Кои се техничките бариери за силициум карбид?Ⅱ

Техничките потешкотии при стабилно масовно производство на висококвалитетни наполитанки од силициум карбид со стабилни перформанси вклучуваат:

1) Бидејќи кристалите треба да растат во запечатена средина со висока температура над 2000°C, барањата за контрола на температурата се исклучително високи;
2) Бидејќи силициум карбидот има повеќе од 200 кристални структури, но само неколку структури на еднокристален силициум карбид се потребните полупроводнички материјали, односот силициум-јаглерод, градиентот на температурата на раст и растот на кристалите треба прецизно да се контролираат за време на процесот на раст на кристалите. Параметри како брзина и притисок на протокот на воздух;
3) Според методот на пренос на пареа фаза, технологијата за проширување на дијаметарот на растот на кристалите на силициум карбид е исклучително тешка;
4) Цврстината на силициум карбид е блиска до онаа на дијамантот, а техниките на сечење, мелење и полирање се тешки.

SiC епитаксијални наполитанки: обично се произведуваат со метод на хемиско таложење на пареа (CVD). Според различни типови на допинг, тие се поделени на епитаксијални наполитанки од n-тип и p-тип. Домашните Hantian Tiancheng и Dongguan Tianyu веќе можат да обезбедат 4-инчни/6-инчни SiC епитаксијални наполитанки. За епитаксијата на SiC, тешко е да се контролира на полето со висок напон, а квалитетот на епитаксијата на SiC има поголемо влијание врз уредите со SiC. Покрај тоа, епитаксиалната опрема е монополизирана од четирите водечки компании во индустријата: Axitron, LPE, TEL и Nuflare.

Епитаксијален силициум карбиднафора се однесува на нафора од силициум карбид во која на оригиналната супстрат од силициум карбид се одгледува единечна кристална фолија (епитаксијален слој) со одредени барања и исто како и кристалот на подлогата. Епитаксијалниот раст главно користи CVD (Chemical Vapor Deposition, ) опрема или MBE (Molecular Beam Epitaxy) опрема. Бидејќи уредите со силициум карбид се произведуваат директно во епитаксијалниот слој, квалитетот на епитаксијалниот слој директно влијае на перформансите и приносот на уредот. Како што перформансите на уредот за издржување на напон продолжува да се зголемуваат, дебелината на соодветниот епитаксијален слој станува подебела и контролата станува потешка. Општо земено, кога напонот е околу 600V, потребната дебелина на епитаксијалниот слој е околу 6 микрони; кога напонот е помеѓу 1200-1700V, потребната дебелина на епитаксијалниот слој достигнува 10-15 микрони. Ако напонот достигне повеќе од 10.000 волти, може да биде потребна дебелина на епитаксијалниот слој од повеќе од 100 микрони. Како што дебелината на епитаксијалниот слој продолжува да се зголемува, станува сè потешко да се контролира униформноста на дебелината и отпорноста и густината на дефектот.

SiC уреди: на меѓународно ниво, 600~1700V SiC SBD и MOSFET се индустријализирани. Главните производи работат на напонски нивоа под 1200V и примарно го прифаќаат TO пакувањето. Во однос на цените, SiC производите на меѓународниот пазар се по цена од околу 5-6 пати повисоки од нивните колеги Si. Сепак, цените се намалуваат со годишна стапка од 10%. со проширувањето на нагорните материјали и производството на уреди во следните 2-3 години, понудата на пазарот ќе се зголеми, што ќе доведе до дополнително намалување на цените. Се очекува дека кога цената ќе достигне 2-3 пати поголема од онаа на производите на Si, предностите што ги носат намалените трошоци на системот и подобрените перформанси постепено ќе го поттикнат SiC да го окупира пазарниот простор на уредите Si.
Традиционалното пакување се заснова на супстрати на база на силикон, додека полупроводничките материјали од третата генерација бараат сосема нов дизајн. Користењето на традиционални структури за пакување базирани на силикон за уреди за моќност со широк опсег може да воведе нови проблеми и предизвици поврзани со фреквенцијата, термичкото управување и доверливоста. Уредите за напојување со SiC се почувствителни на паразитската капацитивност и индуктивност. Во споредба со уредите Si, чиповите за напојување SiC имаат поголеми брзини на префрлување, што може да доведе до прескокнување, осцилации, зголемени загуби при префрлување, па дури и неисправност на уредот. Дополнително, уредите за напојување SiC работат на повисоки температури, барајќи понапредни техники за термичко управување.

Различни различни структури се развиени на полето на полупроводничка амбалажа со широк опсег. Традиционалното пакување на модулот за напојување базирано на Si повеќе не е соодветно. Со цел да се решат проблемите со високи паразитски параметри и слаба ефикасност на дисипација на топлина на традиционалното пакување на енергетскиот модул базирано на Si, пакувањето на SiC моќниот модул во својата структура усвојува безжична интерконекција и технологија за ладење од две страни, а исто така ги прифаќа материјалите на подлогата со подобри топлински спроводливост и се обиде да интегрира кондензатори за одвојување, сензори за температура/струја и погонски кола во структурата на модулот и разви разновидни различни модули технологии за пакување. Покрај тоа, постојат високи технички бариери за производство на уреди со SiC и трошоците за производство се високи.

