موانع فنی برای کاربید سیلیکون چیست؟Ⅱ

مشکلات فنی در تولید انبوه پایدار ویفرهای کاربید سیلیکون با کیفیت بالا با عملکرد پایدار عبارتند از:
1) از آنجایی که کریستال ها باید در یک محیط آب بندی شده با دمای بالا بالای 2000 درجه سانتیگراد رشد کنند، الزامات کنترل دما بسیار بالا است.
2) از آنجایی که سیلیکون کاربید دارای بیش از 200 ساختار کریستالی است، اما تنها چند ساختار از کاربید سیلیکون تک کریستالی مواد نیمه هادی مورد نیاز هستند، نسبت سیلیکون به کربن، گرادیان دمای رشد و رشد کریستال باید به طور دقیق کنترل شود. فرآیند رشد کریستال پارامترهایی مانند سرعت و فشار جریان هوا؛
3) تحت روش انتقال فاز بخار، فناوری انبساط قطر رشد کریستال کاربید سیلیکون بسیار دشوار است.
4) سختی کاربید سیلیکون نزدیک به الماس است و تکنیک های برش، آسیاب و پرداخت دشوار است.

ویفرهای اپیتاکسیال SiC: معمولاً به روش رسوب شیمیایی بخار (CVD) تولید می شوند. با توجه به انواع مختلف دوپینگ، آنها به ویفرهای اپیتاکسیال نوع n و نوع p تقسیم می شوند. Hantian Tiancheng و Dongguan Tianyu داخلی می توانند ویفرهای همپای SiC 4 اینچی/6 اینچی را ارائه دهند. برای اپیتاکسی SiC، کنترل آن در میدان ولتاژ بالا دشوار است و کیفیت اپیتاکسی SiC تأثیر بیشتری بر دستگاه های SiC دارد. علاوه بر این، تجهیزات epitaxial در انحصار چهار شرکت پیشرو در صنعت است: Axitron، LPE، TEL و Nuflare.

اپیتاکسیال کاربید سیلیکونویفر به ویفر کاربید سیلیکون اطلاق می شود که در آن یک فیلم تک کریستالی (لایه همپایی) با الزامات خاص و مانند کریستال بستر روی بستر اصلی کاربید سیلیکون رشد می کند. رشد اپیتاکسی عمدتاً از تجهیزات CVD (رسوب بخار شیمیایی، ) یا تجهیزات MBE (Epitaxy پرتو مولکولی) استفاده می کند. از آنجایی که دستگاه های کاربید سیلیکون مستقیماً در لایه اپیتاکسیال تولید می شوند، کیفیت لایه همپایی به طور مستقیم بر عملکرد و بازده دستگاه تأثیر می گذارد. همانطور که عملکرد مقاومت در برابر ولتاژ دستگاه همچنان افزایش می یابد، ضخامت لایه اپیتاکسیال مربوطه ضخیم تر می شود و کنترل آن دشوارتر می شود. به طور کلی، زمانی که ولتاژ حدود 600 ولت است، ضخامت لایه همپایی مورد نیاز حدود 6 میکرون است. هنگامی که ولتاژ بین 1200-1700 ولت است، ضخامت لایه همپایی مورد نیاز به 10-15 میکرون می رسد. اگر ولتاژ به بیش از 10000 ولت برسد، ممکن است ضخامت لایه اپیتاکسیال بیش از 100 میکرون مورد نیاز باشد. با ادامه افزایش ضخامت لایه همپایی، کنترل ضخامت و یکنواختی مقاومت و چگالی نقص به طور فزاینده ای دشوار می شود.

