Οι τεχνικές δυσκολίες στη σταθερή μαζική παραγωγή γκοφρετών καρβιδίου του πυριτίου υψηλής ποιότητας με σταθερή απόδοση περιλαμβάνουν:
1) Εφόσον οι κρύσταλλοι πρέπει να αναπτυχθούν σε περιβάλλον υψηλής θερμοκρασίας σφραγισμένο πάνω από 2000°C, οι απαιτήσεις ελέγχου θερμοκρασίας είναι εξαιρετικά υψηλές.
2) Δεδομένου ότι το καρβίδιο του πυριτίου έχει περισσότερες από 200 κρυσταλλικές δομές, αλλά μόνο λίγες δομές μονοκρυσταλλικού καρβιδίου του πυριτίου είναι τα απαιτούμενα υλικά ημιαγωγών, η αναλογία πυριτίου προς άνθρακα, η κλίση θερμοκρασίας ανάπτυξης και η ανάπτυξη κρυστάλλων πρέπει να ελέγχονται με ακρίβεια κατά τη διάρκεια διαδικασία ανάπτυξης κρυστάλλων. Παράμετροι όπως η ταχύτητα και η πίεση ροής αέρα.
3) Σύμφωνα με τη μέθοδο μετάδοσης φάσης ατμού, η τεχνολογία διαστολής διαμέτρου της ανάπτυξης κρυστάλλων καρβιδίου του πυριτίου είναι εξαιρετικά δύσκολη.
4) Η σκληρότητα του καρβιδίου του πυριτίου είναι κοντά σε αυτή του διαμαντιού και οι τεχνικές κοπής, λείανσης και στίλβωσης είναι δύσκολες.
Επιταξιακές γκοφρέτες SiC: συνήθως κατασκευάζονται με τη μέθοδο χημικής εναπόθεσης ατμού (CVD). Σύμφωνα με διαφορετικούς τύπους ντόπινγκ, χωρίζονται σε επιταξιακές γκοφρέτες τύπου n και τύπου p. Οι εγχώριες Hantian Tiancheng και Dongguan Tianyu μπορούν ήδη να παρέχουν επιταξιακές γκοφρέτες SiC 4 ιντσών/6 ιντσών. Για την επίταση SiC, είναι δύσκολο να ελεγχθεί στο πεδίο υψηλής τάσης και η ποιότητα της επιτάξεως SiC έχει μεγαλύτερο αντίκτυπο στις συσκευές SiC. Επιπλέον, ο επιταξιακός εξοπλισμός μονοπωλείται από τις τέσσερις κορυφαίες εταιρείες του κλάδου: Axitron, LPE, TEL και Nuflare.
Καρβίδιο του πυριτίου επιταξιακόΗ γκοφρέτα αναφέρεται σε μια γκοφρέτα καρβιδίου του πυριτίου στην οποία ένα μονοκρυσταλλικό φιλμ (επιταξιακό στρώμα) με ορισμένες απαιτήσεις και το ίδιο με τον κρύσταλλο του υποστρώματος αναπτύσσεται στο αρχικό υπόστρωμα καρβιδίου του πυριτίου. Η επιταξιακή ανάπτυξη χρησιμοποιεί κυρίως εξοπλισμό CVD (Chemical Vapor Deposition, ) ή εξοπλισμό MBE (Molecular Beam Epitaxy). Εφόσον οι συσκευές καρβιδίου του πυριτίου κατασκευάζονται απευθείας στο επιταξιακό στρώμα, η ποιότητα του επιταξιακού στρώματος επηρεάζει άμεσα την απόδοση και την απόδοση της συσκευής. Καθώς η απόδοση αντοχής στην τάση της συσκευής συνεχίζει να αυξάνεται, το πάχος της αντίστοιχης επιταξιακής στρώσης γίνεται παχύτερο και ο έλεγχος γίνεται πιο δύσκολος. Γενικά, όταν η τάση είναι περίπου 600 V, το απαιτούμενο πάχος επιταξιακής στρώσης είναι περίπου 6 μικρά. όταν η τάση είναι μεταξύ 1200-1700V, το απαιτούμενο πάχος επιταξιακής στρώσης φτάνει τα 10-15 μικρά. Εάν η τάση φτάσει πάνω από 10.000 βολτ, μπορεί να απαιτείται πάχος επιταξιακής στρώσης άνω των 100 microns. Καθώς το πάχος του επιταξιακού στρώματος συνεχίζει να αυξάνεται, γίνεται όλο και πιο δύσκολος ο έλεγχος της ομοιομορφίας του πάχους και της ειδικής αντίστασης και της πυκνότητας του ελαττώματος.
