Tehničke poteškoće u stabilnoj masovnoj proizvodnji visokokvalitetnih pločica od silicijum karbida sa stabilnim performansama uključuju:
1) Pošto kristali treba da rastu u zatvorenom okruženju na visokim temperaturama iznad 2000°C, zahtevi za kontrolu temperature su izuzetno visoki;
2) Budući da silicijum karbid ima više od 200 kristalnih struktura, ali samo nekoliko struktura monokristalnog silicijum karbida su potrebni poluprovodnički materijali, omjer silicijum-ugljik, gradijent temperature rasta i rast kristala treba precizno kontrolisati tokom proces rasta kristala. Parametri kao što su brzina i pritisak protoka vazduha;
3) Pod metodom prenosa parne faze, tehnologija ekspanzije prečnika rasta kristala silicijum karbida je izuzetno teška;
4) Tvrdoća silicijum karbida je bliska dijamantu, a tehnike rezanja, brušenja i poliranja su teške.
SiC epitaksijalne pločice: obično se proizvode metodom hemijskog taloženja iz pare (CVD). Prema različitim tipovima dopinga, dijele se na epitaksijalne pločice n-tipa i p-tipa. Domaći Hantian Tiancheng i Dongguan Tianyu već mogu ponuditi 4-inčne/6-inčne SiC epitaksijalne pločice. Kod SiC epitaksije, teško je kontrolisati u visokonaponskom polju, a kvalitet SiC epitaksije ima veći uticaj na SiC uređaje. Štaviše, epitaksijalnu opremu monopoliziraju četiri vodeće kompanije u industriji: Axitron, LPE, TEL i Nuflare.
Epitaksijal od silicijum karbidaVafer se odnosi na pločicu od silicijum karbida u kojoj se na originalnoj podlozi od silicijum karbida uzgaja monokristalni film (epitaksijalni sloj) sa određenim zahtevima i isti kao i kristal supstrata. Epitaksijalni rast uglavnom koristi opremu za CVD (hemijsko taloženje pare) ili opremu MBE (Epitaksija molekularnim zracima). Budući da se uređaji od silicijum karbida proizvode direktno u epitaksijalnom sloju, kvaliteta epitaksijalnog sloja direktno utiče na performanse i prinos uređaja. Kako otpornost uređaja na napon nastavlja da raste, debljina odgovarajućeg epitaksijalnog sloja postaje sve deblja i kontrola postaje teža. Generalno, kada je napon oko 600V, potrebna debljina epitaksijalnog sloja je oko 6 mikrona; kada je napon između 1200-1700V, potrebna debljina epitaksijalnog sloja dostiže 10-15 mikrona. Ako napon dosegne više od 10.000 volti, može biti potrebna debljina epitaksijalnog sloja veća od 100 mikrona. Kako debljina epitaksijalnog sloja nastavlja da raste, postaje sve teže kontrolisati ujednačenost debljine i otpornosti i gustinu defekta.
SiC uređaji: Na međunarodnom nivou, 600~1700V SiC SBD i MOSFET su industrijalizovani. Glavni proizvodi rade na naponskim nivoima ispod 1200V i prvenstveno prihvataju TO pakiranje. Što se tiče cijena, SiC proizvodi na međunarodnom tržištu imaju cijene oko 5-6 puta više od njihovih SiC analoga. Međutim, cijene se smanjuju po godišnjoj stopi od 10%. sa ekspanzijom proizvodnje materijala i uređaja u naredne 2-3 godine, ponuda na tržištu će se povećati, što će dovesti do daljeg smanjenja cijena. Očekuje se da će, kada cijena dostigne 2-3 puta više od Si proizvoda, prednosti koje donose smanjeni troškovi sistema i poboljšane performanse postepeno tjerati SiC da zauzme tržišni prostor Si uređaja.
Tradicionalna ambalaža je bazirana na supstratima na bazi silicija, dok poluvodički materijali treće generacije zahtijevaju potpuno novi dizajn. Korišćenje tradicionalnih struktura pakovanja zasnovanih na silikonu za uređaje za napajanje širokog pojasa može uvesti nova pitanja i izazove u vezi sa frekvencijom, upravljanjem toplotom i pouzdanošću. SiC energetski uređaji su osjetljiviji na parazitski kapacitet i induktivnost. U poređenju sa Si uređajima, SiC čipovi za napajanje imaju veće brzine prebacivanja, što može dovesti do prekoračenja, oscilacija, povećanih gubitaka pri prebacivanju, pa čak i kvarova uređaja. Osim toga, SiC energetski uređaji rade na višim temperaturama, zahtijevajući naprednije tehnike upravljanja toplinom.
Razvijene su različite strukture na polju širokopojasnih poluprovodničkih energetskih pakovanja. Tradicionalno pakovanje modula za napajanje na bazi Si više nije prikladno. Kako bi se riješili problemi visokih parazitskih parametara i slabe efikasnosti odvođenja topline tradicionalnog pakiranja modula napajanja baziranog na Si, pakovanje modula napajanja SiC u svojoj strukturi usvaja bežično međusobno povezivanje i dvostrano hlađenje, a također usvaja materijale supstrata s boljom termičkom temperaturom. provodljivosti, i pokušao je integrirati kondenzatore za razdvajanje, senzore temperature/struje i pogonska kola u strukturu modula, te razvio niz različitih tehnologije pakovanja modula. Štaviše, postoje visoke tehničke prepreke za proizvodnju SiC uređaja, a troškovi proizvodnje su visoki.
