Kesulitan teknis dalam memproduksi wafer silikon karbida berkualitas tinggi secara massal dan stabil dengan kinerja yang stabil meliputi:
1) Karena kristal perlu tumbuh di lingkungan tertutup bersuhu tinggi di atas 2000°C, persyaratan pengendalian suhu sangat tinggi;
2) Karena silikon karbida memiliki lebih dari 200 struktur kristal, tetapi hanya beberapa struktur silikon karbida kristal tunggal yang merupakan bahan semikonduktor yang diperlukan, rasio silikon terhadap karbon, gradien suhu pertumbuhan, dan pertumbuhan kristal perlu dikontrol secara tepat selama proses pertumbuhan kristal. Parameter seperti kecepatan dan tekanan aliran udara;
3) Di bawah metode transmisi fase uap, teknologi perluasan diameter pertumbuhan kristal silikon karbida sangat sulit;
4) Kekerasan silikon karbida mendekati kekerasan berlian, dan teknik pemotongan, penggilingan, dan pemolesan sulit dilakukan.
Wafer epitaksi SiC: biasanya diproduksi dengan metode deposisi uap kimia (CVD). Menurut jenis doping yang berbeda, mereka dibagi menjadi wafer epitaksi tipe-n dan tipe-p. Hantian Tiancheng dan Dongguan Tianyu domestik sudah dapat menyediakan wafer epitaksi SiC 4 inci/6 inci. Untuk epitaksi SiC, sulit dikendalikan di medan tegangan tinggi, dan kualitas epitaksi SiC memiliki dampak yang lebih besar pada perangkat SiC. Selain itu, peralatan epitaxial dimonopoli oleh empat perusahaan terkemuka di industri: Axitron, LPE, TEL dan Nuflare.
Epitaksi silikon karbidawafer mengacu pada wafer silikon karbida di mana film kristal tunggal (lapisan epitaksi) dengan persyaratan tertentu dan sama dengan kristal substrat ditanam pada substrat silikon karbida asli. Pertumbuhan epitaksi terutama menggunakan peralatan CVD (Chemical Vapour Deposition, ) atau peralatan MBE (Molecular Beam Epitaxy). Karena perangkat silikon karbida diproduksi langsung di lapisan epitaksi, kualitas lapisan epitaksi secara langsung mempengaruhi kinerja dan hasil perangkat. Ketika kinerja ketahanan tegangan perangkat terus meningkat, ketebalan lapisan epitaksi yang sesuai menjadi lebih tebal dan kontrol menjadi lebih sulit. Umumnya, ketika tegangan sekitar 600V, ketebalan lapisan epitaksi yang diperlukan adalah sekitar 6 mikron; ketika tegangan antara 1200-1700V, ketebalan lapisan epitaksi yang dibutuhkan mencapai 10-15 mikron. Jika tegangan mencapai lebih dari 10.000 volt, mungkin diperlukan ketebalan lapisan epitaksial lebih dari 100 mikron. Ketika ketebalan lapisan epitaksial terus meningkat, menjadi semakin sulit untuk mengontrol keseragaman ketebalan dan resistivitas serta kepadatan cacat.
Perangkat SiC: Secara internasional, 600~1700V SiC SBD dan MOSFET telah diindustrialisasi. Produk utama beroperasi pada level tegangan di bawah 1200V dan terutama mengadopsi kemasan TO. Dari segi harga, produk SiC di pasar internasional dihargai sekitar 5-6 kali lebih tinggi dibandingkan produk SiC. Namun, harga menurun pada tingkat tahunan sebesar 10%. dengan perluasan produksi material dan perangkat hulu dalam 2-3 tahun ke depan, pasokan pasar akan meningkat, yang menyebabkan penurunan harga lebih lanjut. Diharapkan ketika harga mencapai 2-3 kali lipat dari produk Si, keuntungan yang didapat dari pengurangan biaya sistem dan peningkatan kinerja secara bertahap akan mendorong SiC menempati ruang pasar perangkat Si.
