Technické potíže při stabilní masové výrobě vysoce kvalitních destiček z karbidu křemíku se stabilním výkonem zahrnují:
1) Vzhledem k tomu, že krystaly potřebují růst ve vysokoteplotním uzavřeném prostředí nad 2000 °C, jsou požadavky na řízení teploty extrémně vysoké;
2) Vzhledem k tomu, že karbid křemíku má více než 200 krystalových struktur, ale pouze několik struktur monokrystalického karbidu křemíku je požadovanými polovodičovými materiály, je třeba během procesu přesně kontrolovat poměr křemíku k uhlíku, gradient teploty růstu a růst krystalů. proces růstu krystalů. Parametry jako rychlost a tlak proudění vzduchu;
3) Podle metody přenosu v parní fázi je technologie expanze průměru růstu krystalů karbidu křemíku extrémně obtížná;
4) Tvrdost karbidu křemíku je blízká tvrdosti diamantu a techniky řezání, broušení a leštění jsou obtížné.
SiC epitaxní destičky: obvykle vyráběné metodou chemické depozice z plynné fáze (CVD). Podle různých typů dopingu se dělí na epitaxní wafery typu n a typu p. Domácí Hantian Tiancheng a Dongguan Tianyu již mohou poskytnout 4palcové/6palcové epitaxní destičky SiC. U SiC epitaxe je obtížné kontrolovat v poli vysokého napětí a kvalita SiC epitaxe má větší dopad na SiC zařízení. Epitaxní zařízení je navíc monopolizováno čtyřmi předními společnostmi v oboru: Axitron, LPE, TEL a Nuflare.
Epitaxní karbid křemíkuwafer označuje plátek z karbidu křemíku, ve kterém monokrystalický film (epitaxiální vrstva) s určitými požadavky a stejnými jako krystal substrátu roste na původním substrátu z karbidu křemíku. Epitaxní růst využívá hlavně zařízení CVD (Chemical Vapor Deposition, ) nebo zařízení MBE (Molecular Beam Epitaxy). Protože jsou zařízení z karbidu křemíku vyráběna přímo v epitaxní vrstvě, kvalita epitaxní vrstvy přímo ovlivňuje výkon a výtěžnost zařízení. Jak napěťová odolnost zařízení stále roste, tloušťka odpovídající epitaxní vrstvy se stává silnější a ovládání se stává obtížnější. Obecně, když je napětí kolem 600 V, je požadovaná tloušťka epitaxní vrstvy asi 6 mikronů; když je napětí mezi 1200-1700V, požadovaná tloušťka epitaxní vrstvy dosahuje 10-15 mikronů. Pokud napětí dosáhne více než 10 000 voltů, může být vyžadována tloušťka epitaxní vrstvy větší než 100 mikronů. Jak se tloušťka epitaxní vrstvy stále zvětšuje, je stále obtížnější kontrolovat rovnoměrnost tloušťky a měrného odporu a hustotu defektů.
SiC zařízení: Mezinárodně byly 600~1700V SiC SBD a MOSFET industrializovány. Běžné produkty fungují na úrovních napětí pod 1200 V a primárně využívají obaly TO. Pokud jde o ceny, produkty SiC na mezinárodním trhu jsou přibližně 5-6krát vyšší než jejich protějšky Si. Ceny však klesají ročně o 10 %. s expanzí upstreamových materiálů a výroby zařízení v příštích 2-3 letech se nabídka trhu zvýší, což povede k dalšímu snížení cen. Očekává se, že když cena dosáhne 2-3násobku ceny produktů Si, výhody, které přináší snížené náklady na systém a lepší výkon, postupně přiměje SiC k tomu, aby obsadil tržní prostor Si zařízení.
Tradiční obaly jsou založeny na substrátech na bázi křemíku, zatímco polovodičové materiály třetí generace vyžadují zcela nový design. Používání tradičních obalových struktur na bázi křemíku pro výkonová zařízení s širokým pásmovým odstupem může přinést nové problémy a výzvy související s frekvencí, tepelným managementem a spolehlivostí. SiC výkonová zařízení jsou citlivější na parazitní kapacitu a indukčnost. Ve srovnání s Si zařízeními mají SiC výkonové čipy rychlejší spínací rychlosti, což může vést k překmitům, oscilacím, zvýšeným spínacím ztrátám a dokonce poruchám zařízení. Napájecí zařízení SiC navíc pracují při vyšších teplotách, což vyžaduje pokročilejší techniky řízení teploty.
V oblasti balení polovodičových výkonů se širokým pásmem byla vyvinuta řada různých struktur. Tradiční balení napájecích modulů na bázi Si již není vhodné. Aby se vyřešily problémy s vysokými parazitními parametry a špatnou účinností rozptylu tepla tradičních obalů výkonových modulů na bázi Si, obal výkonových modulů SiC ve své struktuře přijímá bezdrátové propojení a technologii oboustranného chlazení a také přijímá podkladové materiály s lepšími tepelnými vlastnostmi. vodivosti a pokusil se integrovat oddělovací kondenzátory, teplotní/proudové senzory a obvody pohonu do struktury modulu a vyvinul řadu různých technologií balení modulů. Kromě toho existují vysoké technické překážky pro výrobu zařízení SiC a výrobní náklady jsou vysoké.
