מהם החסמים הטכניים בפני סיליקון קרביד?Ⅱ

הקשיים הטכניים בייצור המוני ביציבות של פרוסות סיליקון קרביד באיכות גבוהה עם ביצועים יציבים כוללים:

1) מכיוון שגבישים צריכים לגדול בסביבה אטומה בטמפרטורה גבוהה מעל 2000 מעלות צלזיוס, דרישות בקרת הטמפרטורה הן גבוהות ביותר;
2) מאחר ולסיליקון קרביד יש יותר מ-200 מבנים גבישיים, אך רק מבנים בודדים של סיליקון קרביד חד גבישי הם החומרים המוליכים למחצה הנדרשים, יש לשלוט במדויק על יחס הסיליקון לפחמן, שיפוע טמפרטורת הצמיחה וצמיחת הגביש. תהליך צמיחת הגבישים. פרמטרים כגון מהירות ולחץ זרימת אוויר;
3) בשיטת העברת שלב האדים, טכנולוגיית הרחבת הקוטר של צמיחת גבישי סיליקון קרביד היא קשה ביותר;
4) הקשיות של סיליקון קרביד קרובה לזו של יהלום, וטכניקות החיתוך, השחזה והליטוש קשות.

פרוסות אפיטקסיות SiC: מיוצרות בדרך כלל בשיטת כימיקלים (CVD). לפי סוגי סימום שונים, הם מחולקים לפרוסות אפיטקסיאליות מסוג n וסוג p. Hantian Tiancheng ו-Dongguan Tianyu המקומיים כבר יכולים לספק פרוסות אפיטקסיאליות SiC בגודל 4 אינץ'/6 אינץ'. עבור אפיטקסי SiC, קשה לשלוט בתחום המתח הגבוה, ולאיכות האפיטקסיה של SiC יש השפעה גדולה יותר על מכשירי SiC. יתרה מכך, ציוד אפיטקסיאלי מונופול על ידי ארבע החברות המובילות בתעשייה: Axitron, LPE, TEL ו- Nuflare.

סיליקון קרביד אפיטקסיאלירקיק מתייחס לפריסת סיליקון קרביד שבה מגדלים סרט גביש בודד (שכבה אפיטקסיאלית) עם דרישות מסוימות וזהות לקריסטל המצע על מצע הסיליקון קרביד המקורי. גידול אפיטקסיאלי משתמש בעיקר בציוד CVD (Chemical Vapor Deposition, ) או ציוד MBE (Molecular Beam Epitaxy). מכיוון שמכשירי סיליקון קרביד מיוצרים ישירות בשכבה האפיטקסיאלית, איכות השכבה האפיטקסיאלית משפיעה ישירות על הביצועים והתפוקה של המכשיר. ככל שביצועי העמידות במתח של המכשיר ממשיכים לעלות, עובי השכבה האפיטקסיאלית המתאימה נעשית עבה יותר והשליטה נעשית קשה יותר. באופן כללי, כאשר המתח הוא סביב 600V, עובי השכבה האפיטקסיאלית הנדרשת הוא כ-6 מיקרון; כאשר המתח הוא בין 1200-1700V, עובי השכבה האפיטקסיאלית הנדרשת מגיע ל-10-15 מיקרון. אם המתח מגיע ליותר מ-10,000 וולט, ייתכן שיידרש עובי שכבה אפיטקסיאלית של יותר מ-100 מיקרון. ככל שעובי השכבה האפיטקסיאלית ממשיך לגדול, קשה יותר ויותר לשלוט באחידות העובי וההתנגדות ובצפיפות הפגם.