دستگاه های SiC: در سطح بین المللی، 600 ~ 1700 ولت SiC SBD و MOSFET صنعتی شده اند. محصولات اصلی در سطوح ولتاژ زیر 1200 ولت کار می کنند و در درجه اول از بسته بندی TO استفاده می کنند. از نظر قیمت، محصولات SiC در بازار بین المللی حدود 5 تا 6 برابر بیشتر از همتایان Si خود قیمت دارند. با این حال، قیمت ها با نرخ سالانه 10 درصد کاهش می یابد. با گسترش مواد بالادستی و تولید دستگاه در 2-3 سال آینده، عرضه بازار افزایش می یابد و منجر به کاهش بیشتر قیمت می شود. انتظار می رود زمانی که قیمت محصولات Si به 2-3 برابر برسد، مزایای ناشی از کاهش هزینه های سیستم و بهبود عملکرد به تدریج SiC را به سمت اشغال فضای بازار دستگاه های Si سوق دهد.
بسته بندی سنتی بر اساس بسترهای مبتنی بر سیلیکون است، در حالی که مواد نیمه هادی نسل سوم نیاز به طراحی کاملاً جدیدی دارند. استفاده از ساختارهای بسته‌بندی سنتی مبتنی بر سیلیکون برای دستگاه‌های قدرت باندگپ گسترده می‌تواند مسائل و چالش‌های جدیدی را در ارتباط با فرکانس، مدیریت حرارتی و قابلیت اطمینان ایجاد کند. دستگاه های قدرت SiC به ظرفیت خازنی و اندوکتانس انگلی حساس تر هستند. در مقایسه با دستگاه‌های Si، تراشه‌های قدرت SiC دارای سرعت سوئیچینگ سریع‌تری هستند که می‌تواند منجر به بیش از حد، نوسان، افزایش تلفات سوئیچینگ و حتی نقص دستگاه شود. علاوه بر این، دستگاه های قدرت SiC در دماهای بالاتر کار می کنند و به تکنیک های مدیریت حرارتی پیشرفته تری نیاز دارند.

انواع مختلفی از ساختارهای مختلف در زمینه بسته بندی قدرت نیمه هادی با گپ گسترده ایجاد شده است. بسته بندی سنتی ماژول برق مبتنی بر Si دیگر مناسب نیست. به منظور حل مشکلات پارامترهای انگلی بالا و راندمان اتلاف حرارت ضعیف بسته‌بندی ماژول برق مبتنی بر Si سنتی، بسته‌بندی ماژول قدرت SiC از اتصال بی‌سیم و فناوری خنک‌کننده دو طرفه در ساختار خود استفاده می‌کند و همچنین مواد زیرلایه را با حرارت بهتری به کار می‌گیرد. رسانایی، و تلاش کرد تا خازن‌های جداکننده، حسگرهای دما/جریان و مدارهای درایو را در ساختار ماژول ادغام کند و انواع مختلفی از فناوری‌های بسته‌بندی ماژول را توسعه دهد. علاوه بر این، موانع فنی بالایی برای ساخت دستگاه SiC وجود دارد و هزینه‌های تولید بالاست.

دستگاه های کاربید سیلیکون با قرار دادن لایه های همپایه بر روی یک بستر کاربید سیلیکون از طریق CVD تولید می شوند. این فرآیند شامل تمیز کردن، اکسیداسیون، فتولیتوگرافی، اچ کردن، برداشتن مقاومت نوری، کاشت یون، رسوب شیمیایی نیترید سیلیکون در بخار، پرداخت، کندوپاش و مراحل بعدی پردازش برای تشکیل ساختار دستگاه بر روی بستر تک کریستالی SiC است. انواع اصلی دستگاه های قدرت SiC عبارتند از دیودهای SiC، ترانزیستورهای SiC و ماژول های قدرت SiC. به دلیل عواملی مانند سرعت پایین تولید مواد در بالادست و نرخ بازده پایین، دستگاه‌های کاربید سیلیکون هزینه‌های تولید نسبتاً بالایی دارند.

