Trudności techniczne związane ze stabilną, masową produkcją wysokiej jakości płytek z węglika krzemu o stabilnych parametrach obejmują:
1) Ponieważ kryształy muszą rosnąć w zamkniętym środowisku o wysokiej temperaturze powyżej 2000°C, wymagania dotyczące kontroli temperatury są niezwykle wysokie;
2) Ponieważ węglik krzemu ma ponad 200 struktur krystalicznych, ale tylko kilka struktur monokrystalicznego węglika krzemu jest wymaganymi materiałami półprzewodnikowymi, stosunek krzemu do węgla, gradient temperatury wzrostu i wzrost kryształów muszą być precyzyjnie kontrolowane podczas proces wzrostu kryształów. Parametry takie jak prędkość i ciśnienie przepływu powietrza;
3) W przypadku metody transmisji w fazie gazowej technologia zwiększania średnicy kryształów węglika krzemu jest niezwykle trudna;
4) Twardość węglika krzemu jest zbliżona do diamentu, a techniki cięcia, szlifowania i polerowania są trudne.
Płytki epitaksjalne SiC: zwykle wytwarzane metodą chemicznego osadzania z fazy gazowej (CVD). Ze względu na różne rodzaje domieszkowania dzieli się je na płytki epitaksjalne typu n i typu p. Krajowi Hantian Tiancheng i Dongguan Tianyu mogą już dostarczać 4-calowe/6-calowe płytki epitaksjalne SiC. W przypadku epitaksji SiC trudno jest kontrolować w polu wysokiego napięcia, a jakość epitaksji SiC ma większy wpływ na urządzenia SiC. Ponadto sprzęt epitaksjalny jest zmonopolizowany przez cztery wiodące firmy w branży: Axitron, LPE, TEL i Nuflare.
Epitaksjalny węglik krzemuTermin „wafel” odnosi się do płytki z węglika krzemu, w której na oryginalnym podłożu z węglika krzemu hodowana jest pojedyncza warstwa kryształu (warstwa epitaksjalna) o określonych wymaganiach i taka sama jak kryształ podłoża. Do wzrostu epitaksjalnego wykorzystuje się głównie sprzęt CVD (chemiczne osadzanie z fazy gazowej) lub sprzęt MBE (epitaksja z wiązek molekularnych). Ponieważ urządzenia z węglika krzemu są produkowane bezpośrednio w warstwie epitaksjalnej, jakość warstwy epitaksjalnej wpływa bezpośrednio na wydajność i wydajność urządzenia. W miarę wzrostu wytrzymałości napięciowej urządzenia, grubość odpowiedniej warstwy epitaksjalnej staje się grubsza, a kontrola staje się trudniejsza. Ogólnie rzecz biorąc, gdy napięcie wynosi około 600 V, wymagana grubość warstwy epitaksjalnej wynosi około 6 mikronów; przy napięciu 1200-1700V wymagana grubość warstwy epitaksjalnej sięga 10-15 mikronów. Jeśli napięcie osiągnie ponad 10 000 woltów, może być wymagana grubość warstwy epitaksjalnej większa niż 100 mikronów. W miarę ciągłego zwiększania się grubości warstwy epitaksjalnej kontrolowanie grubości i jednorodności rezystywności oraz gęstości defektów staje się coraz trudniejsze.
Urządzenia SiC: na arenie międzynarodowej uprzemysłowiono urządzenia SiC SBD i MOSFET 600 ~ 1700 V. Produkty głównego nurtu działają przy poziomach napięcia poniżej 1200 V i przyjmują głównie opakowania TO. Jeśli chodzi o ceny, produkty SiC na rynku międzynarodowym są wyceniane około 5-6 razy wyżej niż ich odpowiedniki z SiC. Ceny jednak spadają w tempie 10% rocznie. wraz z rozwojem produkcji materiałów wydobywczych i urządzeń w ciągu najbliższych 2-3 lat podaż na rynku wzrośnie, co doprowadzi do dalszych obniżek cen. Oczekuje się, że gdy cena osiągnie 2-3 razy wyższą cenę niż produkty Si, korzyści wynikające z obniżonych kosztów systemu i lepszej wydajności będą stopniowo powodować, że SiC zajmie przestrzeń rynkową urządzeń Si.
