De tekniske vanskelighetene med å stabilt masseprodusere høykvalitets silisiumkarbidskiver med stabil ytelse inkluderer:
1) Siden krystaller må vokse i et høytemperaturforseglet miljø over 2000°C, er temperaturkontrollkravene ekstremt høye;
2) Siden silisiumkarbid har mer enn 200 krystallstrukturer, men bare noen få strukturer av enkeltkrystall silisiumkarbid er de nødvendige halvledermaterialene, må silisium-til-karbon-forholdet, veksttemperaturgradienten og krystallveksten kontrolleres nøyaktig under krystallvekstprosessen. Parametre som hastighet og luftstrømtrykk;
3) Under dampfaseoverføringsmetoden er diameterekspansjonsteknologien til silisiumkarbidkrystallvekst ekstremt vanskelig;
4) Hardheten til silisiumkarbid er nær hardheten til diamant, og skjære-, slipe- og poleringsteknikker er vanskelige.
SiC epitaksiale wafere: vanligvis produsert ved kjemisk dampavsetning (CVD) metode. I henhold til ulike dopingtyper er de delt inn i n-type og p-type epitaksiale wafere. Innenlandske Hantian Tiancheng og Dongguan Tianyu kan allerede tilby 4-tommers/6-tommers SiC epitaksiale wafere. For SiC-epitaksi er det vanskelig å kontrollere i høyspentfeltet, og kvaliteten på SiC-epitaksi har større innvirkning på SiC-enheter. Dessuten er epitaksielt utstyr monopolisert av de fire ledende selskapene i bransjen: Axitron, LPE, TEL og Nuflare.
Silisiumkarbid epitaksialwafer refererer til en silisiumkarbidwafer der en enkeltkrystallfilm (epitaksialt lag) med visse krav og det samme som substratkrystallen dyrkes på det originale silisiumkarbidsubstratet. Epitaksial vekst bruker hovedsakelig CVD (Chemical Vapor Deposition, ) utstyr eller MBE (Molecular Beam Epitaxy) utstyr. Siden silisiumkarbidenheter produseres direkte i det epitaksiale laget, påvirker kvaliteten på det epitaksiale laget direkte ytelsen og utbyttet til enheten. Når spenningsmotstandsytelsen til enheten fortsetter å øke, blir tykkelsen på det tilsvarende epitaksiale laget tykkere og kontrollen blir vanskeligere. Generelt, når spenningen er rundt 600V, er den nødvendige epitaksiale lagtykkelsen ca. 6 mikron; når spenningen er mellom 1200-1700V, når den nødvendige epitaksiale lagtykkelsen 10-15 mikron. Hvis spenningen når mer enn 10 000 volt, kan det være nødvendig med en epitaksial lagtykkelse på mer enn 100 mikron. Ettersom tykkelsen på det epitaksiale laget fortsetter å øke, blir det stadig vanskeligere å kontrollere tykkelsen og resistivitetens ensartethet og defekttettheten.
SiC-enheter: Internasjonalt har 600~1700V SiC SBD og MOSFET blitt industrialisert. De vanlige produktene opererer på spenningsnivåer under 1200V og tar primært i bruk TO-emballasje. Når det gjelder pris, er SiC-produkter på det internasjonale markedet priset til rundt 5-6 ganger høyere enn deres Si-motparter. Prisene synker imidlertid med en årlig hastighet på 10 %. med utvidelse av oppstrøms materialer og enhetsproduksjon i løpet av de neste 2-3 årene, vil markedstilbudet øke, noe som fører til ytterligere prisreduksjoner. Det forventes at når prisen når 2-3 ganger prisen for Si-produkter, vil fordelene med reduserte systemkostnader og forbedret ytelse gradvis få SiC til å okkupere markedsplassen til Si-enheter.
Tradisjonell emballasje er basert på silisiumbaserte underlag, mens tredjegenerasjons halvledermaterialer krever et helt nytt design. Bruk av tradisjonelle silisiumbaserte emballasjestrukturer for strømenheter med stort båndgap kan introdusere nye problemer og utfordringer knyttet til frekvens, termisk styring og pålitelighet. SiC-kraftenheter er mer følsomme for parasittisk kapasitans og induktans. Sammenlignet med Si-enheter har SiC-strømbrikker raskere byttehastigheter, noe som kan føre til overskridelse, svingninger, økte svitsjetap og til og med enhetsfeil. I tillegg opererer SiC-kraftenheter ved høyere temperaturer, noe som krever mer avanserte termiske styringsteknikker.
En rekke forskjellige strukturer er utviklet innen halvlederkraftemballasje med bred båndgap. Tradisjonell Si-basert kraftmodulemballasje er ikke lenger egnet. For å løse problemene med høye parasittiske parametere og dårlig varmeavledningseffektivitet til tradisjonell SiC-basert kraftmodulemballasje, vedtar SiC kraftmodulemballasje trådløs sammenkobling og dobbeltsidig kjøleteknologi i sin struktur, og tar også i bruk substratmaterialene med bedre termisk konduktivitet, og prøvde å integrere avkoblingskondensatorer, temperatur/strømsensorer og drivkretser i modulstrukturen, og utviklet en rekke forskjellige modulpakketeknologier. Dessuten er det høye tekniske barrierer for produksjon av SiC-enheter, og produksjonskostnadene er høye.
