De tekniske vanskeligheder ved stabilt at masseproducere højkvalitets siliciumcarbidskiver med stabil ydeevne omfatter:
1) Da krystaller skal vokse i et højtemperaturforseglet miljø over 2000°C, er temperaturkontrolkravene ekstremt høje;
2) Da siliciumcarbid har mere end 200 krystalstrukturer, men kun få strukturer af enkeltkrystal siliciumcarbid er de nødvendige halvledermaterialer, skal silicium-til-kulstof-forholdet, væksttemperaturgradienten og krystalvæksten kontrolleres præcist under krystalvækstprocessen. Parametre såsom hastighed og luftstrømstryk;
3) Under dampfasetransmissionsmetoden er diameterekspansionsteknologien for vækst af siliciumcarbidkrystal ekstremt vanskelig;
4) Siliciumcarbids hårdhed er tæt på diamantens hårdhed, og skære-, slibe- og poleringsteknikker er vanskelige.
SiC epitaksiale wafere: normalt fremstillet ved kemisk dampaflejring (CVD) metode. Ifølge forskellige dopingtyper er de opdelt i n-type og p-type epitaksiale wafere. Indenlandske Hantian Tiancheng og Dongguan Tianyu kan allerede levere 4-tommer/6-tommer SiC epitaksiale wafere. For SiC-epitaksi er det svært at kontrollere i højspændingsfeltet, og kvaliteten af SiC-epitaksi har større indflydelse på SiC-enheder. Desuden er epitaksialt udstyr monopoliseret af de fire førende virksomheder i branchen: Axitron, LPE, TEL og Nuflare.
Siliciumcarbid epitaksialwafer refererer til en siliciumcarbidwafer, hvori en enkelt krystalfilm (epitaksialt lag) med visse krav og det samme som substratkrystallen dyrkes på det originale siliciumcarbidsubstrat. Epitaksial vækst bruger hovedsageligt CVD (Chemical Vapor Deposition, ) udstyr eller MBE (Molecular Beam Epitaxy) udstyr. Da siliciumcarbidanordninger fremstilles direkte i det epitaksiale lag, påvirker kvaliteten af det epitaksiale lag direkte anordningens ydeevne og udbytte. Efterhånden som enhedens spændingsmodstandsevne fortsætter med at stige, bliver tykkelsen af det tilsvarende epitaksiale lag tykkere, og kontrollen bliver vanskeligere. Generelt, når spændingen er omkring 600V, er den nødvendige epitaksiale lagtykkelse omkring 6 mikron; når spændingen er mellem 1200-1700V, når den nødvendige epitaksiale lagtykkelse 10-15 mikron. Hvis spændingen når mere end 10.000 volt, kan det være nødvendigt med en epitaksial lagtykkelse på mere end 100 mikron. Efterhånden som tykkelsen af det epitaksiale lag fortsætter med at stige, bliver det stadig sværere at kontrollere tykkelsen og resistivitetens ensartethed og defektdensiteten.
SiC-enheder: Internationalt er 600~1700V SiC SBD og MOSFET blevet industrialiseret. De almindelige produkter fungerer ved spændingsniveauer under 1200V og anvender primært TO-emballage. Prismæssigt er SiC-produkter på det internationale marked prissat til omkring 5-6 gange højere end deres Si-modstykker. Priserne falder dog med en årlig hastighed på 10 %. med udvidelsen af upstream-materialer og enhedsproduktion i de næste 2-3 år, vil markedsudbuddet stige, hvilket fører til yderligere prisreduktioner. Det forventes, at når prisen når 2-3 gange højere end for Si-produkter, vil fordelene ved reducerede systemomkostninger og forbedret ydeevne gradvist få SiC til at optage markedspladsen for Si-enheder.
Traditionel emballage er baseret på siliciumbaserede substrater, mens tredje generations halvledermaterialer kræver et helt nyt design. Brug af traditionelle siliciumbaserede emballagestrukturer til strømenheder med bred båndgab kan introducere nye problemer og udfordringer relateret til frekvens, termisk styring og pålidelighed. SiC-effektenheder er mere følsomme over for parasitisk kapacitans og induktans. Sammenlignet med Si-enheder har SiC-strømchips hurtigere koblingshastigheder, hvilket kan føre til overskridelse, oscillation, øgede koblingstab og endda enhedsfejl. Derudover fungerer SiC-energienheder ved højere temperaturer, hvilket kræver mere avancerede termiske styringsteknikker.
En række forskellige strukturer er blevet udviklet inden for halvlederstrømpakning med bred båndgab. Traditionel Si-baseret strømmodulemballage er ikke længere egnet. For at løse problemerne med høje parasitære parametre og dårlig varmeafledningseffektivitet af traditionel SiC-baseret strømmodulemballage, vedtager SiC-strømmodulemballage trådløs sammenkobling og dobbeltsidet køleteknologi i sin struktur og vedtager også substratmaterialerne med bedre termisk ledningsevne, og forsøgte at integrere afkoblingskondensatorer, temperatur/strømsensorer og drivkredsløb i modulstrukturen og udviklede en række forskellige modulpakningsteknologier. Desuden er der høje tekniske barrierer for fremstilling af SiC-enheder, og produktionsomkostningerne er høje.
