As dificuldades técnicas na produção em massa de wafers de carboneto de silício de alta qualidade e desempenho estável incluem:
1) Como os cristais precisam crescer em um ambiente selado de alta temperatura acima de 2.000 ° C, os requisitos de controle de temperatura são extremamente altos;
2) Como o carboneto de silício tem mais de 200 estruturas cristalinas, mas apenas algumas estruturas de carboneto de silício monocristalino são os materiais semicondutores necessários, a proporção silício-carbono, o gradiente de temperatura de crescimento e o crescimento do cristal precisam ser controlados com precisão durante o processo de crescimento do cristal. Parâmetros como velocidade e pressão do fluxo de ar;
3) No método de transmissão da fase de vapor, a tecnologia de expansão do diâmetro do crescimento do cristal de carboneto de silício é extremamente difícil;
4) A dureza do carboneto de silício é próxima à do diamante e as técnicas de corte, retificação e polimento são difíceis.
Wafers epitaxiais de SiC: geralmente fabricados pelo método de deposição química de vapor (CVD). De acordo com os diferentes tipos de dopagem, eles são divididos em wafers epitaxiais tipo n e tipo p. As domésticas Hantian Tiancheng e Dongguan Tianyu já podem fornecer wafers epitaxiais de SiC de 4/6 polegadas. Para a epitaxia de SiC, é difícil controlar no campo de alta tensão, e a qualidade da epitaxia de SiC tem um impacto maior nos dispositivos de SiC. Além disso, os equipamentos epitaxiais são monopolizados pelas quatro empresas líderes do setor: Axitron, LPE, TEL e Nuflare.
Carboneto de silício epitaxialwafer refere-se a um wafer de carboneto de silício no qual um único filme de cristal (camada epitaxial) com certos requisitos e igual ao cristal do substrato é cultivado no substrato original de carboneto de silício. O crescimento epitaxial utiliza principalmente equipamento CVD (Chemical Vapor Deposition) ou equipamento MBE (Molecular Beam Epitaxy). Como os dispositivos de carboneto de silício são fabricados diretamente na camada epitaxial, a qualidade da camada epitaxial afeta diretamente o desempenho e o rendimento do dispositivo. À medida que o desempenho de resistência à tensão do dispositivo continua a aumentar, a espessura da camada epitaxial correspondente torna-se mais espessa e o controle torna-se mais difícil. Geralmente, quando a tensão está em torno de 600V, a espessura necessária da camada epitaxial é de cerca de 6 mícrons; quando a tensão está entre 1200-1700V, a espessura necessária da camada epitaxial atinge 10-15 mícrons. Se a voltagem atingir mais de 10.000 volts, pode ser necessária uma espessura de camada epitaxial de mais de 100 mícrons. À medida que a espessura da camada epitaxial continua a aumentar, torna-se cada vez mais difícil controlar a espessura e a uniformidade da resistividade e a densidade do defeito.
Dispositivos SiC: Internacionalmente, SiC SBD e MOSFET de 600 ~ 1700 V foram industrializados. Os produtos convencionais operam em níveis de tensão abaixo de 1200V e adotam principalmente embalagens TO. Em termos de preços, os produtos de SiC no mercado internacional têm preços cerca de 5 a 6 vezes mais elevados do que os seus homólogos de Si. No entanto, os preços estão a diminuir a uma taxa anual de 10%. com a expansão dos materiais upstream e da produção de dispositivos nos próximos 2-3 anos, a oferta do mercado aumentará, levando a novas reduções de preços. Espera-se que quando o preço atingir 2 a 3 vezes o dos produtos de Si, as vantagens trazidas pela redução dos custos do sistema e pelo melhor desempenho levarão gradualmente o SiC a ocupar o espaço de mercado dos dispositivos de Si.
As embalagens tradicionais são baseadas em substratos à base de silício, enquanto os materiais semicondutores de terceira geração exigem um design completamente novo. O uso de estruturas de empacotamento tradicionais baseadas em silício para dispositivos de energia com banda larga pode apresentar novos problemas e desafios relacionados à frequência, gerenciamento térmico e confiabilidade. Dispositivos de energia SiC são mais sensíveis à capacitância e indutância parasitas. Comparados aos dispositivos Si, os chips de potência SiC têm velocidades de comutação mais rápidas, o que pode levar a overshoot, oscilação, aumento de perdas de comutação e até mesmo mau funcionamento do dispositivo. Além disso, os dispositivos de energia SiC operam em temperaturas mais elevadas, exigindo técnicas de gerenciamento térmico mais avançadas.
Uma variedade de estruturas diferentes foram desenvolvidas no campo de embalagens de energia de semicondutores de banda larga. A embalagem tradicional de módulos de potência baseados em Si não é mais adequada. A fim de resolver os problemas de altos parâmetros parasitas e baixa eficiência de dissipação de calor da embalagem tradicional do módulo de potência baseada em Si, a embalagem do módulo de potência SiC adota interconexão sem fio e tecnologia de resfriamento de dupla face em sua estrutura, e também adota os materiais de substrato com melhor temperatura térmica condutividade e tentou integrar capacitores de desacoplamento, sensores de temperatura/corrente e circuitos de acionamento na estrutura do módulo e desenvolveu uma variedade de diferentes tecnologias de empacotamento de módulos. Além disso, existem grandes barreiras técnicas à fabricação de dispositivos de SiC e os custos de produção são elevados.
