Von 4 Zoll auf 8 Zoll: Ein Jahrzehnt des SiC-Halbleiterwachstums

Im Jahr 2013 stellte die Industrie die Frage, ob Siliziumkarbid überhaupt kommerzialisiert werden könne. Zehn Jahre später treibt SiC Elektrofahrzeuge und erneuerbare Energien an – und der eigentliche Wettbewerb hat sich auf Materialien, Ausrüstung und Fertigungsausbeute verlagert. Innerhalb eines Jahrzehnts wuchsen SiC-Wafer von 4 Zoll auf 8 Zoll, da die Epitaxieausrüstung im Gleichschritt weiterentwickelt wurde. Über den Wafer selbst hinaus sorgen CVD-SiC-Beschichtungen, Solid-CVD-SiC- und TaC-Beschichtungen nun dafür, dass korrosionsbeständige Hochtemperaturgeräte zuverlässig funktionieren. VETEK Semiconductor liefert alle drei Materiallösungen für die skalierte SiC-Herstellung.

SiCs Jahrzehnt der Transformation: Vom Labormaterial zum Mainstream-Leistungshalbleiter

SiC hat sich von einem vielversprechenden Labormaterial im Jahr 2013 zu einer Mainstream-Technologie entwickelt, die heute Elektrofahrzeugen, Leistungselektronik und Energieumwandlung zugrunde liegt – und der Schwerpunkt der Branche hat sich von der Erprobung der Technologie auf die Beherrschung der Herstellung im großen Maßstab verlagert.

Die folgende Tabelle fasst zusammen, wie sich die Prioritäten der SiC-Industrie im letzten Jahrzehnt verändert haben.

2013 vs. heute: Wie sich der Fokus der SiC-Branche verändert hat

Die zentrale Herausforderung der SiC-Kommerzialisierung: Epitaxietechnologie

Epitaxieausrüstung war schon immer der technische Engpass bei der Kommerzialisierung von SiC – der Fortschritt der Branche lässt sich direkt an der Entwicklung der Epitaxiereaktoren verfolgen, von frühen 6-Zoll-Plattformen bis zu den heutigen automatisierten 150-mm-/200-mm-Systemen.

Im Jahr 2013 beschleunigte sich die Kommerzialisierung von SiC, und die Gerätehersteller konkurrierten hauptsächlich um die Fähigkeit zur SiC-Epitaxie von 6 Zoll (150 mm). Semiconductor Today berichtete damals über mehrere repräsentative Systeme:

Repräsentative SiC-Epitaxieausrüstung, 2013

Diese frühen Systeme wurden entwickelt, um vier Probleme zu lösen: das Erreichen einer 6-Zoll-SiC-Epitaxie, die Verbesserung der Gleichmäßigkeit der Epitaxieschicht, die Verringerung der Defektdichte und die Erfüllung der Anforderungen der frühen Kommerzialisierung von Leistungsgeräten.

Mit der raschen Ausweitung der Einführung von Elektrofahrzeugen, der Ladeinfrastruktur für Elektrofahrzeuge, von Solar- und Speichersystemen und den Märkten für industrielle Energie stieg auch die Nachfrage nach SiC-Geräten – und die Epitaxieausrüstung entwickelte sich von kleinen Forschungs- und Entwicklungsplattformen zu Systemen der nächsten Generation, die für die Fertigung in großem Maßstab gebaut wurden. Zu den heutigen repräsentativen Plattformen gehören:

Repräsentative SiC-Epitaxie-Ausrüstung, heute

Von 4 Zoll auf 8 Zoll: Wie Wafer-Skalierung Kosten senkt und die Produktion steigert

Jede Erhöhung des SiC-Wafer-Durchmessers – von 4 Zoll auf 6 Zoll und jetzt in Richtung 8 Zoll – dient dazu, die Produktion pro Wafer zu steigern und die Herstellungskosten zu senken, und die Branche befindet sich derzeit mitten in der Umstellung von 6 Zoll auf 8 Zoll.