Συσκευές SiC: Διεθνώς, 600~1700V SiC SBD και MOSFET έχουν βιομηχανοποιηθεί. Τα κύρια προϊόντα λειτουργούν σε επίπεδα τάσης κάτω από 1200 V και υιοθετούν κυρίως τη συσκευασία TO. Όσον αφορά την τιμολόγηση, τα προϊόντα SiC στη διεθνή αγορά κοστολογούνται περίπου 5-6 φορές υψηλότερα από τα αντίστοιχα SiC. Ωστόσο, οι τιμές μειώνονται με ετήσιο ρυθμό 10%. με την επέκταση της παραγωγής υλικών και συσκευών ανάντη τα επόμενα 2-3 χρόνια, η προσφορά της αγοράς θα αυξηθεί, οδηγώντας σε περαιτέρω μειώσεις τιμών. Αναμένεται ότι όταν η τιμή φτάσει 2-3 φορές αυτή των προϊόντων Si, τα πλεονεκτήματα που προκύπτουν από το μειωμένο κόστος του συστήματος και τη βελτιωμένη απόδοση θα οδηγήσουν σταδιακά το SiC να καταλάβει τον χώρο της αγοράς των συσκευών Si.
Η παραδοσιακή συσκευασία βασίζεται σε υποστρώματα με βάση το πυρίτιο, ενώ τα υλικά ημιαγωγών τρίτης γενιάς απαιτούν εντελώς νέο σχεδιασμό. Η χρήση παραδοσιακών δομών συσκευασίας με βάση το πυρίτιο για συσκευές ισχύος ευρείας ζώνης μπορεί να εισάγει νέα ζητήματα και προκλήσεις που σχετίζονται με τη συχνότητα, τη θερμική διαχείριση και την αξιοπιστία. Οι συσκευές ισχύος SiC είναι πιο ευαίσθητες στην παρασιτική χωρητικότητα και επαγωγή. Σε σύγκριση με τις συσκευές Si, τα τσιπ ισχύος SiC έχουν μεγαλύτερες ταχύτητες μεταγωγής, γεγονός που μπορεί να οδηγήσει σε υπέρβαση, ταλάντωση, αυξημένες απώλειες μεταγωγής, ακόμη και δυσλειτουργίες της συσκευής. Επιπλέον, οι συσκευές ισχύος SiC λειτουργούν σε υψηλότερες θερμοκρασίες, απαιτώντας πιο προηγμένες τεχνικές θερμικής διαχείρισης.
Μια ποικιλία διαφορετικών δομών έχει αναπτυχθεί στον τομέα της συσκευασίας ισχύος ημιαγωγών μεγάλης ζώνης. Η παραδοσιακή συσκευασία της μονάδας ισχύος με βάση το Si δεν είναι πλέον κατάλληλη. Προκειμένου να λυθούν τα προβλήματα των υψηλών παρασιτικών παραμέτρων και της κακής απόδοσης απαγωγής θερμότητας της παραδοσιακής συσκευασίας μονάδων ισχύος με βάση το Si, η συσκευασία της μονάδας ισχύος SiC υιοθετεί τεχνολογία ασύρματης διασύνδεσης και ψύξης διπλής όψης στη δομή της και επίσης υιοθετεί τα υλικά υποστρώματος με καλύτερη θερμική αγωγιμότητα και προσπάθησε να ενσωματώσει πυκνωτές αποσύνδεσης, αισθητήρες θερμοκρασίας/ρεύματος και κυκλώματα κίνησης στη δομή της μονάδας και ανέπτυξε μια ποικιλία διαφορετικών μονάδων τεχνολογίες συσκευασίας. Επιπλέον, υπάρχουν υψηλά τεχνικά εμπόδια στην κατασκευή συσκευών SiC και το κόστος παραγωγής είναι υψηλό.
