Tekniset vaikeudet korkealaatuisten ja vakaan suorituskyvyn omaavien korkealaatuisten piikarbidikiekkojen vakaassa massatuotannossa ovat:
1) Koska kiteiden täytyy kasvaa korkean lämpötilan suljetussa ympäristössä yli 2000 °C:ssa, lämpötilan säätövaatimukset ovat erittäin korkeat;
2) Koska piikarbidissa on yli 200 kiderakennetta, mutta vain harvat yksikiteisen piikarbidin rakenteet ovat vaadittuja puolijohdemateriaaleja, pii-hiilisuhdetta, kasvulämpötilagradienttia ja kiteen kasvua on säädettävä tarkasti kiteen kasvuprosessi. Parametrit, kuten nopeus ja ilmavirran paine;
3) Höyryfaasin siirtomenetelmässä piikarbidin kiteiden kasvun halkaisijan laajennustekniikka on erittäin vaikeaa;
4) Piikarbidin kovuus on lähellä timantin kovuutta, ja leikkaus-, hionta- ja kiillotustekniikat ovat vaikeita.
SiC epitaksiaaliset kiekot: valmistetaan yleensä kemiallisella höyrypinnoitusmenetelmällä (CVD). Eri dopingtyyppien mukaan ne jaetaan n-tyypin ja p-tyypin epitaksiaalisiin kiekoihin. Kotimaiset Hantian Tiancheng ja Dongguan Tianyu voivat jo tarjota 4 tuuman/6 tuuman SiC epitaksiaalisia kiekkoja. SiC-epitaksian osalta sitä on vaikea hallita suurjännitekentässä, ja piikarbidin laadulla on suurempi vaikutus piikarbidilaitteisiin. Lisäksi alan neljä johtavaa yritystä: Axitron, LPE, TEL ja Nuflare monopolisoivat epitaksiaalilaitteita.
Piikarbidi epitaksiaalinenkiekolla tarkoitetaan piikarbidikiekkoa, jossa alkuperäiselle piikarbidisubstraatille on kasvatettu yksikidekalvo (epitaksiaalinen kerros), jolla on tietyt vaatimukset ja sama kuin substraattikide. Epitaksiaalisessa kasvussa käytetään pääasiassa CVD-laitteita (Chemical Vapor Deposition, ) tai MBE-laitteita (Molecular Beam Epitaxy). Koska piikarbidilaitteet valmistetaan suoraan epitaksiaalisessa kerroksessa, epitaksikerroksen laatu vaikuttaa suoraan laitteen suorituskykyyn ja tuottoon. Laitteen jännitteenkestokyvyn kasvaessa vastaavan epitaksiaalikerroksen paksuus tulee paksummaksi ja ohjaus vaikeutuu. Yleensä kun jännite on noin 600 V, vaadittu epitaksiaalikerroksen paksuus on noin 6 mikronia; kun jännite on välillä 1200-1700V, vaadittu epitaksiaalinen kerrospaksuus saavuttaa 10-15 mikronia. Jos jännite saavuttaa yli 10 000 volttia, voidaan tarvita yli 100 mikronin epitaksiaalinen kerrospaksuus. Kun epitaksiaalikerroksen paksuus kasvaa edelleen, paksuuden ja resistiivisyyden tasaisuutta ja virhetiheyttä on yhä vaikeampi hallita.
SiC-laitteet: Kansainvälisesti 600 ~ 1700 V SiC SBD ja MOSFET on teollistettu. Yleiset tuotteet toimivat alle 1200 V:n jännitetasoilla ja käyttävät ensisijaisesti TO-pakkauksia. Hinnoittelultaan piikarbidituotteet ovat kansainvälisillä markkinoilla noin 5-6 kertaa kalliimpia kuin SiC-tuotteet. Hinnat kuitenkin laskevat 10 prosentin vuosivauhtia. Kun tuotantoketjun alkupään materiaalit ja laitetuotanto laajenevat seuraavien 2-3 vuoden aikana, markkinoiden tarjonta kasvaa, mikä johtaa edelleen hintojen laskuun. On odotettavissa, että kun hinta saavuttaa 2-3 kertaa Si-tuotteiden hinnan, alentuneiden järjestelmäkustannusten ja paremman suorituskyvyn tuomat edut saavat piikarbidin vähitellen valtaamaan Si-laitteiden markkinatilan.
