Tehničke poteškoće u stabilnoj masovnoj proizvodnji visokokvalitetnih pločica od silicij karbida sa stabilnim performansama uključuju:
1) Budući da kristali moraju rasti u visokotemperaturnom zatvorenom okruženju iznad 2000°C, zahtjevi za kontrolom temperature su izuzetno visoki;
2) Budući da silicijev karbid ima više od 200 kristalnih struktura, ali samo nekoliko struktura monokristalnog silicij karbida su potrebni poluvodički materijali, omjer silicija i ugljika, gradijent temperature rasta i rast kristala treba precizno kontrolirati tijekom proces rasta kristala. Parametri kao što su brzina i tlak protoka zraka;
3) Pod metodom prijenosa parne faze, tehnologija ekspanzije promjera rasta kristala silicijevog karbida je izuzetno teška;
4) Tvrdoća silicijevog karbida je bliska tvrdoći dijamanta, a tehnike rezanja, brušenja i poliranja su teške.
SiC epitaksijalne pločice: obično se proizvode metodom kemijskog taloženja iz pare (CVD). Prema različitim vrstama dopinga, dijele se na n-tip i p-tip epitaksijalne pločice. Domaći Hantian Tiancheng i Dongguan Tianyu već mogu ponuditi 4-inčne/6-inčne SiC epitaksijalne pločice. Za SiC epitaksiju, teško ju je kontrolirati u visokonaponskom polju, a kvaliteta SiC epitaksije ima veći utjecaj na SiC uređaje. Štoviše, epitaksijalnu opremu monopoliziraju četiri vodeće tvrtke u industriji: Axitron, LPE, TEL i Nuflare.
Silicij karbid epitaksijalnipločica se odnosi na pločicu od silicij-karbida u kojoj se na izvornoj podlozi od silicij-karbida uzgaja monokristalni film (epitaksijalni sloj) s određenim zahtjevima koji su isti kao i kristal supstrata. Epitaksijalni rast uglavnom koristi CVD (Chemical Vapor Deposition, ) opremu ili MBE (Molecular Beam Epitaxy) opremu. Budući da se uređaji od silicij karbida proizvode izravno u epitaksijalnom sloju, kvaliteta epitaksijalnog sloja izravno utječe na izvedbu i iskoristivost uređaja. Kako se performanse otpornosti uređaja na napon povećavaju, debljina odgovarajućeg epitaksijalnog sloja postaje sve deblja i kontrola postaje teža. Općenito, kada je napon oko 600 V, potrebna debljina epitaksijalnog sloja je oko 6 mikrona; kada je napon između 1200-1700V, potrebna debljina epitaksijalnog sloja doseže 10-15 mikrona. Ako napon dosegne više od 10 000 volti, može biti potrebna debljina epitaksijalnog sloja veća od 100 mikrona. Kako se debljina epitaksijalnog sloja nastavlja povećavati, postaje sve teže kontrolirati debljinu i jednolikost otpora i gustoću defekata.
SiC uređaji: Na međunarodnoj razini, 600~1700V SiC SBD i MOSFET su industrijalizirani. Glavni proizvodi rade na naponskim razinama ispod 1200 V i prvenstveno prihvaćaju TO pakiranje. Što se tiče cijena, SiC proizvodi na međunarodnom tržištu imaju oko 5-6 puta veću cijenu od svojih SiC proizvoda. Međutim, cijene padaju po godišnjoj stopi od 10%. s ekspanzijom uzvodnih materijala i proizvodnje uređaja u sljedeće 2-3 godine, ponuda na tržištu će se povećati, što će dovesti do daljnjeg smanjenja cijena. Očekuje se da će, kada cijena dosegne 2-3 puta veću od cijene Si proizvoda, prednosti koje donose smanjeni troškovi sustava i poboljšane performanse postupno natjerati SiC da zauzme tržišni prostor Si uređaja.
Tradicionalno pakiranje temelji se na supstratima na bazi silicija, dok poluvodički materijali treće generacije zahtijevaju potpuno novi dizajn. Korištenje tradicionalnih struktura pakiranja na bazi silicija za uređaje za napajanje sa širokim pojasom može uvesti nove probleme i izazove povezane s frekvencijom, upravljanjem toplinom i pouzdanošću. SiC uređaji za napajanje osjetljiviji su na parazitski kapacitet i induktivitet. U usporedbi sa Si uređajima, SiC čipovi za napajanje imaju veće brzine prebacivanja, što može dovesti do prekoračenja, oscilacija, povećanih gubitaka pri prebacivanju, pa čak i kvarova uređaja. Dodatno, SiC uređaji za napajanje rade na višim temperaturama, zahtijevajući naprednije tehnike upravljanja toplinom.
Raznovrsne su različite strukture u području širokopojasnog poluvodičkog pakiranja snage. Tradicionalno pakiranje modula napajanja na bazi silicija više nije prikladno. Kako bi se riješili problemi visokih parazitskih parametara i slabe učinkovitosti rasipanja topline tradicionalnog pakiranja modula snage na bazi silicija, pakiranje modula snage SiC usvaja bežično međusobno povezivanje i tehnologiju dvostranog hlađenja u svojoj strukturi, a također usvaja materijale supstrata s boljom toplinskom vodljivosti i pokušao integrirati kondenzatore za odvajanje, temperaturne/strujne senzore i pogonske krugove u strukturu modula i razvio niz različitih modula tehnologije pakiranja. Štoviše, postoje visoke tehničke prepreke za proizvodnju SiC uređaja i troškovi proizvodnje su visoki.