Οι συσκευές καρβιδίου του πυριτίου παράγονται με την εναπόθεση επιταξιακών στρωμάτων σε ένα υπόστρωμα καρβιδίου του πυριτίου μέσω CVD. Η διαδικασία περιλαμβάνει καθαρισμό, οξείδωση, φωτολιθογραφία, χάραξη, απογύμνωση φωτοανθεκτικού, εμφύτευση ιόντων, εναπόθεση χημικού ατμού νιτριδίου του πυριτίου, στίλβωση, εκτόξευση και επακόλουθα στάδια επεξεργασίας για να σχηματιστεί η δομή της συσκευής στο μονοκρυσταλλικό υπόστρωμα SiC. Οι κύριοι τύποι συσκευών ισχύος SiC περιλαμβάνουν διόδους SiC, τρανζίστορ SiC και μονάδες ισχύος SiC. Λόγω παραγόντων όπως η αργή ταχύτητα παραγωγής υλικού ανάντη και οι χαμηλοί ρυθμοί απόδοσης, οι συσκευές καρβιδίου του πυριτίου έχουν σχετικά υψηλό κόστος κατασκευής.
Επιπλέον, η κατασκευή συσκευών καρβιδίου του πυριτίου έχει ορισμένες τεχνικές δυσκολίες:
1) Είναι απαραίτητο να αναπτυχθεί μια συγκεκριμένη διαδικασία που να συνάδει με τα χαρακτηριστικά των υλικών καρβιδίου του πυριτίου. Για παράδειγμα: Το SiC έχει υψηλό σημείο τήξης, γεγονός που καθιστά την παραδοσιακή θερμική διάχυση αναποτελεσματική. Είναι απαραίτητο να χρησιμοποιηθεί η μέθοδος ντόπινγκ εμφύτευσης ιόντων και να ελέγχονται με ακρίβεια οι παράμετροι όπως η θερμοκρασία, ο ρυθμός θέρμανσης, η διάρκεια και η ροή αερίου. Το SiC είναι αδρανές στους χημικούς διαλύτες. Θα πρέπει να χρησιμοποιούνται μέθοδοι όπως η ξηρή χάραξη και τα υλικά μάσκας, τα μείγματα αερίων, ο έλεγχος της κλίσης του πλευρικού τοιχώματος, ο ρυθμός χάραξης, η τραχύτητα του πλευρικού τοιχώματος κ.λπ. πρέπει να βελτιστοποιηθούν και να αναπτυχθούν.
2) Η κατασκευή μεταλλικών ηλεκτροδίων σε γκοφρέτες καρβιδίου του πυριτίου απαιτεί αντίσταση επαφής κάτω από 10-5Ω2. Τα υλικά ηλεκτροδίων που πληρούν τις απαιτήσεις, Ni και Al, έχουν κακή θερμική σταθερότητα πάνω από 100°C, αλλά το Al/Ni έχει καλύτερη θερμική σταθερότητα. Η ειδική αντίσταση επαφής του σύνθετου υλικού ηλεκτροδίων /W/Au είναι 10-3Ω2 υψηλότερη.
3) Το SiC έχει υψηλή φθορά κοπής και η σκληρότητα του SiC είναι δεύτερη μετά το διαμάντι, το οποίο θέτει υψηλότερες απαιτήσεις για κοπή, λείανση, στίλβωση και άλλες τεχνολογίες.
Επιπλέον, οι συσκευές τροφοδοσίας από καρβίδιο του πυριτίου τάφρου είναι πιο δύσκολο να κατασκευαστούν. Σύμφωνα με διαφορετικές δομές συσκευών, οι συσκευές ισχύος από καρβίδιο του πυριτίου μπορούν να χωριστούν κυρίως σε επίπεδες συσκευές και συσκευές τάφρου. Οι επίπεδες συσκευές ισχύος καρβιδίου του πυριτίου έχουν καλή συνοχή μονάδας και απλή διαδικασία κατασκευής, αλλά είναι επιρρεπείς στο φαινόμενο JFET και έχουν υψηλή παρασιτική χωρητικότητα και αντίσταση σε κατάσταση κατάστασης. Σε σύγκριση με τις επίπεδες συσκευές, οι συσκευές ισχύος από καρβίδιο του πυριτίου τάφρου έχουν χαμηλότερη συνοχή μονάδας και έχουν μια πιο περίπλοκη διαδικασία κατασκευής. Ωστόσο, η δομή της τάφρου ευνοεί την αύξηση της πυκνότητας της μονάδας της συσκευής και είναι λιγότερο πιθανό να παράγει το φαινόμενο JFET, το οποίο είναι ευεργετικό για την επίλυση του προβλήματος της κινητικότητας του καναλιού. Έχει εξαιρετικές ιδιότητες όπως μικρή αντίσταση κατά την ενεργοποίηση, μικρή παρασιτική χωρητικότητα και χαμηλή κατανάλωση ενέργειας μεταγωγής. Έχει σημαντικά πλεονεκτήματα κόστους και απόδοσης και έχει γίνει η κύρια κατεύθυνση της ανάπτυξης συσκευών ισχύος από καρβίδιο του πυριτίου. Σύμφωνα με τον επίσημο ιστότοπο της Rohm, η δομή ROHM Gen3 (δομή Gen1 Trench) είναι μόνο το 75% της περιοχής του τσιπ Gen2 (Plannar2) και η αντίσταση της δομής ROHM Gen3 μειώνεται κατά 50% κάτω από το ίδιο μέγεθος τσιπ.