Im Jahr 2013 drängte die SiC-Industrie auf die Umstellung von 4-Zoll- auf 6-Zoll-Wafer. Zu dieser Zeit erweiterten Unternehmen wie Cree, Dow Corning, Showa Denko und Norstel alle ihre 6-Zoll-SiC-Substrat- und Epitaxiekapazitäten. Das Ziel der Umstellung auf größere Wafer war klar: Steigerung der Produktion pro Wafer, Senkung der Herstellungskosten und Verbesserung der branchenweiten Skalierbarkeit.

Mehr als ein Jahrzehnt später treibt dieselbe Logik nun den Wandel von 6 Zoll auf 8 Zoll voran. GlobalWafers, der drittgrößte Siliziumwaferhersteller der Welt, hat erklärt, dass die branchenweite 8-Zoll-SiC-Waferproduktion bis 2025–2026 stark ansteigen wird – ein Übergang, der noch zwei Jahre zuvor als unrealistisch galt (GlobalWafers, 2023). Onsemi und Resonac haben ebenfalls das Jahr 2025 für die Qualifizierung und den Ausbau von 8-Zoll-SiC-Substraten und Epitaxiewafern angestrebt (Compound Semiconductor News, 2024).

Was sich ändert, wenn SiC-Wafer größer werden

Da sowohl der Waferdurchmesser als auch die Qualitätsanforderungen steigen, sind die im gesamten Herstellungsprozess verwendeten Materialien und Gerätekomponenten für den Fortschritt von SiC ebenso entscheidend geworden wie die Wafer selbst.

Jenseits des Wafers: Warum Gerätekomponenten genauso wichtig sind wie SiC-Chips

SiC-Wafer, MOSFETs und Leistungsmodule erhalten die meiste Aufmerksamkeit, aber die Gerätekomponenten in Epitaxie- und Kristallwachstumsreaktoren sind ebenso extremen Bedingungen ausgesetzt – und herkömmlicher Graphit allein reicht nicht mehr aus, um die heutigen Anforderungen zu erfüllen.

Diskussionen über die SiC-Industrie konzentrieren sich in der Regel auf drei Dinge: SiC-Wafer, SiC-MOSFETs und Leistungsmodule. Ebenso wichtig sind in der Praxis die Gerätekomponenten, aus denen sie hergestellt werden. In Epitaxiereaktoren, Kristallwachstumsöfen und anderen Hochtemperatur-Halbleiterprozessen müssen interne Komponenten Folgendes aushalten:

• Umgebungen mit extrem hohen Temperaturen

• Korrosive Prozessgase wie H₂ und HCl

• Strenge Sauberkeitsanforderungen, um eine Kontamination des Wafers zu vermeiden

Herkömmlicher Graphit bietet eine starke thermische Leistung, ist jedoch bei längerem Gebrauch anfällig für Oberflächenkorrosion, Partikelbildung und verkürzte Lebensdauer – allesamt direkte Bedrohungen für die Waferausbeute und die Prozesskonsistenz. Dies ist die Lücke, die die CVD-SiC-Beschichtungstechnologie zunehmend schließt.

CVD-SiC-Beschichtung: Die Technologie hinter zuverlässigen Hochtemperaturgeräten

SiC-Epitaxie und SiC-Beschichtung sind zwei unterschiedliche Technologien, die unterschiedlichen Zwecken dienen: Bei der Epitaxie wird das Halbleitermaterial selbst hergestellt, während die CVD-SiC-Beschichtung die Ausrüstung schützt, die es herstellt.

Die SiC-Epitaxie wird zur Herstellung von Halbleitermaterial eingesetzt. Im Gegensatz dazu wird die SiC-CVD-Beschichtung hauptsächlich auf kritische interne Komponenten von Halbleitergeräten aufgebracht, um deren Beständigkeit gegenüber hohen Temperaturen und Korrosion zu verbessern.