Kemasan tradisional didasarkan pada substrat berbasis silikon, sedangkan bahan semikonduktor generasi ketiga memerlukan desain yang benar-benar baru. Penggunaan struktur pengemasan tradisional berbasis silikon untuk perangkat listrik dengan celah pita lebar dapat menimbulkan masalah dan tantangan baru terkait frekuensi, manajemen termal, dan keandalan. Perangkat daya SiC lebih sensitif terhadap kapasitansi dan induktansi parasit. Dibandingkan dengan perangkat Si, chip daya SiC memiliki kecepatan peralihan yang lebih cepat, yang dapat menyebabkan overshoot, osilasi, peningkatan kerugian peralihan, dan bahkan kegagalan fungsi perangkat. Selain itu, perangkat daya SiC beroperasi pada suhu yang lebih tinggi, sehingga memerlukan teknik manajemen termal yang lebih canggih.
Berbagai struktur berbeda telah dikembangkan di bidang pengemasan daya semikonduktor celah pita lebar. Kemasan modul daya berbasis Si tradisional sudah tidak sesuai lagi. Untuk mengatasi masalah parameter parasit yang tinggi dan efisiensi pembuangan panas yang buruk pada kemasan modul daya tradisional berbasis Si, kemasan modul daya SiC mengadopsi interkoneksi nirkabel dan teknologi pendinginan dua sisi dalam strukturnya, dan juga mengadopsi bahan substrat dengan termal yang lebih baik. konduktivitas, dan mencoba mengintegrasikan kapasitor decoupling, sensor suhu/arus, dan sirkuit penggerak ke dalam struktur modul, dan mengembangkan berbagai teknologi pengemasan modul yang berbeda. Selain itu, terdapat hambatan teknis yang tinggi dalam pembuatan perangkat SiC dan biaya produksi yang tinggi.
Perangkat silikon karbida diproduksi dengan mendepositkan lapisan epitaksial pada substrat silikon karbida melalui CVD. Prosesnya melibatkan pembersihan, oksidasi, fotolitografi, etsa, pengupasan photoresist, implantasi ion, pengendapan uap kimia silikon nitrida, pemolesan, sputtering, dan langkah pemrosesan selanjutnya untuk membentuk struktur perangkat pada substrat kristal tunggal SiC. Jenis utama perangkat daya SiC meliputi dioda SiC, transistor SiC, dan modul daya SiC. Karena faktor-faktor seperti kecepatan produksi material hulu yang lambat dan tingkat hasil yang rendah, perangkat silikon karbida memiliki biaya produksi yang relatif tinggi.
Selain itu, pembuatan perangkat silikon karbida memiliki kesulitan teknis tertentu:
1) Perlu dikembangkan proses khusus yang sesuai dengan karakteristik bahan silikon karbida. Misalnya: SiC memiliki titik leleh yang tinggi, sehingga difusi termal tradisional tidak efektif. Penting untuk menggunakan metode doping implantasi ion dan mengontrol parameter secara akurat seperti suhu, laju pemanasan, durasi, dan aliran gas; SiC bersifat inert terhadap pelarut kimia. Metode seperti etsa kering harus digunakan, dan bahan penutup, campuran gas, kontrol kemiringan dinding samping, laju etsa, kekasaran dinding samping, dll. harus dioptimalkan dan dikembangkan;
2) Pembuatan elektroda logam pada wafer silikon karbida memerlukan resistansi kontak di bawah 10-5Ω2. Bahan elektroda yang memenuhi persyaratan Ni dan Al memiliki stabilitas termal yang buruk di atas 100°C, namun Al/Ni memiliki stabilitas termal yang lebih baik. Resistansi spesifik kontak bahan elektroda komposit /W/Au adalah 10-3Ω2 lebih tinggi;
3) SiC memiliki keausan pemotongan yang tinggi, dan kekerasan SiC berada di urutan kedua setelah berlian, yang memerlukan persyaratan lebih tinggi untuk pemotongan, penggilingan, pemolesan, dan teknologi lainnya.
