As dificultades técnicas para producir de forma estable obleas de carburo de silicio de alta calidade con rendemento estable inclúen:
1) Dado que os cristais necesitan crecer nun ambiente selado a alta temperatura superior a 2000 °C, os requisitos de control de temperatura son moi altos;
2) Dado que o carburo de silicio ten máis de 200 estruturas cristalinas, pero só algunhas estruturas de carburo de silicio monocristalino son os materiais semicondutores necesarios, a relación silicio-carbono, o gradiente de temperatura de crecemento e o crecemento do cristal deben controlarse con precisión durante o proceso de crecemento dos cristais. Parámetros como a velocidade e a presión do fluxo de aire;
3) Baixo o método de transmisión da fase de vapor, a tecnoloxía de expansión do diámetro do crecemento de cristais de carburo de silicio é moi difícil;
4) A dureza do carburo de silicio é próxima á do diamante, e as técnicas de corte, moenda e pulido son difíciles.
Obleas epitaxiais de SiC: normalmente fabricadas polo método de deposición química en vapor (CVD). Segundo os diferentes tipos de dopaxe, divídense en obleas epitaxiais tipo n e tipo p. Hantian Tiancheng e Dongguan Tianyu domésticos xa poden proporcionar obleas epitaxiais de SiC de 4 polgadas/6 polgadas. Para a epitaxia de SiC, é difícil de controlar no campo de alta tensión e a calidade da epitaxia de SiC ten un maior impacto nos dispositivos de SiC. Ademais, os equipos epitaxiais están monopolizados polas catro empresas líderes da industria: Axitron, LPE, TEL e Nuflare.
Epitaxial de carburo de siliciowafer refírese a unha oblea de carburo de silicio na que unha única película de cristal (capa epitaxial) con certos requisitos e o mesmo que o cristal do substrato crece sobre o substrato orixinal de carburo de silicio. O crecemento epitaxial utiliza principalmente equipos CVD (Deposición de vapor químico) ou equipos MBE (Epitaxia de feixe molecular). Dado que os dispositivos de carburo de silicio se fabrican directamente na capa epitaxial, a calidade da capa epitaxial afecta directamente o rendemento e o rendemento do dispositivo. A medida que o rendemento de resistencia á tensión do dispositivo segue aumentando, o grosor da capa epitaxial correspondente faise máis groso e o control faise máis difícil. Xeralmente, cando a tensión é de aproximadamente 600 V, o grosor da capa epitaxial necesario é de aproximadamente 6 micras; cando a tensión está entre 1200-1700V, o grosor da capa epitaxial requirida alcanza os 10-15 micras. Se a tensión alcanza máis de 10.000 voltios, pode ser necesario un espesor de capa epitaxial de máis de 100 micras. A medida que o espesor da capa epitaxial segue aumentando, faise cada vez máis difícil controlar a uniformidade do grosor e da resistividade e a densidade do defecto.
Dispositivos SiC: a nivel internacional, 600 ~ 1700V SiC SBD e MOSFET foron industrializados. Os produtos principais funcionan a niveis de tensión inferiores a 1200 V e adoptan principalmente envases TO. En termos de prezos, os produtos de SiC no mercado internacional teñen un prezo entre 5 e 6 veces máis elevado que os seus homólogos de Si. Non obstante, os prezos están a diminuír a un ritmo anual do 10%. coa expansión dos materiais ascendentes e da produción de dispositivos nos próximos 2-3 anos, a oferta do mercado aumentará, o que levará a novas reducións de prezos. Espérase que, cando o prezo alcance 2-3 veces o dos produtos Si, as vantaxes que aportan os custos reducidos do sistema e o rendemento mellorado impulsarán gradualmente o SiC a ocupar o espazo de mercado dos dispositivos Si.
Os envases tradicionais baséanse en substratos a base de silicio, mentres que os materiais semicondutores de terceira xeración requiren un deseño completamente novo. O uso de estruturas tradicionais de embalaxe baseadas en silicio para dispositivos de alimentación de banda ampla pode introducir novos problemas e desafíos relacionados coa frecuencia, a xestión térmica e a fiabilidade. Os dispositivos de potencia SiC son máis sensibles á capacitancia e inductancia parasitarias. En comparación cos dispositivos Si, os chips de potencia SiC teñen velocidades de conmutación máis rápidas, o que pode provocar sobrepasos, oscilacións, aumento das perdas de conmutación e mesmo mal funcionamento do dispositivo. Ademais, os dispositivos de potencia SiC funcionan a temperaturas máis altas, o que require técnicas de xestión térmica máis avanzadas.
Desenvolvéronse unha variedade de estruturas diferentes no campo do envasado de potencia de semicondutores de banda ampla. O embalaxe tradicional do módulo de enerxía baseado en Si xa non é axeitado. Co fin de resolver os problemas de altos parámetros parasitarios e a escasa eficiencia de disipación de calor do envase tradicional do módulo de potencia baseado en Si, o embalaxe do módulo de potencia SiC adopta a interconexión sen fíos e a tecnoloxía de refrixeración de dobre lado na súa estrutura, e tamén adopta os materiais do substrato cunha mellor temperatura térmica. condutividade, e intentou integrar capacitores de desacoplamento, sensores de temperatura/corrente e circuítos de accionamento na estrutura do módulo, e desenvolveu unha variedade de tecnoloxías de envasado de módulos diferentes. Ademais, existen grandes barreiras técnicas para a fabricación de dispositivos SiC e os custos de produción son elevados.