SiC-Epitaxie vs. SiC-Beschichtung: Zwei verschiedene Technologien 

So funktioniert der Graphit + SiC-Verbundwerkstoff

CVD-SiC-beschichtete Graphitkomponenten werden heute häufig in SiC-Epitaxiegeräten, MOCVD-Geräten, LED-Epitaxiegeräten und RTP/RTA-Wärmebehandlungsgeräten verwendet. Die Abscheidung einer dichten SiC-Schicht auf hochreinem Graphit vereint die Stärken beider Materialien:

Warum Graphit + SiC als Verbundwerkstoff funktionieren

Fortschrittliche SiC-Materiallösungen von VETEK Semiconductor

Da Halbleiter der dritten Generation weiter skalieren, bietet VETEK Semiconductor drei komplementäre Materiallösungen an – CVD-SiC-beschichtetes Graphit, festes CVD-SiC und TaC-Beschichtungen – entwickelt für die spezifischen thermischen und chemischen Anforderungen von SiC-Fertigungsanlagen.

CVD-SiC-beschichtete Graphitkomponenten

Die CVD-SiC-beschichteten Graphitkomponenten von VETEK werden in SiC-Epitaxie-Suszeptoren, MOCVD-Trägern, Wafer-Trägern, Halbmondkomponenten und Halbleiter-Wärmekomponenten verwendet.

• Hochreine SiC-Beschichtung

• Hervorragende thermische Gleichmäßigkeit

• Hochtemperaturstabilität

• Starke Korrosionsbeständigkeit

VETEK CVD SiC-beschichtete Graphitkomponenten für SiC-Epitaxie, MOCVD und thermische Halbleiteranwendungen.

Massive CVD-SiC-Komponenten

Für fortgeschrittene Ätz- und Hochtemperaturprozesse bietet Solid CVD SiC eine höhere Materialleistung. Zu den typischen Anwendungen gehören Fokusringe, RTP/EPI-Komponenten und Plasmaprozesskomponenten.

• Dichte, porenfreie Struktur

• Extrem geringe Partikelbildung

• Hervorragende Plasmabeständigkeit

• Lange Lebensdauer

Solide CVD-SiC-Fokusringe und PlasmaProzesskomponenten für fortgeschrittene Ätz- und RTP/EPI-Anwendungen.

TaC-Beschichtungslösungen

Da die Wachstumstemperaturen von SiC-Kristallen weiter steigen, sind Tantalcarbid (TaC)-Beschichtungen zu einem wichtigen Material für Ultrahochtemperatur-Wärmefelder geworden. TaC bietet eine höhere Temperaturstabilität, ausgezeichnete Oxidationsbeständigkeit und hervorragende chemische Stabilität – geeignet für SiC-Kristallwachstumsgeräte, Hochtemperatur-Wärmefeldkomponenten und Halbleiterfertigungsumgebungen der dritten Generation.

TaC-beschichtete Hot-Zone-Komponenten, die für das Wachstum von SiC-Kristallen bei ultrahohen Temperaturen entwickelt wurden.

Zusammen erfüllen diese drei Produktlinien die unterschiedlichen thermischen und chemischen Anforderungen in der gesamten SiC-Herstellungskette:

Die drei SiC-Materiallösungen von VETEK auf einen Blick

Häufig gestellte Fragen

1. Was ist der Unterschied zwischen SiC-Epitaxie und SiC-Beschichtung?

Bei der SiC-Epitaxie entsteht eine kristalline Siliziumkarbidschicht, um Halbleiterwafer und -geräte herzustellen. Bei der SiC-Beschichtung (CVD SiC) wird eine dünne, dichte SiC-Schicht auf Graphit oder anderen Substraten abgeschieden, um Gerätekomponenten vor Hitze und Korrosion zu schützen. Sie dienen unterschiedlichen Zwecken innerhalb derselben Produktionskette.

2. Warum wird Graphit mit SiC beschichtet und nicht allein verwendet?

Blanker Graphit verfügt über eine hervorragende Wärmeleitfähigkeit und Stabilität, korrodiert jedoch und erzeugt Partikel, wenn er im Laufe der Zeit hohen Temperaturen und Gasen wie H₂ und HCl ausgesetzt wird. Eine dichte CVD-SiC-Beschichtung erhöht die Härte, chemische Beständigkeit und Hochtemperaturstabilität und bewahrt gleichzeitig die thermische Leistung des Graphits.