התקני SiC: בינלאומית, 600~1700V SiC SBD ו-MOSFET תועשו. המוצרים המיינסטרים פועלים ברמות מתח מתחת ל-1200V ומאמצים בעיקר אריזות TO. במונחים של תמחור, מוצרי SiC בשוק הבינלאומי מתומחרים בסביבות פי 5-6 יותר מאשר עמיתיהם Si. עם זאת, המחירים יורדים בקצב שנתי של 10%. עם התרחבות החומרים במעלה הזרם וייצור המכשירים ב-2-3 השנים הבאות, היצע השוק יגדל, מה שיוביל להורדת מחירים נוספת. הצפי הוא שכאשר המחיר יגיע פי 2-3 מזה של מוצרי Si, היתרונות שיביאו להפחתת עלויות המערכת ושיפור הביצועים יביאו בהדרגה את SiC לכבוש את שטח השוק של מכשירי Si.
האריזה המסורתית מבוססת על מצעים מבוססי סיליקון, בעוד שחומרי מוליכים למחצה מהדור השלישי דורשים עיצוב חדש לחלוטין. שימוש במבני אריזה מסורתיים המבוססים על סיליקון עבור התקני חשמל רחבי פס יכול להציג בעיות ואתגרים חדשים הקשורים לתדר, ניהול תרמי ואמינות. התקני כוח SiC רגישים יותר לקיבול ולהשראות טפיליים. בהשוואה למכשירי Si, לשבבי כוח SiC יש מהירויות מיתוג מהירות יותר, מה שעלול להוביל לחריגה יתרה, תנודות, הפסדי מיתוג מוגברים ואפילו תקלות במכשיר. בנוסף, התקני כוח SiC פועלים בטמפרטורות גבוהות יותר, הדורשות טכניקות ניהול תרמי מתקדמות יותר.

מגוון מבנים שונים פותחו בתחום אריזת הספק מוליכים למחצה רחבי פס. אריזת מודול כוח מסורתית מבוססת Si כבר אינה מתאימה. על מנת לפתור את הבעיות של פרמטרים טפיליים גבוהים ויעילות פיזור חום ירודה של אריזות מודולי כוח מסורתיות מבוססות SiC, אריזת מודול כוח SiC מאמצת חיבור אלחוטי וטכנולוגיית קירור דו-צדדית במבנה שלה, וגם מאמצת את חומרי המצע עם תרמית טובה יותר מוליכות, וניסו לשלב קבלי ניתוק, חיישני טמפרטורה/זרם ומעגלי הנעה במבנה המודול, ופיתחו מגוון טכנולוגיות אריזה שונות של מודול. יתר על כן, ישנם חסמים טכניים גבוהים לייצור מכשירי SiC ועלויות הייצור גבוהות.

התקני סיליקון קרביד מיוצרים על ידי הפקדת שכבות אפיטקסיאליות על מצע סיליקון קרביד דרך CVD. התהליך כולל ניקוי, חמצון, פוטוליטוגרפיה, תחריט, הפשטת פוטו-רזיסט, השתלת יונים, שקיעת אדים כימית של סיליקון ניטריד, ליטוש, קיצוץ, ושלבי עיבוד הבאים ליצירת מבנה המכשיר על מצע הגביש היחיד SiC. הסוגים העיקריים של התקני כוח SiC כוללים דיודות SiC, טרנזיסטורי SiC ומודול כוח SiC. בשל גורמים כמו מהירות ייצור איטית של חומרים במעלה הזרם ושיעורי תפוקה נמוכים, למכשירי סיליקון קרביד יש עלויות ייצור גבוהות יחסית.

בנוסף, לייצור מכשירי סיליקון קרביד יש קשיים טכניים מסוימים:

1) יש צורך לפתח תהליך ספציפי התואם את המאפיינים של חומרי סיליקון קרביד. לדוגמה: ל-SiC נקודת התכה גבוהה, מה שהופך את הדיפוזיה התרמית המסורתית ללא יעילה. יש צורך להשתמש בשיטת סימום השתלת יונים ולשלוט במדויק על פרמטרים כגון טמפרטורה, קצב חימום, משך זמן וזרימת גז; SiC אינרטי לממסים כימיים. יש להשתמש בשיטות כגון תחריט יבש, ולמטב ולפתח חומרי מסכה, תערובות גזים, שליטה בשיפוע דופן, קצב תחריט, חספוס דופן וכו';
2) ייצור אלקטרודות מתכת על פרוסות סיליקון קרביד דורש התנגדות למגע מתחת ל-10-5Ω2. לחומרי האלקטרודה העומדים בדרישות, Ni ו-Al, יש יציבות תרמית גרועה מעל 100°C, אך ל-Al/Ni יש יציבות תרמית טובה יותר. ההתנגדות הספציפית למגע של חומר אלקטרודה מרוכב /W/Au גבוהה ב-10-3Ω2;
3) ל-SiC יש בלאי חיתוך גבוה, והקשיות של SiC היא שנייה רק ​​ליהלום, מה שמציב דרישות גבוהות יותר לחיתוך, השחזה, ליטוש וטכנולוגיות אחרות.

