De technische problemen bij het stabiel in massa produceren van hoogwaardige siliciumcarbidewafels met stabiele prestaties zijn onder meer:
1) Omdat kristallen moeten groeien in een afgesloten omgeving met hoge temperaturen boven 2000°C, zijn de eisen voor temperatuurbeheersing extreem hoog;
2) Omdat siliciumcarbide meer dan 200 kristalstructuren heeft, maar slechts een paar structuren van monokristallijn siliciumcarbide de vereiste halfgeleidermaterialen zijn, moeten de silicium-koolstofverhouding, de groeitemperatuurgradiënt en de kristalgroei tijdens het proces nauwkeurig worden gecontroleerd. het kristalgroeiproces. Parameters zoals snelheid en luchtstroomdruk;
3) Onder de dampfasetransmissiemethode is de diameterexpansietechnologie van de kristalgroei van siliciumcarbide uiterst moeilijk;
4) De hardheid van siliciumcarbide ligt dicht bij die van diamant, en snij-, slijp- en polijsttechnieken zijn moeilijk.
Epitaxiale SiC-wafels: meestal vervaardigd volgens de chemische dampafzettingsmethode (CVD). Volgens verschillende doteringstypen zijn ze onderverdeeld in epitaxiale wafels van het n-type en p-type. Binnenlandse Hantian Tiancheng en Dongguan Tianyu kunnen al 4-inch/6-inch SiC epitaxiale wafers leveren. Voor SiC-epitaxie is het moeilijk te controleren in het hoogspanningsveld, en de kwaliteit van SiC-epitaxie heeft een grotere impact op SiC-apparaten. Bovendien wordt epitaxiale apparatuur gemonopoliseerd door de vier toonaangevende bedrijven in de sector: Axitron, LPE, TEL en Nuflare.
Siliciumcarbide epitaxiaalwafer verwijst naar een siliciumcarbidewafel waarin een enkele kristalfilm (epitaxiale laag) met bepaalde vereisten en dezelfde als het substraatkristal wordt gegroeid op het originele siliciumcarbidesubstraat. Epitaxiale groei maakt voornamelijk gebruik van CVD-apparatuur (Chemical Vapour Deposition, ) of MBE-apparatuur (Molecular Beam Epitaxy). Omdat siliciumcarbide-apparaten rechtstreeks in de epitaxiale laag worden vervaardigd, heeft de kwaliteit van de epitaxiale laag rechtstreeks invloed op de prestaties en opbrengst van het apparaat. Naarmate de spanningsbestendigheid van het apparaat blijft toenemen, wordt de dikte van de overeenkomstige epitaxiale laag dikker en wordt de controle moeilijker. Wanneer de spanning ongeveer 600 V bedraagt, is de vereiste dikte van de epitaxiale laag in het algemeen ongeveer 6 micron; wanneer de spanning tussen 1200-1700V ligt, bereikt de vereiste epitaxiale laagdikte 10-15 micron. Als de spanning meer dan 10.000 volt bereikt, kan een epitaxiale laagdikte van meer dan 100 micron nodig zijn. Naarmate de dikte van de epitaxiale laag blijft toenemen, wordt het steeds moeilijker om de dikte, de uniformiteit van de weerstand en de dichtheid van defecten te controleren.
SiC-apparaten: Internationaal zijn 600 ~ 1700V SiC SBD en MOSFET geïndustrialiseerd. De reguliere producten werken op spanningsniveaus onder 1200 V en maken voornamelijk gebruik van TO-verpakkingen. Wat de prijs betreft, zijn SiC-producten op de internationale markt ongeveer 5-6 keer duurder dan hun Si-tegenhangers. De prijzen dalen echter jaarlijks met 10%. met de uitbreiding van de upstream-productie van materialen en apparaten in de komende twee tot drie jaar zal het marktaanbod toenemen, wat tot verdere prijsverlagingen zal leiden. Er wordt verwacht dat wanneer de prijs 2-3 keer zo hoog wordt als die van Si-producten, de voordelen van lagere systeemkosten en verbeterde prestaties SiC er geleidelijk aan zullen aanzetten om de marktruimte van Si-apparaten in te nemen.