Tradycyjne opakowania bazują na podłożach na bazie krzemu, natomiast materiały półprzewodnikowe trzeciej generacji wymagają zupełnie nowego designu. Stosowanie tradycyjnych struktur opakowań na bazie krzemu w urządzeniach zasilających o szerokiej przerwie energetycznej może wprowadzić nowe problemy i wyzwania związane z częstotliwością, zarządzaniem temperaturą i niezawodnością. Urządzenia zasilające SiC są bardziej wrażliwe na pasożytniczą pojemność i indukcyjność. W porównaniu do urządzeń Si, chipy mocy SiC charakteryzują się większą szybkością przełączania, co może prowadzić do przeregulowania, oscylacji, zwiększonych strat przełączania, a nawet nieprawidłowego działania urządzenia. Ponadto urządzenia zasilające SiC działają w wyższych temperaturach, co wymaga bardziej zaawansowanych technik zarządzania ciepłem.
Opracowano wiele różnych struktur w dziedzinie pakowania mocy półprzewodników o szerokiej przerwie energetycznej. Tradycyjne opakowania modułów mocy na bazie Si nie są już odpowiednie. Aby rozwiązać problemy związane z wysokimi parametrami pasożytniczymi i słabą wydajnością rozpraszania ciepła w przypadku tradycyjnych opakowań modułów mocy na bazie Si, opakowania modułów mocy SiC wykorzystują w swojej strukturze bezprzewodowe połączenie wzajemne i technologię dwustronnego chłodzenia, a także przyjmują materiały podłoża o lepszych właściwościach termicznych przewodność i próbował zintegrować kondensatory odsprzęgające, czujniki temperatury/prądu i obwody sterujące w strukturze modułu, a także opracował szereg różnych technologii pakowania modułów. Ponadto istnieją wysokie bariery techniczne w produkcji urządzeń SiC, a koszty produkcji są wysokie.
Urządzenia z węglika krzemu są wytwarzane poprzez osadzanie warstw epitaksjalnych na podłożu z węglika krzemu za pomocą CVD. Proces obejmuje czyszczenie, utlenianie, fotolitografię, trawienie, usuwanie fotorezystu, implantację jonów, chemiczne osadzanie z fazy gazowej azotku krzemu, polerowanie, napylanie katodowe i kolejne etapy przetwarzania w celu uformowania struktury urządzenia na podłożu monokrystalicznym SiC. Główne typy urządzeń zasilających SiC obejmują diody SiC, tranzystory SiC i moduły mocy SiC. Ze względu na takie czynniki, jak niska prędkość produkcji materiału na etapie początkowym i niska wydajność, urządzenia z węglika krzemu mają stosunkowo wysokie koszty produkcji.
Ponadto produkcja urządzeń z węglika krzemu wiąże się z pewnymi trudnościami technicznymi:
1) Konieczne jest opracowanie specjalnego procesu zgodnego z charakterystyką materiałów z węglika krzemu. Na przykład: SiC ma wysoką temperaturę topnienia, co sprawia, że tradycyjna dyfuzja termiczna jest nieskuteczna. Konieczne jest zastosowanie metody domieszkowania poprzez implantację jonów i dokładna kontrola parametrów, takich jak temperatura, szybkość nagrzewania, czas trwania i przepływ gazu; SiC jest obojętny na rozpuszczalniki chemiczne. Należy stosować metody takie jak trawienie na sucho oraz optymalizować i rozwijać materiały masek, mieszaniny gazów, kontrolę nachylenia ściany bocznej, szybkości trawienia, chropowatości ścian bocznych itp.;
2) Produkcja elektrod metalowych na płytkach węglika krzemu wymaga rezystancji styków poniżej 10-5 Ω2. Materiały elektrod spełniające wymagania, Ni i Al, mają słabą stabilność termiczną powyżej 100°C, ale Al/Ni ma lepszą stabilność termiczną. Specyficzna rezystancja styku materiału elektrody kompozytowej /W/Au jest o 10-3Ω2 wyższa;
3) SiC ma duże zużycie podczas cięcia, a twardość SiC ustępuje jedynie diamentowi, co stawia wyższe wymagania w zakresie cięcia, szlifowania, polerowania i innych technologii.