יתר על כן, התקני כוח סיליקון קרביד תעלות קשים יותר לייצור. על פי מבני מכשירים שונים, ניתן לחלק בעיקר התקני כוח סיליקון קרביד למכשירים מישוריים ולהתקני תעלה. התקני כוח סיליקון קרביד מישוריים הם בעלי עקביות יחידה טובה ותהליך ייצור פשוט, אך הם נוטים להשפעת JFET ויש להם קיבול טפילי גבוה ועמידות במצב. בהשוואה למכשירים מישוריים, למכשירי כוח סיליקון קרביד תעלה יש עקביות יחידה נמוכה יותר ויש להם תהליך ייצור מורכב יותר. עם זאת, מבנה התעלה תורם להגדלת צפיפות יחידת המכשיר וסביר פחות לייצר את אפקט ה-JFET, המועיל לפתרון בעיית ניידות הערוצים. יש לו תכונות מצוינות כגון התנגדות הפעלה קטנה, קיבול טפילי קטן וצריכת אנרגיית מיתוג נמוכה. יש לו יתרונות משמעותיים בעלות ובביצועים והוא הפך לכיוון המיינסטרים של פיתוח התקני כוח סיליקון קרביד. לפי האתר הרשמי של Rohm, מבנה ROHM Gen3 (מבנה תעלת Gen1) הוא רק 75% משטח השבב Gen2 (Plannar2), והתנגדות ההפעלה של מבנה ROHM Gen3 מצטמצמת ב-50% תחת אותו גודל שבב.

מצע סיליקון קרביד, אפיטקסיה, חזית קצה, הוצאות מו"פ ואחרות מהווים 47%, 23%, 19%, 6% ו-5% מעלות הייצור של התקני סיליקון קרביד בהתאמה.

לבסוף, נתמקד בפירוק המחסומים הטכניים של מצעים בשרשרת תעשיית הסיליקון קרביד.

תהליך הייצור של מצעי סיליקון קרביד דומה לזה של מצעים מבוססי סיליקון, אך קשה יותר.
תהליך הייצור של מצע סיליקון קרביד כולל בדרך כלל סינתזת חומרי גלם, צמיחת גבישים, עיבוד מטיל, חיתוך מטיל, שחיקה של פרוסות, ליטוש, ניקוי וקישורים אחרים.
שלב צמיחת הגבישים הוא הליבה של התהליך כולו, ושלב זה קובע את התכונות החשמליות של מצע הסיליקון קרביד.

חומרי סיליקון קרביד קשים לגידול בשלב הנוזל בתנאים רגילים. שיטת הגידול בשלב האדים הפופולרית כיום בשוק היא בעלת טמפרטורת גידול מעל 2300°C ודורשת שליטה מדויקת בטמפרטורת הגידול. כמעט קשה לראות את כל תהליך הפעולה. שגיאה קלה תוביל לגריקת מוצר. לשם השוואה, חומרי סיליקון דורשים רק 1600℃, וזה הרבה יותר נמוך. הכנת מצעי סיליקון קרביד מתמודדת גם עם קשיים כמו צמיחה איטית של גבישים ודרישות גבוהות של צורת גביש. צמיחת פרוסות סיליקון קרביד נמשכת כ-7 עד 10 ימים, ואילו משיכת מוטות סיליקון אורכת רק יומיים וחצי. יתרה מכך, סיליקון קרביד הוא חומר שהקשיות שלו שנייה רק ​​ליהלום. הוא יאבד הרבה במהלך חיתוך, השחזה והברקה, ויחס התפוקה הוא רק 60%.

אנו יודעים שהמגמה היא להגדיל את גודלם של מצעי סיליקון קרביד, ככל שהגודל ממשיך לגדול, הדרישות לטכנולוגיית הרחבת קוטר הולכות וגדלות. זה דורש שילוב של אלמנטים טכניים שונים כדי להשיג צמיחה איטרטיבית של גבישים.