Las dificultades técnicas para producir en masa de forma estable obleas de carburo de silicio de alta calidad con un rendimiento estable incluyen:
1) Dado que los cristales necesitan crecer en un ambiente sellado de alta temperatura por encima de 2000 °C, los requisitos de control de temperatura son extremadamente altos;
2) Dado que el carburo de silicio tiene más de 200 estructuras cristalinas, pero sólo unas pocas estructuras de carburo de silicio monocristalino son los materiales semiconductores necesarios, la relación silicio-carbono, el gradiente de temperatura de crecimiento y el crecimiento del cristal deben controlarse con precisión durante el proceso de crecimiento de los cristales. Parámetros como velocidad y presión del flujo de aire;
3) Bajo el método de transmisión en fase de vapor, la tecnología de expansión del diámetro del crecimiento de cristales de carburo de silicio es extremadamente difícil;
4) La dureza del carburo de silicio es cercana a la del diamante y las técnicas de corte, esmerilado y pulido son difíciles.
Obleas epitaxiales de SiC: generalmente fabricadas mediante el método de deposición química de vapor (CVD). Según los diferentes tipos de dopaje, se dividen en obleas epitaxiales de tipo n y tipo p. Los nacionales Hantian Tiancheng y Dongguan Tianyu ya pueden proporcionar obleas epitaxiales de SiC de 4 y 6 pulgadas. Para la epitaxia de SiC, es difícil de controlar en el campo de alto voltaje y la calidad de la epitaxia de SiC tiene un mayor impacto en los dispositivos de SiC. Además, los equipos epitaxiales están monopolizados por las cuatro empresas líderes del sector: Axitron, LPE, TEL y Nuflare.
epitaxial de carburo de silicioLa oblea se refiere a una oblea de carburo de silicio en la que se cultiva una película de un solo cristal (capa epitaxial) con ciertos requisitos y la misma que el cristal del sustrato sobre el sustrato de carburo de silicio original. El crecimiento epitaxial utiliza principalmente equipos CVD (Chemical Vapor Deposition) o MBE (Molecular Beam Epitaxy). Dado que los dispositivos de carburo de silicio se fabrican directamente en la capa epitaxial, la calidad de la capa epitaxial afecta directamente el rendimiento y el rendimiento del dispositivo. A medida que el rendimiento de resistencia al voltaje del dispositivo continúa aumentando, el espesor de la capa epitaxial correspondiente se vuelve más grueso y el control se vuelve más difícil. Generalmente, cuando el voltaje es de alrededor de 600 V, el espesor de la capa epitaxial requerido es de aproximadamente 6 micrones; cuando el voltaje está entre 1200 y 1700 V, el espesor de la capa epitaxial requerida alcanza entre 10 y 15 micrones. Si el voltaje alcanza más de 10.000 voltios, puede ser necesario un espesor de capa epitaxial de más de 100 micrones. A medida que el espesor de la capa epitaxial continúa aumentando, se vuelve cada vez más difícil controlar el espesor, la uniformidad de la resistividad y la densidad de los defectos.
Dispositivos de SiC: a nivel internacional, se han industrializado 600 ~ 1700 V SiC SBD y MOSFET. Los productos principales funcionan a niveles de voltaje inferiores a 1200 V y adoptan principalmente embalaje TO. En términos de precios, los productos de SiC en el mercado internacional tienen precios entre 5 y 6 veces más altos que sus homólogos de Si. Sin embargo, los precios están disminuyendo a una tasa anual del 10%. Con la expansión de la producción de materiales y dispositivos en los próximos 2 o 3 años, la oferta del mercado aumentará, lo que conducirá a nuevas reducciones de precios. Se espera que cuando el precio alcance 2 o 3 veces el de los productos de Si, las ventajas aportadas por los costos reducidos del sistema y el rendimiento mejorado impulsarán gradualmente al SiC a ocupar el espacio de mercado de los dispositivos de Si.
Los envases tradicionales se basan en sustratos a base de silicio, mientras que los materiales semiconductores de tercera generación requieren un diseño completamente nuevo. El uso de estructuras de empaque tradicionales basadas en silicio para dispositivos de energía de banda ancha puede presentar nuevos problemas y desafíos relacionados con la frecuencia, la gestión térmica y la confiabilidad. Los dispositivos de potencia de SiC son más sensibles a la capacitancia e inductancia parásitas. En comparación con los dispositivos de Si, los chips de potencia de SiC tienen velocidades de conmutación más rápidas, lo que puede provocar sobrepasos, oscilaciones, mayores pérdidas de conmutación e incluso fallos de funcionamiento del dispositivo. Además, los dispositivos de potencia de SiC funcionan a temperaturas más altas, lo que requiere técnicas de gestión térmica más avanzadas.
Se ha desarrollado una variedad de estructuras diferentes en el campo del empaquetado de energía de semiconductores de banda ancha. El embalaje tradicional de módulos de potencia basados en Si ya no es adecuado. Para resolver los problemas de altos parámetros parásitos y baja eficiencia de disipación de calor del empaque de módulo de potencia tradicional basado en Si, el empaque de módulo de potencia de SiC adopta interconexión inalámbrica y tecnología de enfriamiento de doble cara en su estructura, y también adopta materiales de sustrato con mejor rendimiento térmico. conductividad, e intentó integrar condensadores de desacoplamiento, sensores de temperatura/corriente y circuitos de accionamiento en la estructura del módulo, y desarrolló una variedad de diferentes tecnologías de empaquetado de módulos. Además, existen grandes barreras técnicas para la fabricación de dispositivos de SiC y los costes de producción son elevados.