Dispositivos de carboneto de silício são produzidos depositando camadas epitaxiais em um substrato de carboneto de silício através de CVD. O processo envolve limpeza, oxidação, fotolitografia, ataque químico, remoção de fotorresistente, implantação iônica, deposição química de vapor de nitreto de silício, polimento, pulverização catódica e etapas subsequentes de processamento para formar a estrutura do dispositivo no substrato de cristal único de SiC. Os principais tipos de dispositivos de potência SiC incluem diodos SiC, transistores SiC e módulos de potência SiC. Devido a fatores como baixa velocidade de produção de material a montante e baixas taxas de rendimento, os dispositivos de carboneto de silício têm custos de fabricação relativamente altos.
Além disso, a fabricação de dispositivos de carboneto de silício apresenta certas dificuldades técnicas:
1) É necessário desenvolver um processo específico que seja consistente com as características dos materiais de carboneto de silício. Por exemplo: o SiC tem um alto ponto de fusão, o que torna a difusão térmica tradicional ineficaz. É necessário usar o método de dopagem por implantação iônica e controlar com precisão parâmetros como temperatura, taxa de aquecimento, duração e fluxo de gás; O SiC é inerte a solventes químicos. Métodos como ataque a seco devem ser usados, e materiais de máscara, misturas de gases, controle de inclinação da parede lateral, taxa de ataque, rugosidade da parede lateral, etc. devem ser otimizados e desenvolvidos;
2) A fabricação de eletrodos metálicos em wafers de carboneto de silício requer resistência de contato abaixo de 10-5Ω2. Os materiais de eletrodo que atendem aos requisitos, Ni e Al, apresentam baixa estabilidade térmica acima de 100°C, mas Al/Ni possui melhor estabilidade térmica. A resistência específica de contato do material de eletrodo composto /W/Au é 10-3Ω2 maior;
3) O SiC tem alto desgaste de corte, e a dureza do SiC perde apenas para o diamante, o que apresenta requisitos mais elevados para corte, retificação, polimento e outras tecnologias.
Além disso, os dispositivos de potência de carboneto de silício são mais difíceis de fabricar. De acordo com diferentes estruturas de dispositivos, os dispositivos de potência de carboneto de silício podem ser divididos principalmente em dispositivos planares e dispositivos de vala. Os dispositivos de potência planares de carboneto de silício têm boa consistência de unidade e processo de fabricação simples, mas são propensos ao efeito JFET e possuem alta capacitância parasita e resistência no estado. Em comparação com os dispositivos planares, os dispositivos de potência de carboneto de silício de vala têm menor consistência de unidade e um processo de fabricação mais complexo. No entanto, a estrutura da vala conduz ao aumento da densidade da unidade do dispositivo e tem menos probabilidade de produzir o efeito JFET, o que é benéfico para resolver o problema da mobilidade do canal. Possui excelentes propriedades, como pequena resistência, pequena capacitância parasita e baixo consumo de energia de comutação. Tem vantagens significativas de custo e desempenho e se tornou a direção principal do desenvolvimento de dispositivos de potência de carboneto de silício. De acordo com o site oficial da Rohm, a estrutura ROHM Gen3 (estrutura Gen1 Trench) ocupa apenas 75% da área do chip Gen2 (Plannar2), e a resistência da estrutura ROHM Gen3 é reduzida em 50% sob o mesmo tamanho de chip.
Substrato de carboneto de silício, epitaxia, front-end, despesas de P&D e outros respondem por 47%, 23%, 19%, 6% e 5% do custo de fabricação de dispositivos de carboneto de silício, respectivamente.
Por fim, focaremos em quebrar as barreiras técnicas dos substratos na cadeia industrial do carboneto de silício.
O processo de produção de substratos de carboneto de silício é semelhante ao dos substratos à base de silício, mas mais difícil.
O processo de fabricação do substrato de carboneto de silício geralmente inclui síntese de matéria-prima, crescimento de cristal, processamento de lingotes, corte de lingotes, moagem de wafer, polimento, limpeza e outros elos.
A fase de crescimento do cristal é o núcleo de todo o processo e esta etapa determina as propriedades elétricas do substrato de carboneto de silício.
Os materiais de carboneto de silício são difíceis de crescer na fase líquida em condições normais. O método de crescimento em fase de vapor popular no mercado atualmente tem uma temperatura de crescimento acima de 2300°C e requer controle preciso da temperatura de crescimento. Todo o processo de operação é quase difícil de observar. Um pequeno erro levará ao descarte do produto. Em comparação, os materiais de silício requerem apenas 1600°C, o que é muito mais baixo. A preparação de substratos de carboneto de silício também enfrenta dificuldades, como crescimento lento de cristais e altos requisitos de forma de cristal. O crescimento do wafer de carboneto de silício leva cerca de 7 a 10 dias, enquanto a extração da haste de silício leva apenas 2 dias e meio. Além disso, o carboneto de silício é um material cuja dureza perde apenas para o diamante. Perderá muito durante o corte, retificação e polimento, e a taxa de produção é de apenas 60%.
Sabemos que a tendência é aumentar o tamanho dos substratos de carboneto de silício, pois à medida que o tamanho continua a aumentar, os requisitos para a tecnologia de expansão de diâmetro estão se tornando cada vez maiores. Requer uma combinação de vários elementos de controle técnico para alcançar o crescimento iterativo de cristais.
Horário da postagem: 22 de maio de 2024