علاوه بر این، ساخت دستگاه کاربید سیلیکون دارای مشکلات فنی خاصی است:
1) توسعه یک فرآیند خاص که با ویژگی های مواد کاربید سیلیکون سازگار باشد ضروری است. به عنوان مثال: SiC دارای نقطه ذوب بالایی است که انتشار حرارتی سنتی را بی اثر می کند. استفاده از روش دوپینگ کاشت یون و کنترل دقیق پارامترهایی مانند دما، سرعت گرمایش، مدت زمان و جریان گاز ضروری است. SiC نسبت به حلال های شیمیایی بی اثر است. باید از روش هایی مانند اچ خشک استفاده کرد و مواد ماسک، مخلوط های گازی، کنترل شیب دیواره کناری، سرعت اچینگ، زبری دیواره کناری و غیره را بهینه و توسعه داد.
2) ساخت الکترودهای فلزی روی ویفرهای کاربید سیلیکون نیاز به مقاومت تماسی زیر 10-5Ω2 دارد. مواد الکترود که الزامات را برآورده می کنند، Ni و Al، پایداری حرارتی ضعیفی در بالای 100 درجه سانتیگراد دارند، اما Al/Ni پایداری حرارتی بهتری دارد. مقاومت ویژه تماس مواد الکترود کامپوزیت /W/Au 10-3Ω2 بالاتر است.
3) SiC سایش برش بالایی دارد و سختی SiC بعد از الماس در رتبه دوم قرار دارد که نیازهای بالاتری را برای برش، سنگ زنی، پرداخت و سایر فناوری ها ایجاد می کند.
علاوه بر این، ساخت دستگاه های قدرت کاربید سیلیکون ترانشه دشوارتر است. با توجه به ساختار دستگاه های مختلف، دستگاه های قدرت کاربید سیلیکون را می توان به طور عمده به دستگاه های مسطح و دستگاه های ترانشه تقسیم کرد. دستگاه های قدرت کاربید سیلیکون مسطح دارای قوام واحد خوب و فرآیند ساخت ساده هستند، اما مستعد اثر JFET هستند و ظرفیت انگلی و مقاومت در حالت بالا دارند. در مقایسه با دستگاه های مسطح، دستگاه های قدرت کاربید سیلیکون ترانشه قوام واحد کمتری دارند و فرآیند ساخت پیچیده تری دارند. با این حال، ساختار ترانشه برای افزایش چگالی واحد دستگاه مناسب است و احتمال کمتری برای ایجاد اثر JFET دارد که برای حل مشکل تحرک کانال مفید است. دارای خواص عالی مانند مقاومت کم، ظرفیت انگلی کوچک و مصرف انرژی کم سوئیچینگ است. این دارای مزایای هزینه و عملکرد قابل توجهی است و به مسیر اصلی توسعه دستگاه های قدرت کاربید سیلیکون تبدیل شده است. طبق وب سایت رسمی Rohm، ساختار ROHM Gen3 (ساختار Gen1 Trench) تنها 75٪ از سطح تراشه Gen2 (Plannar2) است و مقاومت در برابر ساختار ROHM Gen3 با همان اندازه تراشه 50٪ کاهش می یابد.

زیرلایه کاربید سیلیکون، اپیتاکسی، جلویی، هزینه های تحقیق و توسعه و موارد دیگر به ترتیب 47، 23، 19، 6 درصد و 5 درصد از هزینه ساخت دستگاه های کاربید سیلیکون را تشکیل می دهند.

در نهایت، ما بر شکستن موانع فنی بسترها در زنجیره صنعت کاربید سیلیکون تمرکز خواهیم کرد.

فرآیند تولید بسترهای کاربید سیلیکون مشابه زیرلایه های مبتنی بر سیلیکون است، اما دشوارتر است.
فرآیند تولید بستر کاربید سیلیکون به طور کلی شامل سنتز مواد خام، رشد کریستال، پردازش شمش، برش شمش، آسیاب ویفر، پرداخت، تمیز کردن و سایر پیوندها است.
مرحله رشد کریستال هسته کل فرآیند است و این مرحله خواص الکتریکی زیرلایه کاربید سیلیکون را تعیین می کند.

رشد مواد کاربید سیلیکون در فاز مایع در شرایط عادی دشوار است. روش رشد فاز بخار که امروزه در بازار رایج است، دمای رشد بالای 2300 درجه سانتیگراد دارد و نیاز به کنترل دقیق دمای رشد دارد. مشاهده کل فرآیند عملیات تقریباً دشوار است. یک خطای جزئی منجر به اسقاط محصول می شود. در مقایسه، مواد سیلیکونی فقط به 1600 درجه سانتیگراد نیاز دارند که بسیار کمتر است. آماده سازی بسترهای کاربید سیلیکون نیز با مشکلاتی مانند رشد آهسته کریستال و نیاز به فرم کریستالی بالا مواجه است. رشد ویفر کاربید سیلیکون حدود 7 تا 10 روز طول می کشد، در حالی که کشیدن میله سیلیکون تنها 2 روز و نیم طول می کشد. علاوه بر این، کاربید سیلیکون ماده ای است که سختی آن پس از الماس در رتبه دوم قرار دارد. در حین برش، سنگ زنی و صیقل دادن مقدار زیادی از دست خواهد داد و نسبت خروجی آن تنها 60 درصد است.

ما می دانیم که روند افزایش اندازه زیرلایه های کاربید سیلیکون است، با ادامه افزایش اندازه، الزامات فن آوری انبساط قطری بیشتر و بالاتر می شود. برای دستیابی به رشد مکرر کریستال ها به ترکیبی از عناصر کنترل فنی مختلف نیاز دارد.