Уредите со силициум карбид се произведуваат со депонирање на епитаксијални слоеви на супстрат од силициум карбид преку CVD. Процесот вклучува чистење, оксидација, фотолитографија, офорт, соголување на фоторезист, имплантација на јони, хемиско таложење на пареа на силициум нитрид, полирање, распрскување и последователни чекори на обработка за да се формира структурата на уредот на подлогата со еден кристал SiC. Главните типови на уреди за напојување SiC вклучуваат SiC диоди, SiC транзистори и SiC модули за напојување. Поради фактори како што се бавната брзина на производство на материјали и ниските стапки на принос, уредите со силициум карбид имаат релативно високи трошоци за производство.

Покрај тоа, производството на уреди со силициум карбид има одредени технички тешкотии:

1) Неопходно е да се развие специфичен процес кој е во согласност со карактеристиките на материјалите од силициум карбид. На пример: SiC има висока точка на топење, што ја прави традиционалната термичка дифузија неефикасна. Неопходно е да се користи методот на допинг за имплантација на јони и прецизно да се контролираат параметрите како што се температурата, стапката на загревање, времетраењето и протокот на гас; SiC е инертен на хемиски растворувачи. Треба да се користат методи како суво офорт, а материјалите за маски, мешавини на гасови, контрола на наклонот на страничниот ѕид, стапката на офорт, грубоста на страничниот ѕид итн. треба да се оптимизираат и развијат;
2) Производството на метални електроди на наполитанки од силициум карбид бара контактна отпорност под 10-5Ω2. Материјалите на електродата кои ги исполнуваат барањата, Ni и Al, имаат слаба термичка стабилност над 100°C, но Al/Ni има подобра термичка стабилност. Контактниот специфичен отпор на /W/Au композитниот електроден материјал е 10-3Ω2 поголем;
3) SiC има висока абење при сечење, а цврстината на SiC е само втора по дијамантот, што поставува повисоки барања за сечење, мелење, полирање и други технологии.

Згора на тоа, рововите силикон карбид напојувачки уреди се потешки за производство. Според различни структури на уреди, уредите за напојување со силициум карбид главно може да се поделат на рамни уреди и уреди за ровови. Уредите за напојување со рамни силициум карбид имаат добра конзистентност на единицата и едноставен процес на производство, но се склони кон JFET ефект и имаат висока паразитска капацитивност и отпорност во состојба. Во споредба со рамни уреди, уредите за напојување со ровови со силициум карбид имаат помала конзистентност на единицата и имаат покомплексен процес на производство. Сепак, структурата на ровот е погодна за зголемување на густината на единицата на уредот и е помала веројатноста да го произведе ефектот JFET, кој е корисен за решавање на проблемот со мобилноста на каналот. Има одлични својства како што се мала отпорност на вклучување, мала паразитска капацитивност и мала потрошувачка на енергија за префрлување. Има значителни предности за трошоците и перформансите и стана главен правец на развојот на уредите за напојување со силициум карбид. Според официјалната веб-страница на Rohm, структурата ROHM Gen3 (Структура на Gen1 Trench) е само 75% од површината на чипот Gen2 (Plannar2), а отпорноста на структурата ROHM Gen3 е намалена за 50% при иста големина на чипот.

Супстратот од силициум карбид, епитаксијата, предниот дел, трошоците за истражување и развој и други сочинуваат 47%, 23%, 19%, 6% и 5% од трошоците за производство на уредите со силициум карбид, соодветно.

Конечно, ќе се фокусираме на рушење на техничките бариери на супстратите во синџирот на индустријата за силициум карбид.

Процесот на производство на супстрати од силициум карбид е сличен на оној на супстратите на база на силикон, но потежок.
Процесот на производство на супстрат од силициум карбид генерално вклучува синтеза на суровини, раст на кристали, преработка на ингот, сечење на ингот, мелење нафора, полирање, чистење и други врски.
Фазата на раст на кристалите е јадрото на целиот процес и овој чекор ги одредува електричните својства на супстратот од силициум карбид.

Материјалите од силициум карбид тешко се развиваат во течна фаза во нормални услови. Методот на раст на пареа фаза популарен на пазарот денес има температура на раст над 2300°C и бара прецизна контрола на температурата на раст. Целиот процес на операција е речиси тежок за набљудување. Мала грешка ќе доведе до отфрлање на производот. За споредба, силиконските материјали бараат само 1600℃, што е многу помало. Подготовката на супстрати од силициум карбид исто така се соочува со тешкотии како што се бавен раст на кристалите и високи барања за кристална форма. Растот на нафората со силициум карбид трае околу 7 до 10 дена, додека за влечење на силиконски прачки потребни се само 2 и пол дена. Покрај тоа, силициум карбид е материјал чија тврдост е само втора по дијамантот. Ќе изгуби многу при сечење, мелење и полирање, а излезниот сооднос е само 60%.

Знаеме дека трендот е да се зголеми големината на супстратите од силициум карбид, бидејќи големината продолжува да се зголемува, барањата за технологија за проширување на дијаметарот стануваат се поголеми и повисоки. Потребна е комбинација од различни технички контролни елементи за да се постигне итеративен раст на кристалите.