Perinteiset pakkaukset perustuvat piipohjaisiin substraatteihin, kun taas kolmannen sukupolven puolijohdemateriaalit vaativat täysin uudenlaisen suunnittelun. Perinteisten piipohjaisten pakkausrakenteiden käyttö laajakaistaisissa teholaitteissa voi tuoda esiin uusia ongelmia ja haasteita liittyen taajuuteen, lämmönhallintaan ja luotettavuuteen. SiC-teholaitteet ovat herkempiä loiskapasitanssille ja -induktanssille. Si-laitteisiin verrattuna SiC-tehosiruilla on nopeammat kytkentänopeudet, mikä voi johtaa ylityksiin, värähtelyyn, lisääntyneisiin kytkentähäviöihin ja jopa laitteen toimintahäiriöihin. Lisäksi piikarbiditeholaitteet toimivat korkeammissa lämpötiloissa, mikä vaatii kehittyneempiä lämmönhallintatekniikoita.
Laajakaistaisten puolijohdetehopakkausten alalla on kehitetty useita erilaisia rakenteita. Perinteinen Si-pohjainen tehomoduulipakkaus ei enää sovellu. Ratkaistakseen perinteisten Si-pohjaisten tehomoduulipakkausten korkeiden loisparametrien ja huonon lämmönpoistotehokkuuden ongelmat, SiC-tehomoduulipakkaus ottaa käyttöön langattoman yhteenliittämisen ja kaksipuoleisen jäähdytystekniikan rakenteessa sekä ottaa käyttöön myös substraattimateriaalit, joilla on parempi lämpö johtavuus, ja yritti integroida irrotuskondensaattorit, lämpötila-/virta-anturit ja käyttöpiirit moduulirakenteeseen ja kehitti useita erilaisia moduulien pakkaustekniikoita. Lisäksi piikarbidilaitteiden valmistuksessa on korkeat tekniset esteet ja tuotantokustannukset ovat korkeat.
Piikarbidilaitteet valmistetaan kerrostamalla epitaksiaalikerroksia piikarbidisubstraatille CVD:n kautta. Prosessi sisältää puhdistuksen, hapetuksen, fotolitografian, etsauksen, fotoresistin poistamisen, ioni-istutuksen, piinitridin kemiallisen höyrysaostuksen, kiillotuksen, sputteroinnin ja sitä seuraavat prosessointivaiheet laitteen rakenteen muodostamiseksi piikarbidin yksikidealustalle. SiC-teholaitteiden päätyyppejä ovat SiC-diodit, SiC-transistorit ja SiC-tehomoduulit. Piikarbidilaitteilla on suhteellisen korkeat valmistuskustannukset johtuen sellaisista tekijöistä kuin hidas alkupään materiaalin tuotantonopeus ja alhainen tuottoaste.
Lisäksi piikarbidilaitteiden valmistuksessa on tiettyjä teknisiä vaikeuksia:
1) On tarpeen kehittää erityinen prosessi, joka on yhdenmukainen piikarbidimateriaalien ominaisuuksien kanssa. Esimerkiksi: SiC:llä on korkea sulamispiste, mikä tekee perinteisestä lämpödiffuusiosta tehottoman. On tarpeen käyttää ioni-implantaation dopingmenetelmää ja ohjata tarkasti parametreja, kuten lämpötilaa, kuumennusnopeutta, kestoa ja kaasuvirtausta; SiC on inertti kemiallisille liuottimille. On käytettävä menetelmiä, kuten kuivasyövytystä, ja maskimateriaaleja, kaasuseoksia, sivuseinän kaltevuuden, syövytysnopeuden, sivuseinän karheuden jne. hallintaa tulisi optimoida ja kehittää;
2) Metallielektrodien valmistus piikarbidikiekkoihin vaatii kosketusresistanssin alle 10-5Ω2. Vaatimukset täyttävillä elektrodimateriaaleilla, Ni ja Al, on huono lämmönkestävyys yli 100 °C:ssa, mutta Al/Ni:llä on parempi lämmönkestävyys. /W/Au-komposiittielektrodimateriaalin kosketusominaisvastus on 10-3Ω2 suurempi;
3) Piikarbidilla on korkea leikkauskuluminen, ja piikarbidin kovuus on toisella sijalla timantin jälkeen, mikä asettaa korkeammat vaatimukset leikkaukselle, hionnalle, kiillotukselle ja muille tekniikoille.