Co więcej, wykopowe urządzenia energetyczne z węglika krzemu są trudniejsze w produkcji. Według różnych konstrukcji urządzeń, urządzenia energetyczne z węglika krzemu można podzielić głównie na urządzenia planarne i urządzenia wykopowe. Planarne urządzenia mocy z węglika krzemu mają dobrą konsystencję jednostkową i prosty proces produkcyjny, ale są podatne na efekt JFET i mają wysoką pojemność pasożytniczą i rezystancję w stanie włączenia. W porównaniu z urządzeniami planarnymi, rowowe urządzenia zasilające z węglika krzemu mają niższą konsystencję jednostkową i mają bardziej złożony proces produkcyjny. Jednakże konstrukcja rowu sprzyja zwiększeniu gęstości jednostek urządzenia i jest mniej prawdopodobne, że wywoła efekt JFET, co jest korzystne dla rozwiązania problemu mobilności kanałów. Ma doskonałe właściwości, takie jak mała rezystancja włączenia, mała pojemność pasożytnicza i niskie zużycie energii przełączania. Ma znaczące zalety pod względem kosztów i wydajności i stał się głównym kierunkiem rozwoju urządzeń zasilających z węglika krzemu. Według oficjalnej strony internetowej Rohm struktura ROHM Gen3 (struktura wykopu Gen1) zajmuje tylko 75% powierzchni chipa Gen2 (Plannar2), a rezystancja włączenia struktury ROHM Gen3 jest zmniejszona o 50% przy tym samym rozmiarze chipa.
Podłoże z węglika krzemu, epitaksja, front-end, wydatki na badania i rozwój i inne stanowią odpowiednio 47%, 23%, 19%, 6% i 5% kosztów produkcji urządzeń z węglika krzemu.
Na koniec skupimy się na przełamywaniu barier technicznych substratów w łańcuchu przemysłowym węglika krzemu.
Proces produkcji podłoży z węglika krzemu jest podobny do procesu produkcji podłoży na bazie krzemu, ale jest trudniejszy.
Proces produkcyjny podłoża z węglika krzemu obejmuje ogólnie syntezę surowców, wzrost kryształów, obróbkę wlewków, cięcie wlewków, mielenie płytek, polerowanie, czyszczenie i inne ogniwa.
Etap wzrostu kryształów jest rdzeniem całego procesu i ten etap określa właściwości elektryczne podłoża z węglika krzemu.
Materiały z węglika krzemu są trudne do uprawy w fazie ciekłej w normalnych warunkach. Popularna obecnie na rynku metoda wzrostu w fazie gazowej charakteryzuje się temperaturą wzrostu powyżej 2300°C i wymaga precyzyjnej kontroli temperatury wzrostu. Cały proces działania jest prawie trudny do zaobserwowania. Niewielki błąd doprowadzi do złomowania produktu. Dla porównania materiały krzemowe wymagają jedynie 1600 ℃, czyli znacznie mniej. Przygotowanie podłoży z węglika krzemu również napotyka trudności, takie jak powolny wzrost kryształów i wysokie wymagania dotyczące postaci kryształów. Wzrost płytek z węglika krzemu zajmuje około 7 do 10 dni, podczas gdy wyciąganie prętów krzemowych zajmuje tylko 2 i pół dnia. Co więcej, węglik krzemu jest materiałem, którego twardość ustępuje jedynie diamentowi. Dużo straci podczas cięcia, szlifowania i polerowania, a współczynnik wyjściowy wynosi tylko 60%.
Wiemy, że tendencją jest zwiększanie rozmiaru podłoży z węglika krzemu, ponieważ wraz ze wzrostem rozmiaru wymagania dotyczące technologii rozszerzania średnicy stają się coraz wyższe. Aby osiągnąć iteracyjny wzrost kryształów, wymagane jest połączenie różnych technicznych elementów kontrolnych.
Czas publikacji: 22 maja 2024 r