Το υπόστρωμα καρβιδίου του πυριτίου, η επιταξία, το front-end, τα έξοδα Ε&Α και άλλα αντιπροσωπεύουν το 47%, 23%, 19%, 6% και 5% του κόστους κατασκευής συσκευών καρβιδίου του πυριτίου αντίστοιχα.
Τέλος, θα επικεντρωθούμε στην κατάργηση των τεχνικών φραγμών των υποστρωμάτων στην αλυσίδα της βιομηχανίας καρβιδίου του πυριτίου.
Η διαδικασία παραγωγής υποστρωμάτων καρβιδίου του πυριτίου είναι παρόμοια με αυτή των υποστρωμάτων με βάση το πυρίτιο, αλλά πιο δύσκολη.
Η διαδικασία κατασκευής του υποστρώματος καρβιδίου του πυριτίου γενικά περιλαμβάνει σύνθεση πρώτων υλών, ανάπτυξη κρυστάλλων, επεξεργασία πλινθωμάτων, κοπή πλινθωμάτων, λείανση γκοφρέτας, στίλβωση, καθαρισμό και άλλες συνδέσεις.
Το στάδιο ανάπτυξης κρυστάλλων είναι ο πυρήνας ολόκληρης της διαδικασίας και αυτό το βήμα καθορίζει τις ηλεκτρικές ιδιότητες του υποστρώματος καρβιδίου του πυριτίου.
Τα υλικά καρβιδίου του πυριτίου είναι δύσκολο να αναπτυχθούν στην υγρή φάση υπό κανονικές συνθήκες. Η μέθοδος ανάπτυξης φάσης ατμού που είναι δημοφιλής στην αγορά σήμερα έχει θερμοκρασία ανάπτυξης πάνω από 2300°C και απαιτεί ακριβή έλεγχο της θερμοκρασίας ανάπτυξης. Η όλη διαδικασία λειτουργίας είναι σχεδόν δύσκολο να παρατηρηθεί. Ένα ελαφρύ σφάλμα θα οδηγήσει σε απόσυρση του προϊόντος. Συγκριτικά, τα υλικά πυριτίου απαιτούν μόνο 1600℃, που είναι πολύ χαμηλότερο. Η προετοιμασία υποστρωμάτων καρβιδίου του πυριτίου αντιμετωπίζει επίσης δυσκολίες όπως η αργή ανάπτυξη κρυστάλλων και οι υψηλές απαιτήσεις κρυσταλλικής μορφής. Η ανάπτυξη της γκοφρέτας καρβιδίου του πυριτίου διαρκεί περίπου 7 έως 10 ημέρες, ενώ το τράβηγμα της ράβδου πυριτίου διαρκεί μόνο 2μιση ημέρες. Επιπλέον, το καρβίδιο του πυριτίου είναι ένα υλικό του οποίου η σκληρότητα είναι το δεύτερο μετά το διαμάντι. Θα χάσει πολύ κατά την κοπή, το τρίψιμο και το γυάλισμα και η αναλογία εξόδου είναι μόνο 60%.
Γνωρίζουμε ότι η τάση είναι να αυξάνεται το μέγεθος των υποστρωμάτων καρβιδίου του πυριτίου, καθώς το μέγεθος συνεχίζει να αυξάνεται, οι απαιτήσεις για τεχνολογία διαστολής διαμέτρου γίνονται όλο και μεγαλύτερες. Απαιτείται συνδυασμός διαφόρων στοιχείων τεχνικού ελέγχου για την επίτευξη επαναληπτικής ανάπτυξης κρυστάλλων.
Ώρα δημοσίευσης: 22 Μαΐου 2024