Uređaji od silicijum karbida proizvode se nanošenjem epitaksijalnih slojeva na podlogu od silicijum karbida kroz CVD. Proces uključuje čišćenje, oksidaciju, fotolitografiju, jetkanje, skidanje fotorezista, ionsku implantaciju, hemijsko taloženje silicijum nitrida parom, poliranje, raspršivanje i naknadne korake obrade kako bi se formirala struktura uređaja na SiC monokristalnoj podlozi. Glavni tipovi SiC energetskih uređaja uključuju SiC diode, SiC tranzistore i SiC module napajanja. Zbog faktora kao što su spora brzina proizvodnje materijala uzvodno i niske stope prinosa, uređaji od silicijum karbida imaju relativno visoke troškove proizvodnje.
Osim toga, proizvodnja uređaja od silicijum karbida ima određene tehničke poteškoće:
1) Neophodno je razviti specifičan proces koji je u skladu sa karakteristikama silicijum karbidnih materijala. Na primjer: SiC ima visoku tačku topljenja, što čini tradicionalnu termičku difuziju neučinkovitom. Neophodno je koristiti metod dopinga ionske implantacije i precizno kontrolisati parametre kao što su temperatura, brzina zagrijavanja, trajanje i protok plina; SiC je inertan prema hemijskim rastvaračima. Treba koristiti metode kao što su suho jetkanje, a materijale za maske, mješavine plinova, kontrolu nagiba bočne stijenke, brzinu jetkanja, hrapavost bočne stijenke, itd. treba optimizirati i razviti;
2) Proizvodnja metalnih elektroda na pločicama od silicijum karbida zahteva kontaktni otpor ispod 10-5Ω2. Materijali elektroda koji ispunjavaju zahtjeve, Ni i Al, imaju lošu termičku stabilnost iznad 100°C, ali Al/Ni ima bolju termičku stabilnost. Specifični kontaktni otpor /W/Au kompozitnog materijala elektrode je 10-3Ω2 veći;
3) SiC ima veliko habanje rezanja, a tvrdoća SiC je na drugom mjestu nakon dijamanta, što postavlja veće zahtjeve za sečenje, brušenje, poliranje i druge tehnologije.
Štaviše, teže je proizvesti uređaje za napajanje od silicijum karbida. Prema različitim strukturama uređaja, uređaji za napajanje od silicijum karbida mogu se uglavnom podijeliti na planarne uređaje i rovovske uređaje. Planarni uređaji za napajanje od silicijum karbida imaju dobru konzistentnost jedinice i jednostavan proizvodni proces, ali su skloni JFET efektu i imaju visoku parazitnu kapacitivnost i otpornost u uključenom stanju. U poređenju sa planarnim uređajima, uređaji za napajanje od silicijum karbida u rovovima imaju manju konzistenciju jedinice i složeniji proizvodni proces. Međutim, struktura rova pogoduje povećanju gustine jedinice uređaja i manje je vjerovatno da će proizvesti JFET efekat, što je korisno za rješavanje problema mobilnosti kanala. Ima izvrsna svojstva kao što su mali otpor na uključenje, mali parazitski kapacitet i niska potrošnja energije pri prebacivanju. Ima značajne prednosti u pogledu cijene i performansi i postao je glavni smjer razvoja uređaja za napajanje od silicijum karbida. Prema službenoj web stranici Rohm-a, ROHM Gen3 struktura (Gen1 Trench struktura) je samo 75% površine čipa Gen2 (Plannar2), a otpornost ROHM Gen3 strukture je smanjena za 50% pod istom veličinom čipa.
Podloga od silicijum karbida, epitaksija, front-end, troškovi istraživanja i razvoja i drugi čine 47%, 23%, 19%, 6% i 5% troškova proizvodnje uređaja od silicijum karbida.
Konačno, fokusirat ćemo se na rušenje tehničkih barijera supstrata u lancu industrije silicijum karbida.
Proces proizvodnje supstrata od silicijum karbida sličan je onom kod supstrata na bazi silicijuma, ali je teži.
Proces proizvodnje supstrata od silicijum karbida općenito uključuje sintezu sirovina, rast kristala, obradu ingota, rezanje ingota, mljevenje pločica, poliranje, čišćenje i druge veze.
Faza rasta kristala je srž cijelog procesa, a ovaj korak određuje električna svojstva supstrata od silicijum karbida.
Materijali od silicijum karbida teško se uzgajaju u tečnoj fazi u normalnim uslovima. Metoda rasta u parnoj fazi koja je danas popularna na tržištu ima temperaturu rasta iznad 2300°C i zahtijeva preciznu kontrolu temperature rasta. Cijeli proces rada je gotovo teško promatrati. Mala greška će dovesti do odlaganja proizvoda. Za poređenje, silicijumski materijali zahtevaju samo 1600℃, što je mnogo niže. Priprema podloga od silicijum karbida takođe se suočava sa poteškoćama kao što su spori rast kristala i visoki zahtevi za kristalnim oblikom. Rast pločice od silicijum karbida traje oko 7 do 10 dana, dok izvlačenje silicijumske šipke traje samo 2 i po dana. Štaviše, silicijum karbid je materijal čija je tvrdoća na drugom mestu nakon dijamanta. Mnogo će se izgubiti tokom rezanja, brušenja i poliranja, a omjer izlaza je samo 60%.
Znamo da je trend povećanja veličine supstrata od silicijum karbida, jer kako veličina nastavlja da raste, zahtevi za tehnologijom ekspanzije prečnika postaju sve veći i veći. To zahtijeva kombinaciju različitih tehničkih kontrolnih elemenata da bi se postigao iterativni rast kristala.
Vrijeme objave: 22.05.2024