Uređaji od silicij-karbida proizvode se taloženjem epitaksijalnih slojeva na podlogu od silicij-karbida putem CVD-a. Proces uključuje čišćenje, oksidaciju, fotolitografiju, jetkanje, skidanje fotorezista, ionsku implantaciju, kemijsko taloženje silicijevog nitrida iz pare, poliranje, raspršivanje i naknadne korake obrade kako bi se oblikovala struktura uređaja na SiC monokristalnoj podlozi. Glavne vrste SiC energetskih uređaja uključuju SiC diode, SiC tranzistore i SiC module napajanja. Zbog čimbenika kao što su spora uzvodna brzina proizvodnje materijala i niske stope iskorištenja, uređaji od silicij karbida imaju relativno visoke troškove proizvodnje.
Osim toga, proizvodnja uređaja od silicijevog karbida ima određene tehničke poteškoće:
1) Potrebno je razviti specifičan proces koji je u skladu sa karakteristikama silicijevog karbida. Na primjer: SiC ima visoko talište, što tradicionalnu toplinsku difuziju čini neučinkovitom. Potrebno je koristiti metodu dopiranja ionskom implantacijom i precizno kontrolirati parametre kao što su temperatura, brzina zagrijavanja, trajanje i protok plina; SiC je inertan na kemijska otapala. Trebalo bi koristiti metode kao što je suho jetkanje, a materijale maske, mješavine plinova, kontrolu nagiba bočne stijenke, brzinu jetkanja, hrapavost bočne stijenke itd. treba optimizirati i razviti;
2) Proizvodnja metalnih elektroda na pločicama od silicij karbida zahtijeva kontaktni otpor ispod 10-5Ω2. Elektrodni materijali koji zadovoljavaju zahtjeve, Ni i Al, imaju lošu toplinsku stabilnost iznad 100°C, ali Al/Ni ima bolju toplinsku stabilnost. Kontaktni specifični otpor /W/Au kompozitnog materijala elektrode je 10-3Ω2 veći;
3) SiC ima visoko trošenje pri rezanju, a tvrdoća SiC-a je druga nakon dijamanta, što postavlja veće zahtjeve za rezanje, brušenje, poliranje i druge tehnologije.
Štoviše, električne uređaje od silicij-karbida je teže proizvesti. Prema različitim strukturama uređaja, uređaji za napajanje od silicijevog karbida mogu se uglavnom podijeliti na planarne uređaje i uređaje za rovove. Planarni uređaji za napajanje od silicijevog karbida imaju dobru konzistentnost jedinice i jednostavan proces proizvodnje, ali su skloni JFET učinku i imaju visok parazitni kapacitet i otpornost u on-stanju. U usporedbi s ravnim uređajima, uređaji za napajanje od silicijevog karbida imaju nižu jediničnu konzistenciju i složeniji proizvodni proces. Međutim, struktura jarka je pogodna za povećanje gustoće jedinice uređaja i manje je vjerojatno da će proizvesti JFET efekt, što je korisno za rješavanje problema mobilnosti kanala. Ima izvrsna svojstva kao što su mali otpor pri uključivanju, mali parazitni kapacitet i niska potrošnja energije pri prebacivanju. Ima značajne prednosti u pogledu cijene i performansi i postao je glavni smjer razvoja uređaja za napajanje od silicij karbida. Prema službenoj web stranici Rohma, struktura ROHM Gen3 (struktura Gen1 Trench) čini samo 75% površine čipa Gen2 (Plannar2), a otpornost na uključenje strukture ROHM Gen3 smanjena je za 50% pod istom veličinom čipa.
Supstrat od silicij-karbida, epitaksija, front-end, troškovi istraživanja i razvoja i drugi čine 47%, 23%, 19%, 6% i 5% troškova proizvodnje uređaja od silicij-karbida.
Konačno, usredotočit ćemo se na rušenje tehničkih prepreka supstrata u lancu industrije silicijevog karbida.
Proces proizvodnje supstrata od silicij-karbida sličan je onom za supstrate na bazi silicija, ali je teži.
Proces proizvodnje supstrata od silicijevog karbida općenito uključuje sintezu sirovina, rast kristala, obradu ingota, rezanje ingota, brušenje pločica, poliranje, čišćenje i druge veze.
Stadij rasta kristala srž je cijelog procesa i ovaj korak određuje električna svojstva supstrata od silicij karbida.
Silicij karbidne materijale teško je uzgajati u tekućoj fazi pod normalnim uvjetima. Metoda rasta u parnoj fazi koja je danas popularna na tržištu ima temperaturu rasta iznad 2300°C i zahtijeva preciznu kontrolu temperature rasta. Cijeli radni proces gotovo je teško promatrati. Manja pogreška dovest će do odbacivanja proizvoda. Za usporedbu, silikonski materijali zahtijevaju samo 1600 ℃, što je puno niže. Priprema supstrata od silicijevog karbida također se suočava s poteškoćama poput sporog rasta kristala i visokih zahtjeva za oblikom kristala. Rast pločice od silicij-karbida traje oko 7 do 10 dana, dok izvlačenje silikonske šipke traje samo 2 i pol dana. Štoviše, silicijev karbid je materijal čija je tvrdoća odmah iza dijamanta. Puno će izgubiti tijekom rezanja, brušenja i poliranja, a učinak je samo 60%.
Znamo da je trend povećanja veličine supstrata od silicij-karbida, kako se veličina nastavlja povećavati, zahtjevi za tehnologijom proširenja promjera postaju sve veći i veći. Zahtijeva kombinaciju različitih tehničkih kontrolnih elemenata za postizanje iterativnog rasta kristala.
Vrijeme objave: 22. svibnja 2024