Техническите трудности при стабилно масово производство на висококачествени пластини от силициев карбид със стабилна производителност включват:
1) Тъй като кристалите трябва да растат в запечатана среда с висока температура над 2000°C, изискванията за контрол на температурата са изключително високи;
2) Тъй като силициевият карбид има повече от 200 кристални структури, но само няколко структури от монокристален силициев карбид са необходимите полупроводникови материали, съотношението силиций към въглерод, температурният градиент на растеж и растежът на кристалите трябва да бъдат прецизно контролирани по време на процесът на растеж на кристалите. Параметри като скорост и налягане на въздушния поток;
3) При метода за предаване на парна фаза технологията за разширяване на диаметъра на растежа на кристалите от силициев карбид е изключително трудна;
4) Твърдостта на силициевия карбид е близка до тази на диаманта, а техниките за рязане, шлайфане и полиране са трудни.
SiC епитаксиални пластини: обикновено се произвеждат чрез метод на химическо отлагане на пари (CVD). Според различните видове допинг, те се разделят на епитаксиални пластини тип n и p-тип. Вътрешните Hantian Tiancheng и Dongguan Tianyu вече могат да предоставят 4-инчови/6-инчови SiC епитаксиални пластини. За SiC епитаксията е трудно да се контролира в полето с високо напрежение и качеството на SiC епитаксията има по-голямо влияние върху SiC устройствата. Освен това епитаксиалното оборудване е монополизирано от четирите водещи компании в бранша: Axitron, LPE, TEL и Nuflare.
Силициев карбид епитаксиаленподложка се отнася до пластина от силициев карбид, в която монокристален филм (епитаксиален слой) с определени изисквания и същите като кристала на субстрата се отглежда върху оригиналния субстрат от силициев карбид. Епитаксиалното израстване използва основно CVD (Chemical Vapor Deposition, ) оборудване или MBE (Molecular Beam Epitaxy) оборудване. Тъй като устройствата от силициев карбид се произвеждат директно в епитаксиалния слой, качеството на епитаксиалния слой пряко влияе върху производителността и добива на устройството. Тъй като издръжливостта на напрежението на устройството продължава да се увеличава, дебелината на съответния епитаксиален слой става по-дебел и контролът става по-труден. Обикновено, когато напрежението е около 600 V, необходимата дебелина на епитаксиалния слой е около 6 микрона; когато напрежението е между 1200-1700V, необходимата дебелина на епитаксиалния слой достига 10-15 микрона. Ако напрежението достигне повече от 10 000 волта, може да е необходима дебелина на епитаксиалния слой над 100 микрона. Тъй като дебелината на епитаксиалния слой продължава да се увеличава, става все по-трудно да се контролира плътността на дебелината и съпротивлението и плътността на дефектите.
SiC устройства: В международен мащаб 600~1700V SiC SBD и MOSFET са индустриализирани. Основните продукти работят при нива на напрежение под 1200V и основно приемат TO опаковка. По отношение на ценообразуването, продуктите от SiC на международния пазар са на цена около 5-6 пъти по-висока от техните колеги от Si. Въпреки това, цените намаляват с годишен темп от 10%. с разширяването на производството на материали и устройства нагоре по веригата през следващите 2-3 години предлагането на пазара ще се увеличи, което ще доведе до по-нататъшно намаляване на цените. Очаква се, че когато цената достигне 2-3 пъти тази на Si продуктите, предимствата, донесени от намалените системни разходи и подобрената производителност, постепенно ще накарат SiC да заеме пазарното пространство на Si устройства.
Традиционните опаковки се базират на субстрати на основата на силиций, докато полупроводниковите материали от трето поколение изискват изцяло нов дизайн. Използването на традиционни базирани на силиций опаковъчни структури за широколентови захранващи устройства може да въведе нови проблеми и предизвикателства, свързани с честотата, термичното управление и надеждността. SiC захранващите устройства са по-чувствителни към паразитен капацитет и индуктивност. В сравнение със Si устройствата, SiC захранващите чипове имат по-бързи скорости на превключване, което може да доведе до превишаване, колебания, увеличени загуби при превключване и дори неизправности на устройството. Освен това захранващите устройства от SiC работят при по-високи температури, което изисква по-усъвършенствани техники за управление на топлината.
Разработено е разнообразие от различни структури в областта на полупроводниковите силови опаковки с широка лента. Традиционните опаковки на захранващи модули, базирани на Si, вече не са подходящи. За да се решат проблемите с високите паразитни параметри и лошата ефективност на разсейване на топлината на традиционните опаковки на захранващ модул, базирани на Si, опаковката на захранващия модул на SiC приема безжична взаимовръзка и технология за двустранно охлаждане в своята структура, а също така приема субстратните материали с по-добра топлинна ефективност проводимост и се опита да интегрира отделящи кондензатори, сензори за температура/ток и задвижващи вериги в структурата на модула и разработи разнообразие от различни модули опаковъчни технологии. Освен това има високи технически бариери пред производството на SiC устройства и производствените разходи са високи.