Silisiumkarbidenheter produseres ved å avsette epitaksiale lag på et silisiumkarbidsubstrat gjennom CVD. Prosessen involverer rengjøring, oksidasjon, fotolitografi, etsing, stripping av fotoresist, ioneimplantasjon, kjemisk dampavsetning av silisiumnitrid, polering, sputtering og påfølgende prosesstrinn for å danne enhetsstrukturen på SiC-enkrystallsubstratet. Hovedtyper av SiC-kraftenheter inkluderer SiC-dioder, SiC-transistorer og SiC-kraftmoduler. På grunn av faktorer som langsom oppstrøms materialproduksjonshastighet og lave utbyttegrader, har silisiumkarbidenheter relativt høye produksjonskostnader.
I tillegg har produksjon av silisiumkarbidenheter visse tekniske vanskeligheter:
1) Det er nødvendig å utvikle en spesifikk prosess som er i samsvar med egenskapene til silisiumkarbidmaterialer. For eksempel: SiC har et høyt smeltepunkt, noe som gjør tradisjonell termisk diffusjon ineffektiv. Det er nødvendig å bruke ioneimplantasjonsdopingmetode og nøyaktig kontrollere parametere som temperatur, oppvarmingshastighet, varighet og gassstrøm; SiC er inert overfor kjemiske løsemidler. Metoder som tørr etsing bør brukes, og maskematerialer, gassblandinger, kontroll av sidevegghelling, etsehastighet, sideveggruhet etc. bør optimaliseres og utvikles;
2) Produksjonen av metallelektroder på silisiumkarbidskiver krever kontaktmotstand under 10-5Ω2. Elektrodematerialene som oppfyller kravene, Ni og Al, har dårlig termisk stabilitet over 100°C, men Al/Ni har bedre termisk stabilitet. Den kontaktspesifikke motstanden til /W/Au komposittelektrodemateriale er 10-3Ω2 høyere;
3) SiC har høy skjæreslitasje, og hardheten til SiC er nest etter diamant, noe som stiller høyere krav til skjæring, sliping, polering og andre teknologier.
Dessuten er trench silisiumkarbidkraftenheter vanskeligere å produsere. I henhold til forskjellige enhetsstrukturer kan silisiumkarbidkraftenheter hovedsakelig deles inn i plane enheter og grøfteenheter. Planare silisiumkarbidkraftenheter har god enhetskonsistens og enkel produksjonsprosess, men er utsatt for JFET-effekt og har høy parasittisk kapasitans og motstand i tilstanden. Sammenlignet med plane enheter har grøft silisiumkarbidkraftenheter lavere enhetskonsistens og har en mer kompleks produksjonsprosess. Grøftstrukturen bidrar imidlertid til å øke enhetens tetthet og er mindre sannsynlig å produsere JFET-effekten, noe som er gunstig for å løse problemet med kanalmobilitet. Den har utmerkede egenskaper som liten på-motstand, liten parasittisk kapasitans og lavt bytteenergiforbruk. Det har betydelige kostnads- og ytelsesfordeler og har blitt hovedretningen for utviklingen av silisiumkarbidkraftenheter. I følge Rohms offisielle nettsted er ROHM Gen3-strukturen (Gen1 Trench-strukturen) bare 75 % av Gen2 (Plannar2)-brikkeområdet, og ROHM Gen3-strukturens på-motstand er redusert med 50 % under samme brikkestørrelse.
Silisiumkarbidsubstrat, epitaksi, front-end, FoU-utgifter og andre utgjør henholdsvis 47 %, 23 %, 19 %, 6 % og 5 % av produksjonskostnadene for silisiumkarbidenheter.
Til slutt vil vi fokusere på å bryte ned de tekniske barrierene til substrater i silisiumkarbidindustrikjeden.
Produksjonsprosessen av silisiumkarbidsubstrater ligner på silisiumbaserte substrater, men vanskeligere.
Produksjonsprosessen av silisiumkarbidsubstrat inkluderer generelt råstoffsyntese, krystallvekst, ingot-behandling, ingot-skjæring, wafersliping, polering, rengjøring og andre lenker.
Krystallvekststadiet er kjernen i hele prosessen, og dette trinnet bestemmer de elektriske egenskapene til silisiumkarbidsubstratet.
Silisiumkarbidmaterialer er vanskelige å dyrke i væskefasen under normale forhold. Dampfasevekstmetoden som er populær på markedet i dag har en veksttemperatur over 2300°C og krever nøyaktig kontroll av veksttemperaturen. Hele operasjonsprosessen er nesten vanskelig å observere. En liten feil vil føre til skroting av produktet. Til sammenligning krever silisiummaterialer bare 1600 ℃, som er mye lavere. Å tilberede silisiumkarbidsubstrater møter også vanskeligheter som langsom krystallvekst og høye krav til krystallform. Vekst av silisiumkarbidplater tar omtrent 7 til 10 dager, mens trekking av silisiumstaver bare tar 2 og en halv dag. Dessuten er silisiumkarbid et materiale hvis hardhet er nest etter diamant. Det vil miste mye under kutting, sliping og polering, og utgangsforholdet er bare 60%.
Vi vet at trenden er å øke størrelsen på silisiumkarbidsubstrater, ettersom størrelsen fortsetter å øke, blir kravene til diameterekspansjonsteknologi høyere og høyere. Det krever en kombinasjon av ulike tekniske kontrollelementer for å oppnå iterativ vekst av krystaller.
Innleggstid: 22. mai 2024