Kesukaran teknikal dalam menghasilkan wafer silikon karbida berkualiti tinggi secara stabil dengan prestasi yang stabil termasuk:
1) Memandangkan kristal perlu tumbuh dalam persekitaran tertutup suhu tinggi melebihi 2000°C, keperluan kawalan suhu sangat tinggi;
2) Memandangkan silikon karbida mempunyai lebih daripada 200 struktur kristal, tetapi hanya beberapa struktur karbida silikon kristal tunggal adalah bahan semikonduktor yang diperlukan, nisbah silikon kepada karbon, kecerunan suhu pertumbuhan, dan pertumbuhan kristal perlu dikawal dengan tepat semasa proses pertumbuhan kristal. Parameter seperti kelajuan dan tekanan aliran udara;
3) Di bawah kaedah penghantaran fasa wap, teknologi pengembangan diameter pertumbuhan kristal karbida silikon adalah amat sukar;
4) Kekerasan silikon karbida adalah hampir dengan berlian, dan teknik memotong, mengisar, dan menggilap adalah sukar.
Wafer epitaxial SiC: biasanya dihasilkan dengan kaedah pemendapan wap kimia (CVD). Mengikut jenis doping yang berbeza, ia dibahagikan kepada wafer epitaxial jenis n dan jenis p. Hantian Tiancheng domestik dan Dongguan Tianyu sudah boleh menyediakan wafer epitaxial SiC 4 inci/6 inci. Untuk epitaksi SiC, sukar untuk dikawal dalam medan voltan tinggi, dan kualiti epitaksi SiC mempunyai kesan yang lebih besar pada peranti SiC. Selain itu, peralatan epitaxial dimonopoli oleh empat syarikat terkemuka dalam industri: Axitron, LPE, TEL dan Nuflare.
Silikon karbida epitaxialwafer merujuk kepada wafer silikon karbida di mana filem kristal tunggal (lapisan epitaxial) dengan keperluan tertentu dan sama seperti kristal substrat ditanam pada substrat silikon karbida asal. Pertumbuhan epitaxial terutamanya menggunakan peralatan CVD (Chemical Vapor Deposition, ) atau peralatan MBE (Molecular Beam Epitaxy). Oleh kerana peranti silikon karbida dihasilkan secara langsung dalam lapisan epitaxial, kualiti lapisan epitaxial secara langsung mempengaruhi prestasi dan hasil peranti. Memandangkan prestasi menahan voltan peranti terus meningkat, ketebalan lapisan epitaxial yang sepadan menjadi lebih tebal dan kawalan menjadi lebih sukar. Secara amnya, apabila voltan adalah sekitar 600V, ketebalan lapisan epitaxial yang diperlukan adalah kira-kira 6 mikron; apabila voltan adalah antara 1200-1700V, ketebalan lapisan epitaxial yang diperlukan mencapai 10-15 mikron. Jika voltan mencapai lebih daripada 10,000 volt, ketebalan lapisan epitaxial lebih daripada 100 mikron mungkin diperlukan. Apabila ketebalan lapisan epitaxial terus meningkat, ia menjadi semakin sukar untuk mengawal keseragaman ketebalan dan kerintangan dan ketumpatan kecacatan.
Peranti SiC: Di peringkat antarabangsa, 600~1700V SiC SBD dan MOSFET telah diindustrikan. Produk arus perdana beroperasi pada paras voltan di bawah 1200V dan terutamanya menggunakan pembungkusan TO. Dari segi harga, produk SiC di pasaran antarabangsa berharga sekitar 5-6 kali lebih tinggi daripada rakan sejawatannya Si. Walau bagaimanapun, harga menurun pada kadar tahunan sebanyak 10%. dengan pengembangan bahan huluan dan pengeluaran peranti dalam tempoh 2-3 tahun akan datang, bekalan pasaran akan meningkat, membawa kepada pengurangan harga selanjutnya. Dijangkakan bahawa apabila harga mencecah 2-3 kali ganda daripada produk Si, kelebihan yang dibawa oleh pengurangan kos sistem dan prestasi yang lebih baik akan secara beransur-ansur memacu SiC untuk menduduki ruang pasaran peranti Si.