Traditionele verpakkingen zijn gebaseerd op op silicium gebaseerde substraten, terwijl halfgeleidermaterialen van de derde generatie een compleet nieuw ontwerp vereisen. Het gebruik van traditionele, op silicium gebaseerde verpakkingsstructuren voor energieapparaten met een grote bandafstand kan nieuwe problemen en uitdagingen met zich meebrengen op het gebied van frequentie, thermisch beheer en betrouwbaarheid. SiC-vermogensapparaten zijn gevoeliger voor parasitaire capaciteit en inductie. Vergeleken met Si-apparaten hebben SiC-stroomchips hogere schakelsnelheden, wat kan leiden tot doorschieten, oscillatie, grotere schakelverliezen en zelfs apparaatstoringen. Bovendien werken SiC-vermogensapparaten bij hogere temperaturen, waardoor geavanceerdere technieken voor thermisch beheer nodig zijn.
Er is een verscheidenheid aan verschillende structuren ontwikkeld op het gebied van halfgeleidervermogensverpakkingen met een grote bandafstand. Traditionele Si-gebaseerde voedingsmoduleverpakkingen zijn niet langer geschikt. Om de problemen van hoge parasitaire parameters en een slechte warmteafvoerefficiëntie van traditionele Si-gebaseerde voedingsmoduleverpakkingen op te lossen, maakt de SiC-voedingsmoduleverpakking gebruik van draadloze interconnectie en dubbelzijdige koeltechnologie in zijn structuur, en neemt ook de substraatmaterialen met betere thermische eigenschappen over. geleidbaarheid, en probeerde ontkoppelcondensatoren, temperatuur- / stroomsensoren en aandrijfcircuits in de modulestructuur te integreren, en ontwikkelde een verscheidenheid aan verschillende moduleverpakkingstechnologieën. Bovendien zijn er hoge technische barrières voor de productie van SiC-apparaten en zijn de productiekosten hoog.
Siliciumcarbide-apparaten worden geproduceerd door epitaxiale lagen op een siliciumcarbidesubstraat via CVD af te zetten. Het proces omvat reinigen, oxidatie, fotolithografie, etsen, strippen van fotoresist, ionenimplantatie, chemische dampafzetting van siliciumnitride, polijsten, sputteren en daaropvolgende verwerkingsstappen om de apparaatstructuur op het SiC-monokristalsubstraat te vormen. De belangrijkste typen SiC-vermogensapparaten zijn SiC-diodes, SiC-transistors en SiC-vermogensmodules. Als gevolg van factoren zoals de lage stroomopwaartse materiaalproductiesnelheid en lage opbrengstpercentages, hebben siliciumcarbide-apparaten relatief hoge productiekosten.
Bovendien kent de productie van siliciumcarbide-apparaten bepaalde technische problemen:
1) Het is noodzakelijk om een specifiek proces te ontwikkelen dat consistent is met de kenmerken van siliciumcarbidematerialen. Bijvoorbeeld: SiC heeft een hoog smeltpunt, waardoor traditionele thermische diffusie niet effectief is. Het is noodzakelijk om de dopingmethode met ionenimplantatie te gebruiken en parameters zoals temperatuur, verwarmingssnelheid, duur en gasstroom nauwkeurig te controleren; SiC is inert voor chemische oplosmiddelen. Er moeten methoden zoals droog etsen worden gebruikt, en maskermaterialen, gasmengsels, controle van de zijwandhelling, etssnelheid, zijwandruwheid, enz. moeten worden geoptimaliseerd en ontwikkeld;
2) De productie van metalen elektroden op siliciumcarbidewafels vereist een contactweerstand van minder dan 10-5Ω2. De elektrodematerialen die aan de eisen voldoen, Ni en Al, hebben een slechte thermische stabiliteit boven 100°C, maar Al/Ni heeft een betere thermische stabiliteit. De contactspecifieke weerstand van /W/Au-composietelektrodemateriaal is 10-3Ω2 hoger;
3) SiC heeft een hoge snijslijtage en de hardheid van SiC komt op de tweede plaats na diamant, wat hogere eisen stelt aan snijden, slijpen, polijsten en andere technologieën.