Zařízení z karbidu křemíku se vyrábí nanášením epitaxních vrstev na substrát z karbidu křemíku pomocí CVD. Proces zahrnuje čištění, oxidaci, fotolitografii, leptání, odstranění fotorezistu, iontovou implantaci, chemické napařování nitridu křemíku, leštění, naprašování a následné kroky zpracování za účelem vytvoření struktury zařízení na substrátu monokrystalu SiC. Mezi hlavní typy SiC napájecích zařízení patří SiC diody, SiC tranzistory a SiC výkonové moduly. Kvůli faktorům, jako je pomalá rychlost výroby materiálu proti proudu a nízká míra výtěžnosti, mají zařízení z karbidu křemíku relativně vysoké výrobní náklady.
Kromě toho má výroba zařízení z karbidu křemíku určité technické potíže:
1) Je nutné vyvinout specifický proces, který je v souladu s charakteristikami materiálů z karbidu křemíku. Například: SiC má vysoký bod tání, což činí tradiční tepelnou difúzi neúčinnou. Je nutné použít dopingovou metodu iontové implantace a přesně řídit parametry, jako je teplota, rychlost ohřevu, doba trvání a průtok plynu; SiC je inertní vůči chemickým rozpouštědlům. Měly by být použity metody jako suché leptání a materiály masek, směsi plynů, kontrola sklonu boční stěny, rychlost leptání, drsnost boční stěny atd. by měly být optimalizovány a vyvinuty;
2) Výroba kovových elektrod na destičkách z karbidu křemíku vyžaduje přechodový odpor pod 10-5Ω2. Elektrodové materiály, které splňují požadavky, Ni a Al, mají špatnou tepelnou stabilitu nad 100 °C, ale Al/Ni má lepší tepelnou stabilitu. Kontaktní měrný odpor kompozitního elektrodového materiálu /W/Au je o 10-3Ω2 vyšší;
3) SiC má vysoké opotřebení při řezání a tvrdost SiC je na druhém místě za diamantem, což klade vyšší požadavky na řezání, broušení, leštění a další technologie.
Kromě toho jsou výkonová zařízení z karbidu křemíku vyráběna obtížněji. Podle různých struktur zařízení lze výkonová zařízení z karbidu křemíku rozdělit hlavně na planární zařízení a výkopová zařízení. Planární výkonová zařízení z karbidu křemíku mají dobrou jednotkovou konzistenci a jednoduchý výrobní proces, ale jsou náchylné k efektu JFET a mají vysokou parazitní kapacitu a odolnost v zapnutém stavu. Ve srovnání s planárními zařízeními mají příkopová výkonová zařízení z karbidu křemíku nižší jednotkovou konzistenci a mají složitější výrobní proces. Struktura příkopu však přispívá ke zvýšení hustoty jednotky zařízení a je méně pravděpodobné, že vyvolá efekt JFET, což je prospěšné pro řešení problému mobility kanálu. Má vynikající vlastnosti, jako je malý spínací odpor, malá parazitní kapacita a nízká spotřeba spínací energie. Má značné výhody v oblasti nákladů a výkonu a stal se hlavním směrem vývoje energetických zařízení z karbidu křemíku. Podle oficiálních stránek Rohm tvoří struktura ROHM Gen3 (Gen1 Trench structure) pouze 75 % plochy čipu Gen2 (Plannar2) a odpor struktury ROHM Gen3 je při stejné velikosti čipu snížen o 50 %.
Substrát z karbidu křemíku, epitaxe, front-end, náklady na výzkum a vývoj a další představují 47 %, 23 %, 19 %, 6 % a 5 % výrobních nákladů zařízení z karbidu křemíku.
Nakonec se zaměříme na prolomení technických bariér substrátů v průmyslovém řetězci karbidu křemíku.
Proces výroby substrátů z karbidu křemíku je podobný jako u substrátů na bázi křemíku, ale je obtížnější.
Výrobní proces substrátu z karbidu křemíku obecně zahrnuje syntézu surovin, růst krystalů, zpracování ingotů, řezání ingotů, broušení plátků, leštění, čištění a další odkazy.
Fáze růstu krystalů je jádrem celého procesu a tento krok určuje elektrické vlastnosti substrátu z karbidu křemíku.
Materiály z karbidu křemíku se za normálních podmínek obtížně pěstují v kapalné fázi. Metoda růstu v parní fázi, která je dnes na trhu populární, má růstovou teplotu nad 2300 °C a vyžaduje přesné řízení teploty růstu. Celý proces operace je téměř obtížné sledovat. Malá chyba povede k sešrotování produktu. Pro srovnání, křemíkové materiály vyžadují pouze 1600 ℃, což je mnohem méně. Příprava substrátů z karbidu křemíku také čelí obtížím, jako je pomalý růst krystalů a vysoké požadavky na krystalickou formu. Růst plátku z karbidu křemíku trvá asi 7 až 10 dní, zatímco vytahování křemíkové tyče trvá pouze 2 a půl dne. Kromě toho je karbid křemíku materiál, jehož tvrdost je na druhém místě za diamantem. Při řezání, broušení a leštění hodně ztratí a výstupní poměr je pouze 60%.
Víme, že trendem je zvětšování velikosti substrátů z karbidu křemíku, protože velikost se stále zvětšuje, požadavky na technologii rozšiřování průměru jsou stále vyšší a vyšší. Vyžaduje kombinaci různých technických ovládacích prvků k dosažení iterativního růstu krystalů.
Čas odeslání: 22. května 2024