Устройствата от силициев карбид се произвеждат чрез отлагане на епитаксиални слоеве върху субстрат от силициев карбид чрез CVD. Процесът включва почистване, окисление, фотолитография, ецване, отстраняване на фоторезист, йонна имплантация, химическо отлагане на силициев нитрид от пари, полиране, разпрашване и последващи стъпки на обработка за формиране на структурата на устройството върху SiC монокристален субстрат. Основните типове SiC захранващи устройства включват SiC диоди, SiC транзистори и SiC захранващи модули. Поради фактори като бавна скорост на производство на материал нагоре по веригата и ниски нива на добив, устройствата със силициев карбид имат относително високи производствени разходи.
В допълнение, производството на устройства от силициев карбид има някои технически трудности:
1) Необходимо е да се разработи специфичен процес, който е в съответствие с характеристиките на материалите от силициев карбид. Например: SiC има висока точка на топене, което прави традиционната термична дифузия неефективна. Необходимо е да се използва метод на йонно имплантиране на допинг и точно да се контролират параметри като температура, скорост на нагряване, продължителност и газов поток; SiC е инертен към химически разтворители. Трябва да се използват методи като сухо ецване и трябва да се оптимизират и развиват материали за маски, газови смеси, контрол на наклона на страничната стена, скорост на ецване, грапавост на страничната стена и т.н.;
2) Производството на метални електроди върху пластини от силициев карбид изисква контактно съпротивление под 10-5Ω2. Електродните материали, които отговарят на изискванията, Ni и Al, имат лоша термична стабилност над 100°C, но Al/Ni има по-добра термична стабилност. Контактното специфично съпротивление на /W/Au композитния електроден материал е с 10-3Ω2 по-високо;
3) SiC има високо износване при рязане, а твърдостта на SiC е на второ място след диаманта, което поставя по-високи изисквания за рязане, шлайфане, полиране и други технологии.
Освен това силовите устройства от силициев карбид са по-трудни за производство. Според различните структури на устройството силовите устройства от силициев карбид могат да бъдат разделени главно на равнинни устройства и устройства за окоп. Планарните захранващи устройства от силициев карбид имат добра последователност на единиците и прост производствен процес, но са предразположени към JFET ефект и имат висок паразитен капацитет и съпротивление при включено състояние. В сравнение с планарните устройства, захранващите устройства от силициев карбид имат по-ниска консистенция на единица и имат по-сложен производствен процес. Въпреки това структурата на изкопа е благоприятна за увеличаване на плътността на устройството и е по-малко вероятно да произведе JFET ефект, който е от полза за решаването на проблема с мобилността на канала. Той има отлични свойства като малко съпротивление при включване, малък паразитен капацитет и ниска консумация на енергия при превключване. Той има значителни предимства в цената и производителността и се е превърнал в основно направление в развитието на захранващи устройства от силициев карбид. Според официалния уебсайт на Rohm структурата ROHM Gen3 (структура Gen1 Trench) е само 75% от площта на чипа Gen2 (Plannar2), а съпротивлението при включване на структурата ROHM Gen3 е намалено с 50% при същия размер на чипа.
Разходите за субстрат от силициев карбид, епитаксия, преден край, разходи за научноизследователска и развойна дейност и други представляват съответно 47%, 23%, 19%, 6% и 5% от производствените разходи на устройствата със силициев карбид.
И накрая, ще се съсредоточим върху премахването на техническите бариери на субстратите във веригата на производството на силициев карбид.
Процесът на производство на субстрати от силициев карбид е подобен на този на субстрати на основата на силиций, но е по-труден.
Производственият процес на субстрат от силициев карбид обикновено включва синтез на суровини, растеж на кристали, обработка на слитък, рязане на слитък, шлайфане на пластини, полиране, почистване и други връзки.
Етапът на растеж на кристала е сърцевината на целия процес и този етап определя електрическите свойства на субстрата от силициев карбид.
Материалите от силициев карбид трудно се отглеждат в течна фаза при нормални условия. Методът на растеж в парна фаза, популярен на пазара днес, има температура на растеж над 2300°C и изисква прецизен контрол на температурата на растеж. Целият процес на работа е почти труден за наблюдение. Лека грешка ще доведе до бракуване на продукта. За сравнение, силициевите материали изискват само 1600 ℃, което е много по-ниско. Приготвянето на субстрати от силициев карбид също е изправено пред трудности като бавен растеж на кристали и високи изисквания за кристална форма. Растежът на пластина от силициев карбид отнема около 7 до 10 дни, докато издърпването на силициева пръчка отнема само 2 дни и половина. Освен това силициевият карбид е материал, чиято твърдост е на второ място след диаманта. Той ще загуби много по време на рязане, шлайфане и полиране, а коефициентът на изход е само 60%.
Знаем, че тенденцията е да се увеличава размерът на субстратите от силициев карбид, тъй като размерът продължава да се увеличава, изискванията за технологията за разширяване на диаметъра стават все по-високи и по-високи. Това изисква комбинация от различни технически контролни елементи за постигане на итеративен растеж на кристали.
Време на публикуване: 22 май 2024 г