Pembungkusan tradisional adalah berdasarkan substrat berasaskan silikon, manakala bahan semikonduktor generasi ketiga memerlukan reka bentuk baharu sepenuhnya. Menggunakan struktur pembungkusan berasaskan silikon tradisional untuk peranti kuasa celah jalur lebar boleh memperkenalkan isu dan cabaran baharu yang berkaitan dengan kekerapan, pengurusan haba dan kebolehpercayaan. Peranti kuasa SiC lebih sensitif kepada kapasiti dan kearuhan parasit. Berbanding dengan peranti Si, cip kuasa SiC mempunyai kelajuan pensuisan yang lebih pantas, yang boleh menyebabkan overshoot, ayunan, peningkatan kehilangan pensuisan dan juga kerosakan peranti. Selain itu, peranti kuasa SiC beroperasi pada suhu yang lebih tinggi, memerlukan teknik pengurusan haba yang lebih maju.
Pelbagai struktur berbeza telah dibangunkan dalam bidang pembungkusan kuasa semikonduktor celah jalur lebar. Pembungkusan modul kuasa berasaskan Si tradisional tidak lagi sesuai. Untuk menyelesaikan masalah parameter parasit yang tinggi dan kecekapan pelesapan haba yang lemah bagi pembungkusan modul kuasa berasaskan Si tradisional, pembungkusan modul kuasa SiC menggunakan sambungan wayarles dan teknologi penyejukan dua sisi dalam strukturnya, dan juga menggunakan bahan substrat dengan haba yang lebih baik. kekonduksian, dan cuba menyepadukan kapasitor penyahgandingan, penderia suhu/semasa, dan litar pemacu ke dalam struktur modul, dan membangunkan pelbagai teknologi pembungkusan modul yang berbeza. Selain itu, terdapat halangan teknikal yang tinggi kepada pembuatan peranti SiC dan kos pengeluaran adalah tinggi.
Peranti silikon karbida dihasilkan dengan mendepositkan lapisan epitaxial pada substrat silikon karbida melalui CVD. Proses ini melibatkan pembersihan, pengoksidaan, fotolitografi, etsa, pelucutan fotoresist, implantasi ion, pemendapan wap kimia silikon nitrida, penggilap, percikan, dan langkah pemprosesan seterusnya untuk membentuk struktur peranti pada substrat kristal tunggal SiC. Jenis utama peranti kuasa SiC termasuk diod SiC, transistor SiC dan modul kuasa SiC. Disebabkan oleh faktor seperti kelajuan pengeluaran bahan huluan yang perlahan dan kadar hasil yang rendah, peranti silikon karbida mempunyai kos pembuatan yang agak tinggi.
Di samping itu, pembuatan peranti silikon karbida mempunyai masalah teknikal tertentu:
1) Adalah perlu untuk membangunkan proses khusus yang konsisten dengan ciri-ciri bahan silikon karbida. Contohnya: SiC mempunyai takat lebur yang tinggi, yang menjadikan resapan terma tradisional tidak berkesan. Ia perlu menggunakan kaedah doping implantasi ion dan mengawal parameter dengan tepat seperti suhu, kadar pemanasan, tempoh, dan aliran gas; SiC adalah lengai kepada pelarut kimia. Kaedah seperti goresan kering hendaklah digunakan, dan bahan topeng, campuran gas, kawalan cerun dinding sisi, kadar goresan, kekasaran dinding sisi, dsb. hendaklah dioptimumkan dan dibangunkan;
2) Pembuatan elektrod logam pada wafer silikon karbida memerlukan rintangan sentuhan di bawah 10-5Ω2. Bahan elektrod yang memenuhi keperluan, Ni dan Al, mempunyai kestabilan haba yang lemah melebihi 100°C, tetapi Al/Ni mempunyai kestabilan terma yang lebih baik. Rintangan khusus sentuhan bahan elektrod komposit /W/Au adalah 10-3Ω2 lebih tinggi;
3) SiC mempunyai haus pemotongan yang tinggi, dan kekerasan SiC adalah yang kedua selepas berlian, yang mengemukakan keperluan yang lebih tinggi untuk memotong, mengisar, menggilap dan teknologi lain.