Lisäksi kaivannon piikarbiditeholaitteita on vaikeampi valmistaa. Eri laiterakenteiden mukaan piikarbidivoimalaitteet voidaan jakaa pääosin tasolaitteisiin ja kaivantolaitteisiin. Tasomaisilla piikarbiditeholaitteilla on hyvä yksikön konsistenssi ja yksinkertainen valmistusprosessi, mutta ne ovat alttiita JFET-ilmiölle ja niillä on korkea loiskapasitanssi ja on-state-vastus. Tasomaisiin laitteisiin verrattuna piikarbidin kaivannon voimalaitteilla on pienempi yksiköiden konsistenssi ja monimutkaisempi valmistusprosessi. Kaivannon rakenne edistää kuitenkin laitteen yksikkötiheyden lisäämistä ja tuottaa vähemmän todennäköisesti JFET-ilmiön, mikä on hyödyllistä kanavan liikkuvuuden ongelman ratkaisemisessa. Sillä on erinomaiset ominaisuudet, kuten pieni päällekytkentävastus, pieni loiskapasitanssi ja alhainen kytkentäenergian kulutus. Sillä on merkittäviä kustannus- ja suorituskykyetuja, ja siitä on tullut piikarbiditeholaitteiden kehityksen pääsuunta. Rohmin virallisen verkkosivuston mukaan ROHM Gen3 -rakenne (Gen1 Trench -rakenne) on vain 75 % Gen2 (Plannar2) -sirun alueesta, ja ROHM Gen3 -rakenteen on-resistanssi pienenee 50 % saman sirun koolla.
Piikarbidisubstraatti, epitaksi, etuosa, T&K-kulut ja muut vastaavat 47 %, 23 %, 19 %, 6 % ja 5 % piikarbidilaitteiden valmistuskustannuksista.
Lopuksi keskitymme substraattien teknisten esteiden purkamiseen piikarbiditeollisuusketjussa.
Piikarbidisubstraattien valmistusprosessi on samanlainen kuin piipohjaisten substraattien valmistusprosessi, mutta vaikeampi.
Piikarbidisubstraatin valmistusprosessi sisältää yleensä raaka-ainesynteesin, kiteiden kasvun, harkon käsittelyn, harkon leikkaamisen, kiekkojen hiomisen, kiillotuksen, puhdistuksen ja muut linkit.
Kiteen kasvuvaihe on koko prosessin ydin, ja tämä vaihe määrittää piikarbidisubstraatin sähköiset ominaisuudet.
Piikarbidimateriaaleja on vaikea kasvattaa nestefaasissa normaaleissa olosuhteissa. Nykyään markkinoilla suosittu höyryfaasikasvatusmenetelmän kasvulämpötila on yli 2300°C ja vaatii tarkkaa kasvulämpötilan säätöä. Koko toimintaprosessia on lähes vaikea havaita. Pieni virhe johtaa tuotteen romutukseen. Vertailun vuoksi, piimateriaalit vaativat vain 1600 ℃, mikä on paljon alhaisempi. Piikarbidisubstraattien valmistelussa on myös vaikeuksia, kuten hidas kiteen kasvu ja korkeat kidemuotovaatimukset. Piikarbidikiekon kasvu kestää noin 7–10 päivää, kun taas piitangon vetäminen kestää vain 2 ja puoli päivää. Lisäksi piikarbidi on materiaali, jonka kovuus on toinen timantin jälkeen. Se menettää paljon leikkaamisen, hionnan ja kiillotuksen aikana, ja tuotantosuhde on vain 60%.
Tiedämme, että trendi on kasvattaa piikarbidialustojen kokoa, sillä koon kasvaessa vaatimukset halkaisijan laajennusteknologialle ovat yhä korkeammat. Se vaatii erilaisten teknisten ohjauselementtien yhdistelmää kiteiden iteratiivisen kasvun saavuttamiseksi.
Postitusaika: 22.5.2024