Los dispositivos de carburo de silicio se producen depositando capas epitaxiales sobre un sustrato de carburo de silicio mediante CVD. El proceso implica limpieza, oxidación, fotolitografía, grabado, extracción de fotorresistente, implantación de iones, deposición química de vapor de nitruro de silicio, pulido, pulverización catódica y pasos de procesamiento posteriores para formar la estructura del dispositivo sobre el sustrato monocristalino de SiC. Los principales tipos de dispositivos de potencia de SiC incluyen diodos de SiC, transistores de SiC y módulos de potencia de SiC. Debido a factores como la lenta velocidad de producción del material y las bajas tasas de rendimiento, los dispositivos de carburo de silicio tienen costos de fabricación relativamente altos.
Además, la fabricación de dispositivos de carburo de silicio presenta ciertas dificultades técnicas:
1) Es necesario desarrollar un proceso específico que sea acorde a las características de los materiales de carburo de silicio. Por ejemplo: el SiC tiene un alto punto de fusión, lo que hace que la difusión térmica tradicional sea ineficaz. Es necesario utilizar un método de dopaje de implantación de iones y controlar con precisión parámetros como la temperatura, la velocidad de calentamiento, la duración y el flujo de gas; El SiC es inerte a los disolventes químicos. Se deben utilizar métodos como el grabado en seco, y se deben optimizar y desarrollar los materiales de máscara, las mezclas de gases, el control de la pendiente de las paredes laterales, la velocidad de grabado, la rugosidad de las paredes laterales, etc.;
2) La fabricación de electrodos metálicos sobre obleas de carburo de silicio requiere una resistencia de contacto inferior a 10-5Ω2. Los materiales de los electrodos que cumplen los requisitos, Ni y Al, tienen una estabilidad térmica deficiente por encima de 100 °C, pero Al/Ni tiene una mejor estabilidad térmica. La resistencia específica de contacto del material de electrodo compuesto /W/Au es 10-3Ω2 mayor;
3) El SiC tiene un alto desgaste de corte y la dureza del SiC es superada solo por el diamante, lo que plantea requisitos más altos para el corte, esmerilado, pulido y otras tecnologías.
Además, los dispositivos de potencia de carburo de silicio de trinchera son más difíciles de fabricar. Según las diferentes estructuras de dispositivos, los dispositivos de potencia de carburo de silicio se pueden dividir principalmente en dispositivos planos y dispositivos de zanja. Los dispositivos de potencia de carburo de silicio planos tienen una buena consistencia unitaria y un proceso de fabricación simple, pero son propensos al efecto JFET y tienen una alta capacitancia parásita y resistencia en estado activo. En comparación con los dispositivos planos, los dispositivos de potencia de carburo de silicio de trinchera tienen una menor consistencia unitaria y un proceso de fabricación más complejo. Sin embargo, la estructura de zanja favorece el aumento de la densidad de unidades del dispositivo y es menos probable que produzca el efecto JFET, lo que resulta beneficioso para resolver el problema de la movilidad del canal. Tiene excelentes propiedades como pequeña resistencia de encendido, pequeña capacitancia parásita y bajo consumo de energía de conmutación. Tiene importantes ventajas de costo y rendimiento y se ha convertido en la dirección principal del desarrollo de dispositivos de potencia de carburo de silicio. Según el sitio web oficial de Rohm, la estructura ROHM Gen3 (estructura Gen1 Trench) es solo el 75% del área del chip Gen2 (Plannar2), y la resistencia de la estructura ROHM Gen3 se reduce en un 50% con el mismo tamaño de chip.
El sustrato de carburo de silicio, la epitaxia, los gastos iniciales, la I+D y otros representan el 47%, 23%, 19%, 6% y 5% del costo de fabricación de los dispositivos de carburo de silicio, respectivamente.
Finalmente, nos centraremos en romper las barreras técnicas de los sustratos en la cadena industrial del carburo de silicio.
El proceso de producción de sustratos de carburo de silicio es similar al de los sustratos a base de silicio, pero más complicado.
El proceso de fabricación del sustrato de carburo de silicio generalmente incluye síntesis de materia prima, crecimiento de cristales, procesamiento de lingotes, corte de lingotes, molienda de obleas, pulido, limpieza y otros enlaces.
La etapa de crecimiento del cristal es el núcleo de todo el proceso y este paso determina las propiedades eléctricas del sustrato de carburo de silicio.
Los materiales de carburo de silicio son difíciles de cultivar en fase líquida en condiciones normales. El método de crecimiento en fase de vapor, popular en el mercado actual, tiene una temperatura de crecimiento superior a 2300 °C y requiere un control preciso de la temperatura de crecimiento. Todo el proceso operativo es casi difícil de observar. Un pequeño error dará lugar al desguace del producto. En comparación, los materiales de silicio sólo requieren 1600 ℃, que es mucho menor. La preparación de sustratos de carburo de silicio también enfrenta dificultades como el lento crecimiento de los cristales y los altos requisitos de forma de los cristales. El crecimiento de las obleas de carburo de silicio tarda entre 7 y 10 días, mientras que el extracción de las varillas de silicio sólo tarda 2 días y medio. Además, el carburo de silicio es un material cuya dureza es superada sólo por la del diamante. Perderá mucho durante el corte, esmerilado y pulido, y la relación de salida es solo del 60%.
Sabemos que la tendencia es aumentar el tamaño de los sustratos de carburo de silicio; a medida que el tamaño continúa aumentando, los requisitos para la tecnología de expansión del diámetro son cada vez mayores. Requiere una combinación de varios elementos de control técnico para lograr el crecimiento iterativo de los cristales.
Hora de publicación: 22 de mayo de 2024