Os dispositivos de carburo de silicio prodúcense depositando capas epitaxiais sobre un substrato de carburo de silicio mediante CVD. O proceso implica a limpeza, oxidación, fotolitografía, gravado, eliminación de fotorresistentes, implantación de ións, deposición química de vapor de nitruro de silicio, pulido, pulido, e os pasos de procesamento posteriores para formar a estrutura do dispositivo no substrato de cristal único de SiC. Os principais tipos de dispositivos de potencia SiC inclúen díodos SiC, transistores SiC e módulos de potencia SiC. Debido a factores como a lenta velocidade de produción de material augas arriba e as baixas taxas de rendemento, os dispositivos de carburo de silicio teñen custos de fabricación relativamente altos.
Ademais, a fabricación de dispositivos de carburo de silicio ten certas dificultades técnicas:
1) É necesario desenvolver un proceso específico que sexa coherente coas características dos materiais de carburo de silicio. Por exemplo: SiC ten un alto punto de fusión, o que fai que a difusión térmica tradicional sexa ineficaz. É necesario utilizar o método de dopaxe de implantación iónica e controlar con precisión parámetros como a temperatura, a velocidade de quecemento, a duración e o fluxo de gas; SiC é inerte aos disolventes químicos. Débense empregar métodos como o gravado en seco e optimizar e desenvolver os materiais de máscara, as mesturas de gases, o control da pendente da parede lateral, a taxa de gravado, a rugosidade da parede, etc.
2) A fabricación de electrodos metálicos en obleas de carburo de silicio require unha resistencia de contacto inferior a 10-5Ω2. Os materiais dos electrodos que cumpren os requisitos, Ni e Al, teñen unha estabilidade térmica pobre por riba dos 100 °C, pero o Al/Ni ten unha mellor estabilidade térmica. A resistencia específica de contacto do material de electrodo composto /W/Au é 10-3Ω2 maior;
3) SiC ten un alto desgaste de corte, e a dureza do SiC é a segunda só despois do diamante, que presenta requisitos máis altos para cortar, moer, pulir e outras tecnoloxías.
Ademais, os dispositivos de potencia de carburo de silicio de trincheira son máis difíciles de fabricar. Segundo as diferentes estruturas do dispositivo, os dispositivos de potencia de carburo de silicio pódense dividir principalmente en dispositivos planos e dispositivos de trincheira. Os dispositivos de potencia de carburo de silicio plano teñen unha boa consistencia unitaria e un proceso de fabricación sinxelo, pero son propensos ao efecto JFET e teñen unha alta capacidade parasitaria e resistencia ao estado. En comparación cos dispositivos planos, os dispositivos de potencia de carburo de silicio de trincheira teñen unha consistencia unitaria máis baixa e un proceso de fabricación máis complexo. Non obstante, a estrutura da trincheira favorece o aumento da densidade da unidade do dispositivo e é menos probable que produza o efecto JFET, o que é beneficioso para resolver o problema da mobilidade da canle. Ten excelentes propiedades, como unha pequena resistencia, pequena capacitancia parasitaria e baixo consumo de enerxía de conmutación. Ten vantaxes significativas de custo e rendemento e converteuse na dirección principal do desenvolvemento de dispositivos de potencia de carburo de silicio. Segundo o sitio web oficial de Rohm, a estrutura ROHM Gen3 (estrutura Gen1 Trench) é só o 75% da área do chip Gen2 (Plannar2), e a resistencia á activación da estrutura ROHM Gen3 redúcese nun 50% co mesmo tamaño de chip.
Os gastos de substrato de carburo de silicio, epitaxia, front-end, I + D e outros representan o 47%, 23%, 19%, 6% e 5% do custo de fabricación dos dispositivos de carburo de silicio, respectivamente.
Finalmente, centrarémonos en romper as barreiras técnicas dos substratos na cadea da industria do carburo de silicio.
O proceso de produción de substratos de carburo de silicio é similar ao dos substratos a base de silicio, pero máis difícil.
O proceso de fabricación do substrato de carburo de silicio inclúe xeralmente a síntese de materias primas, o crecemento de cristais, o procesamento de lingotes, o corte de lingotes, a moenda de obleas, o pulido, a limpeza e outras ligazóns.
A fase de crecemento do cristal é o núcleo de todo o proceso, e este paso determina as propiedades eléctricas do substrato de carburo de silicio.
Os materiais de carburo de silicio son difíciles de crecer na fase líquida en condicións normais. O método de crecemento en fase de vapor popular hoxe no mercado ten unha temperatura de crecemento superior a 2300 ° C e require un control preciso da temperatura de crecemento. Todo o proceso de operación é case difícil de observar. Un pequeno erro levará á eliminación do produto. En comparación, os materiais de silicio só requiren 1600 ℃, o que é moito máis baixo. A preparación de substratos de carburo de silicio tamén enfróntase a dificultades como un crecemento lento de cristales e requisitos elevados de forma cristalina. O crecemento da oblea de carburo de silicio leva entre 7 e 10 días, mentres que a tirada da varilla de silicio leva só 2 días e medio. Ademais, o carburo de silicio é un material cuxa dureza é a segunda só despois do diamante. Perderá moito durante o corte, a moenda e o pulido, e a relación de saída é só do 60%.
Sabemos que a tendencia é aumentar o tamaño dos substratos de carburo de silicio, xa que o tamaño segue aumentando, os requisitos para a tecnoloxía de expansión de diámetro son cada vez máis altos. Require unha combinación de varios elementos de control técnico para conseguir un crecemento iterativo dos cristais.
Hora de publicación: 22-maio-2024