-Öfen das Ventil vorstellten, waren sie von dessen Leistungsfähigkeit begeistert“, erläutert Theresa Tang. Tatsächlich ist die Leistungsfähigkeit herausragend: Das Regelventil 61.6 kann den Druck mit einer Stabilität von 0,1 % des Sollwerts bei einer Betätigungsgeschwindigkeit von weniger als 0,38 s regeln. Hinzu kommt eine kontaminationsfreie Viton-Dichtung, die leckagefreies Schliessen bei nahezu verschleissfreiem Betrieb ermöglicht. „Mit einer Lebensdauer von 250.000 Zyklen muss der Käufer des Ofensystems die Ventildichtungen wahrscheinlich nie warten und kann die Kristallzüchtung am Laufen halten, ohne die Prozessparameter aufgrund der Wartung nachjustieren oder überprüfen zu müssen“, erläutert Theresa Tang die Vorteile des Regelventils 61.6.

Verbreitung von SiC-Chips dank VAT-Technologie für eine nachhaltige Wirtschaft

Aufgrund des Erfolges mit den Regelventilen im SiC-Markt liefert VAT jetzt noch mehr Ventiltypen an Hersteller von SiC-Ofensystemen, z. B. das Schieberventil 12.1, um die Pumpen vom Ofen zu trennen, oder die Eckventile der Baureihe 26.4. „Was uns auszeichnet, ist unser anwendungsorientierter Ansatz, um die richtige Lösung für die Prozesse unserer Kunden zu finden, anstatt Ventile von der Stange zu liefern“, kommentiert Theresa Tang die Erfolgsgeschichte von VAT in dieser Branche.

Unser Klima und unser Planet sind auf mehr und günstigere Elektrofahrzeuge, eine bessere Energieumwandlung aus erneuerbaren Energien und Elektronik mit niedrigerem Stromverbrauch angewiesen. Während die Produktion von SiC-Chips im Vergleich zu Siliziumchips noch in den Kinderschuhen steckt, unternehmen innovative Anbieter von Ofensystemen mithilfe von Hightech-Unternehmen wie VAT die nächsten Schritte, um die Lücke zu schliessen, indem sie Prozesse und Ausbeute optimieren, um die Produktionskosten der SiC-Chips zu senken. VAT ist stolz darauf, als Partner dieser rasant wachsenden, klimarelevanten Branche dazu beizutragen, dass effizientere SiC-Chips in grösserem Massstab eingesetzt werden können.