Selain itu, perangkat listrik silikon karbida parit lebih sulit diproduksi. Menurut struktur perangkat yang berbeda, perangkat daya silikon karbida dapat dibagi menjadi perangkat planar dan perangkat parit. Perangkat daya silikon karbida planar memiliki konsistensi unit yang baik dan proses pembuatan yang sederhana, tetapi rentan terhadap efek JFET dan memiliki kapasitansi parasit yang tinggi serta ketahanan dalam kondisi. Dibandingkan dengan perangkat planar, perangkat daya silikon karbida parit memiliki konsistensi unit yang lebih rendah dan memiliki proses pembuatan yang lebih kompleks. Namun, struktur parit kondusif untuk meningkatkan kepadatan unit perangkat dan kecil kemungkinannya menghasilkan efek JFET, yang bermanfaat untuk memecahkan masalah mobilitas saluran. Ia memiliki sifat yang sangat baik seperti resistansi kecil, kapasitansi parasit kecil, dan konsumsi energi peralihan yang rendah. Ini memiliki keunggulan biaya dan kinerja yang signifikan dan telah menjadi arah utama pengembangan perangkat listrik silikon karbida. Menurut situs resmi Rohm, struktur ROHM Gen3 (struktur Parit Gen1) hanya 75% dari area chip Gen2 (Plannar2), dan resistansi struktur ROHM Gen3 berkurang sebesar 50% pada ukuran chip yang sama.
Biaya substrat silikon karbida, epitaksi, front-end, R&D, dan lainnya masing-masing menyumbang 47%, 23%, 19%, 6% dan 5% dari biaya produksi perangkat silikon karbida.
Terakhir, kami akan fokus untuk menghilangkan hambatan teknis substrat dalam rantai industri silikon karbida.
Proses produksi substrat silikon karbida mirip dengan substrat berbasis silikon, namun lebih sulit.
Proses pembuatan substrat silikon karbida umumnya meliputi sintesis bahan baku, pertumbuhan kristal, pengolahan ingot, pemotongan ingot, penggilingan wafer, pemolesan, pembersihan dan link lainnya.
Tahap pertumbuhan kristal adalah inti dari keseluruhan proses, dan langkah ini menentukan sifat listrik substrat silikon karbida.
Bahan silikon karbida sulit tumbuh dalam fase cair dalam kondisi normal. Metode pertumbuhan fase uap yang populer di pasaran saat ini memiliki suhu pertumbuhan di atas 2300°C dan memerlukan kontrol suhu pertumbuhan yang tepat. Seluruh proses operasi hampir sulit untuk diamati. Sedikit kesalahan akan menyebabkan penghapusan produk. Sebagai perbandingan, bahan silikon hanya membutuhkan 1600℃, jauh lebih rendah. Mempersiapkan substrat silikon karbida juga menghadapi kesulitan seperti pertumbuhan kristal yang lambat dan persyaratan bentuk kristal yang tinggi. Pertumbuhan wafer silikon karbida membutuhkan waktu sekitar 7 hingga 10 hari, sedangkan penarikan batang silikon hanya membutuhkan waktu 2 setengah hari. Apalagi silikon karbida merupakan material yang kekerasannya nomor dua setelah berlian. Ini akan kehilangan banyak selama pemotongan, penggilingan, dan pemolesan, dan rasio keluarannya hanya 60%.
Kita tahu bahwa trennya adalah peningkatan ukuran substrat silikon karbida, seiring dengan bertambahnya ukuran, persyaratan untuk teknologi perluasan diameter menjadi semakin tinggi. Hal ini memerlukan kombinasi berbagai elemen kontrol teknis untuk mencapai pertumbuhan kristal yang berulang.
Waktu posting: 22 Mei-2024