Bovendien zijn aandrijfinrichtingen van siliciumcarbide met sleuf moeilijker te vervaardigen. Volgens verschillende apparaatstructuren kunnen siliciumcarbide-energieapparaten hoofdzakelijk worden onderverdeeld in vlakke apparaten en sleufapparaten. Planaire siliciumcarbide-vermogensapparaten hebben een goede eenheidsconsistentie en een eenvoudig productieproces, maar zijn gevoelig voor JFET-effect en hebben een hoge parasitaire capaciteit en weerstand in de staat. Vergeleken met vlakke apparaten hebben geul-siliciumcarbide-aangedreven apparaten een lagere eenheidsconsistentie en een complexer productieproces. De sleufstructuur is echter bevorderlijk voor het vergroten van de dichtheid van de apparaateenheden en het is minder waarschijnlijk dat het JFET-effect ontstaat, wat gunstig is voor het oplossen van het probleem van kanaalmobiliteit. Het heeft uitstekende eigenschappen, zoals een kleine aan-weerstand, een kleine parasitaire capaciteit en een laag energieverbruik bij het schakelen. Het heeft aanzienlijke kosten- en prestatievoordelen en is de mainstream-richting geworden van de ontwikkeling van siliciumcarbide-energieapparaten. Volgens de officiële website van Rohm beslaat de ROHM Gen3-structuur (Gen1 Trench-structuur) slechts 75% van het Gen2 (Plannar2) chipoppervlak, en wordt de aan-weerstand van de ROHM Gen3-structuur met 50% verminderd onder dezelfde chipgrootte.
Siliciumcarbidesubstraat, epitaxie, front-end, R&D-uitgaven en andere zijn goed voor respectievelijk 47%, 23%, 19%, 6% en 5% van de productiekosten van siliciumcarbide-apparaten.
Ten slotte zullen we ons concentreren op het slechten van de technische barrières van substraten in de siliciumcarbide-industrieketen.
Het productieproces van siliciumcarbidesubstraten is vergelijkbaar met dat van siliciumgebaseerde substraten, maar moeilijker.
Het productieproces van siliciumcarbidesubstraat omvat over het algemeen de synthese van grondstoffen, kristalgroei, verwerking van blokken, snijden van blokken, slijpen van wafels, polijsten, reinigen en andere schakels.
De kristalgroeifase vormt de kern van het hele proces en deze stap bepaalt de elektrische eigenschappen van het siliciumcarbidesubstraat.
Siliciumcarbidematerialen zijn onder normale omstandigheden moeilijk in de vloeibare fase te laten groeien. De dampfase-groeimethode die tegenwoordig populair is op de markt heeft een groeitemperatuur boven 2300°C en vereist nauwkeurige controle van de groeitemperatuur. Het hele operatieproces is bijna moeilijk waar te nemen. Een kleine fout zal leiden tot het schrappen van het product. Ter vergelijking: siliciummaterialen vereisen slechts 1600 ℃, wat veel lager is. Het bereiden van siliciumcarbidesubstraten kent ook problemen zoals langzame kristalgroei en hoge eisen aan de kristalvorm. De groei van siliciumcarbidewafels duurt ongeveer 7 tot 10 dagen, terwijl het trekken van siliciumstaven slechts 2 en een halve dag duurt. Bovendien is siliciumcarbide een materiaal waarvan de hardheid na diamant de tweede is. Er zal veel verloren gaan tijdens het snijden, slijpen en polijsten, en de outputratio is slechts 60%.
We weten dat de trend is om de omvang van siliciumcarbidesubstraten te vergroten. Naarmate de omvang blijft toenemen, worden de eisen voor diameter-expansietechnologie steeds hoger. Het vereist een combinatie van verschillende technische controle-elementen om iteratieve groei van kristallen te bereiken.
Posttijd: 22 mei 2024