Siliciumcarbidenheder fremstilles ved at afsætte epitaksiale lag på et siliciumcarbidsubstrat gennem CVD. Processen involverer rensning, oxidation, fotolitografi, ætsning, stripning af fotoresist, ionimplantation, kemisk dampaflejring af siliciumnitrid, polering, sputtering og efterfølgende bearbejdningstrin for at danne enhedsstrukturen på SiC-enkeltkrystalsubstratet. Hovedtyper af SiC-strømenheder omfatter SiC-dioder, SiC-transistorer og SiC-strømmoduler. På grund af faktorer som langsom opstrøms materialeproduktionshastighed og lave udbyttehastigheder har siliciumcarbidanordninger relativt høje fremstillingsomkostninger.
Derudover har fremstilling af siliciumcarbidenheder visse tekniske vanskeligheder:
1) Det er nødvendigt at udvikle en specifik proces, der er i overensstemmelse med siliciumcarbidmaterialernes egenskaber. For eksempel: SiC har et højt smeltepunkt, hvilket gør traditionel termisk diffusion ineffektiv. Det er nødvendigt at bruge ionimplantations-dopingmetode og nøjagtigt kontrollere parametre såsom temperatur, opvarmningshastighed, varighed og gasflow; SiC er inert over for kemiske opløsningsmidler. Metoder som tørætsning bør anvendes, og maskematerialer, gasblandinger, kontrol af sidevægshældning, ætsningshastighed, sidevægsruhed osv. bør optimeres og udvikles;
2) Fremstillingen af metalelektroder på siliciumcarbidskiver kræver kontaktmodstand under 10-5Ω2. Elektrodematerialerne, der opfylder kravene, Ni og Al, har dårlig termisk stabilitet over 100°C, men Al/Ni har bedre termisk stabilitet. Den kontaktspecifikke modstand af /W/Au kompositelektrodemateriale er 10-3Ω2 højere;
3) SiC har et højt skæreslid, og hårdheden af SiC er kun næst efter diamant, hvilket stiller højere krav til skæring, slibning, polering og andre teknologier.
Ydermere er strømforsyningsenheder af siliciumkarbidgrave vanskeligere at fremstille. I henhold til forskellige enhedsstrukturer kan siliciumcarbidkraftenheder hovedsageligt opdeles i plane enheder og grøfteanordninger. Plane siliciumcarbid-kraftenheder har god enhedskonsistens og enkel fremstillingsproces, men er tilbøjelige til JFET-effekt og har høj parasitisk kapacitans og on-state modstand. Sammenlignet med plane enheder har enheder af siliciumcarbid-grave en lavere enhedskonsistens og en mere kompleks fremstillingsproces. Imidlertid er skyttegravsstrukturen befordrende for at øge enhedsenhedens tæthed og er mindre tilbøjelig til at producere JFET-effekten, hvilket er gavnligt for at løse problemet med kanalmobilitet. Den har fremragende egenskaber såsom lille tænd-modstand, lille parasitisk kapacitans og lavt skifteenergiforbrug. Det har betydelige omkostnings- og ydeevnefordele og er blevet hovedretningen for udviklingen af siliciumkarbidkraftenheder. Ifølge Rohms officielle hjemmeside er ROHM Gen3-strukturen (Gen1 Trench-struktur) kun 75% af Gen2 (Plannar2) chiparealet, og ROHM Gen3-strukturens on-modstand er reduceret med 50% under samme chipstørrelse.
Siliciumcarbidsubstrat, epitaksi, front-end, F&U-udgifter og andre tegner sig for henholdsvis 47%, 23%, 19%, 6% og 5% af fremstillingsomkostningerne for siliciumcarbidenheder.
Endelig vil vi fokusere på at nedbryde de tekniske barrierer for substrater i siliciumcarbid industrikæden.
Produktionsprocessen for siliciumcarbidsubstrater ligner den for siliciumbaserede substrater, men vanskeligere.
Fremstillingsprocessen for siliciumcarbidsubstrat omfatter generelt råmaterialesyntese, krystalvækst, ingotbehandling, ingotskæring, waferslibning, polering, rengøring og andre links.
Krystalvækststadiet er kernen i hele processen, og dette trin bestemmer siliciumcarbidsubstratets elektriske egenskaber.
Siliciumcarbidmaterialer er vanskelige at dyrke i flydende fase under normale forhold. Dampfasevækstmetoden, der er populær på markedet i dag, har en væksttemperatur på over 2300°C og kræver præcis styring af væksttemperaturen. Hele operationsprocessen er næsten svær at observere. En lille fejl vil føre til skrotning af produktet. Til sammenligning kræver siliciummaterialer kun 1600 ℃, hvilket er meget lavere. Fremstilling af siliciumcarbidsubstrater står også over for vanskeligheder såsom langsom krystalvækst og høje krav til krystalform. Siliciumcarbid wafer vækst tager omkring 7 til 10 dage, mens silicium stang trækker kun tager 2 og en halv dag. Desuden er siliciumcarbid et materiale, hvis hårdhed er næst efter diamant. Det vil miste meget under skæring, slibning og polering, og output-forholdet er kun 60%.
Vi ved, at tendensen er at øge størrelsen af siliciumcarbidsubstrater, da størrelsen fortsætter med at stige, bliver kravene til diameterekspansionsteknologi højere og højere. Det kræver en kombination af forskellige tekniske kontrolelementer for at opnå iterativ vækst af krystaller.
Indlægstid: 22. maj 2024