Selain itu, peranti kuasa silikon karbida parit lebih sukar untuk dihasilkan. Mengikut struktur peranti yang berbeza, peranti kuasa silikon karbida boleh dibahagikan kepada peranti planar dan peranti parit. Peranti kuasa silikon karbida planar mempunyai konsistensi unit yang baik dan proses pembuatan yang mudah, tetapi terdedah kepada kesan JFET dan mempunyai kapasitans parasit yang tinggi dan rintangan pada keadaan. Berbanding dengan peranti planar, peranti kuasa silikon karbida parit mempunyai konsistensi unit yang lebih rendah dan mempunyai proses pembuatan yang lebih kompleks. Walau bagaimanapun, struktur parit adalah kondusif untuk meningkatkan ketumpatan unit peranti dan kurang berkemungkinan menghasilkan kesan JFET, yang bermanfaat untuk menyelesaikan masalah mobiliti saluran. Ia mempunyai ciri-ciri yang sangat baik seperti rintangan-on yang kecil, kapasitans parasit yang kecil, dan penggunaan tenaga pensuisan yang rendah. Ia mempunyai kelebihan kos dan prestasi yang ketara dan telah menjadi hala tuju arus perdana pembangunan peranti kuasa silikon karbida. Menurut laman web rasmi Rohm, struktur ROHM Gen3 (struktur Gen1 Trench) hanya 75% daripada kawasan cip Gen2 (Plannar2), dan rintangan on-rintangan struktur ROHM Gen3 dikurangkan sebanyak 50% di bawah saiz cip yang sama.
Substrat silikon karbida, epitaksi, bahagian hadapan, perbelanjaan R&D dan lain-lain menyumbang 47%, 23%, 19%, 6% dan 5% daripada kos pembuatan peranti silikon karbida.
Akhir sekali, kami akan memberi tumpuan kepada memecahkan halangan teknikal substrat dalam rantaian industri silikon karbida.
Proses pengeluaran substrat silikon karbida adalah serupa dengan substrat berasaskan silikon, tetapi lebih sukar.
Proses pembuatan substrat silikon karbida secara amnya termasuk sintesis bahan mentah, pertumbuhan kristal, pemprosesan jongkong, pemotongan jongkong, pengisaran wafer, penggilap, pembersihan dan pautan lain.
Peringkat pertumbuhan kristal adalah teras kepada keseluruhan proses, dan langkah ini menentukan sifat elektrik substrat silikon karbida.
Bahan silikon karbida sukar tumbuh dalam fasa cecair dalam keadaan biasa. Kaedah pertumbuhan fasa wap yang popular di pasaran hari ini mempunyai suhu pertumbuhan melebihi 2300°C dan memerlukan kawalan tepat suhu pertumbuhan. Keseluruhan proses operasi hampir sukar untuk diperhatikan. Ralat sedikit akan menyebabkan produk dibuang. Sebagai perbandingan, bahan silikon hanya memerlukan 1600 ℃, yang jauh lebih rendah. Menyediakan substrat silikon karbida juga menghadapi kesukaran seperti pertumbuhan kristal yang perlahan dan keperluan bentuk kristal yang tinggi. Pertumbuhan wafer silikon karbida mengambil masa kira-kira 7 hingga 10 hari, manakala penarikan rod silikon hanya mengambil masa 2 setengah hari. Selain itu, silikon karbida adalah bahan yang kekerasannya adalah yang kedua selepas berlian. Ia akan kehilangan banyak semasa memotong, mengisar dan menggilap, dan nisbah keluaran hanya 60%.
Kami tahu bahawa trend adalah untuk meningkatkan saiz substrat silikon karbida, kerana saiznya terus meningkat, keperluan untuk teknologi pengembangan diameter menjadi lebih tinggi dan lebih tinggi. Ia memerlukan gabungan pelbagai elemen kawalan teknikal untuk mencapai pertumbuhan berulang kristal.
Masa siaran: Mei-22-2024