3. Wofür wird Solid CVD SiC verwendet?

Festes CVD-SiC ist ein vollständig dichtes, nicht poröses Siliziumkarbidmaterial, das in fortschrittlichen Ätz- und Hochtemperaturprozessen verwendet wird, einschließlich Fokusringen, RTP/EPI-Komponenten und Plasmaprozessteilen – Anwendungen, die eine extrem geringe Partikelerzeugung und eine lange Lebensdauer erfordern.

4. Warum benötigt das SiC-Kristallwachstum TaC-Beschichtungen?

Da SiC-Kristallwachstumsprozesse zu höheren Temperaturen führen, benötigen Komponenten in der heißen Zone Materialien, die Oxidation widerstehen und unter extremer Hitze chemisch stabil bleiben. TaC-Beschichtungen bieten eine höhere Temperaturstabilität als Graphit allein und eignen sich daher gut für SiC-Kristallwachstumsöfen und Hochtemperatur-Wärmefeldkomponenten.

5. Warum stellt die Branche von 6-Zoll- auf 8-Zoll-SiC-Wafer um?

Größere Wafer erhöhen die Anzahl der Chips pro Wafer, was die Herstellungskosten pro Chip senkt und die Skalierbarkeit verbessert. Waferhersteller und Chiphersteller qualifizieren jetzt 8-Zoll-SiC-Substrate und epitaktische Wafer, um der wachsenden Nachfrage von Elektrofahrzeugen, erneuerbaren Energien und industrieller Leistungselektronik gerecht zu werden.

Zusammenfassung: Die SiC-Herstellung ist in die Ära des Prozessfähigkeitswettbewerbs eingetreten

Die entscheidende Frage der SiC-Industrie hat sich geändert – von der Frage, ob das Material kommerzialisiert werden könnte, hin zu der Frage, wie effizient, sauber und konsistent es in großem Maßstab hergestellt werden kann.

Im Jahr 2013 war die zentrale Frage der Branche, ob SiC überhaupt kommerzialisiert werden kann. Heute, mehr als ein Jahrzehnt später, stellt sich die Frage: Wie können SiC-Produkte mit höherer Effizienz, weniger Defekten und größerer Stabilität hergestellt werden?

Während die SiC-Industrie weiter wächst, bleiben größere Waferdurchmesser, verbesserte Epitaxietechnologie und optimierte Fertigungsanlagen die Kernrichtungen der Branchenentwicklung. Gleichzeitig werden hochreine CVD-SiC-Beschichtungen, feste CVD-SiC- und TaC-Materialien zu Schlüsseltechnologien für die Gewährleistung der Stabilität der Halbleiterfertigung.

VETEK Semiconductor konzentriert sich weiterhin auf fortschrittliche Halbleitermaterialien und bietet zuverlässige Materiallösungen für die SiC-Epitaxie, das Kristallwachstum und die Hochtemperatur-Halbleiterfertigung – und unterstützt damit die nächste Generation der Halbleiterindustrie.

Über VETEK Semiconductor

VETEK Semiconductor entwickelt und fertigt CVD-SiC-beschichtete Graphit-, Solid-CVD-SiC- und TaC-Beschichtungskomponenten für SiC-Epitaxie, MOCVD, Kristallwachstum und Hochtemperatur-Halbleiterausrüstung. Dieser Artikel wurde vom Materialtechnikteam von VETEK auf der Grundlage von Branchenberichten von Semiconductor Today und aktuellen SiC-Wafer-Marktanalysen erstellt und spiegelt die direkte Erfahrung von VETEK bei der Lieferung von Komponenten für SiC-Fertigungslinien wider.

Referenzierte Quellen: Semiconductor Today (Branchenbeitrag 2013); Öffentliche Erklärungen von GlobalWafers (2023); Compound Semiconductor News (2024); Patsnap Eureka SiC-Wafer-Preisanalyse (2025). Abbildungen und Ausstattungsangaben zu VETEK-Produkten basieren auf internen Produktdokumentationen.