Dificultățile tehnice în producerea stabilă în masă a plachetelor cu carbură de siliciu de înaltă calitate cu performanță stabilă includ:
1) Deoarece cristalele trebuie să crească într-un mediu etanș la temperatură ridicată peste 2000 ° C, cerințele de control al temperaturii sunt extrem de ridicate;
2) Deoarece carbura de siliciu are mai mult de 200 de structuri cristaline, dar doar câteva structuri de carbură de siliciu monocristal sunt materialele semiconductoare necesare, raportul siliciu-carbon, gradientul de temperatură de creștere și creșterea cristalului trebuie controlate cu precizie în timpul procesul de creștere a cristalelor. Parametri precum viteza și presiunea fluxului de aer;
3) În conformitate cu metoda de transmisie în faza de vapori, tehnologia de expansiune a diametrului creșterii cristalelor de carbură de siliciu este extrem de dificilă;
4) Duritatea carburii de siliciu este apropiată de cea a diamantului, iar tehnicile de tăiere, șlefuire și lustruire sunt dificile.
Plachete epitaxiale de SiC: fabricate de obicei prin metoda depunerii chimice în vapori (CVD). În funcție de diferitele tipuri de dopaj, acestea sunt împărțite în napolitane epitaxiale de tip n și tip p. Hantian Tiancheng și Dongguan Tianyu autohtone pot furniza deja napolitane epitaxiale SiC de 4 inchi/6 inci. Pentru epitaxia SiC, este dificil de controlat în câmpul de înaltă tensiune, iar calitatea epitaxiei SiC are un impact mai mare asupra dispozitivelor SiC. Mai mult, echipamentele epitaxiale sunt monopolizate de cele patru companii lider din industrie: Axitron, LPE, TEL și Nuflare.
Epitaxial din carbură de siliciuplacheta se referă la o placă cu carbură de siliciu în care un singur film cristalin (strat epitaxial) cu anumite cerințe și la fel ca și cristalul substrat este crescut pe substratul original din carbură de siliciu. Creșterea epitaxială utilizează în principal echipamente CVD (Depunerea în vapori chimici) sau echipamente MBE (Molecular Beam Epitaxy). Deoarece dispozitivele cu carbură de siliciu sunt fabricate direct în stratul epitaxial, calitatea stratului epitaxial afectează direct performanța și randamentul dispozitivului. Pe măsură ce performanța de rezistență la tensiune a dispozitivului continuă să crească, grosimea stratului epitaxial corespunzător devine mai groasă și controlul devine mai dificil. În general, când tensiunea este în jur de 600V, grosimea necesară a stratului epitaxial este de aproximativ 6 microni; când tensiunea este între 1200-1700V, grosimea necesară a stratului epitaxial ajunge la 10-15 microni. Dacă tensiunea atinge mai mult de 10.000 de volți, poate fi necesară o grosime a stratului epitaxial de peste 100 de microni. Pe măsură ce grosimea stratului epitaxial continuă să crească, devine din ce în ce mai dificil să se controleze grosimea și uniformitatea rezistivității și densitatea defectelor.
Dispozitive SiC: La nivel internațional, 600~1700V SiC SBD și MOSFET au fost industrializate. Produsele principale operează la niveluri de tensiune sub 1200V și adoptă în principal ambalaj TO. În ceea ce privește prețul, produsele SiC de pe piața internațională au prețuri de aproximativ 5-6 ori mai mari decât omologii lor SiC. Cu toate acestea, prețurile sunt în scădere cu o rată anuală de 10%. odată cu extinderea materialelor din amonte și a producției de dispozitive în următorii 2-3 ani, oferta de pe piață va crește, ducând la reduceri suplimentare de preț. Este de așteptat ca atunci când prețul ajunge de 2-3 ori mai mult decât al produselor din Si, avantajele aduse de costurile reduse ale sistemului și performanța îmbunătățită vor determina treptat SiC să ocupe spațiul de piață al dispozitivelor din Si.
Ambalajul tradițional se bazează pe substraturi pe bază de siliciu, în timp ce materialele semiconductoare de a treia generație necesită un design complet nou. Utilizarea structurilor tradiționale de ambalare pe bază de siliciu pentru dispozitivele de alimentare cu bandă largă poate introduce noi probleme și provocări legate de frecvență, managementul termic și fiabilitatea. Dispozitivele de putere SiC sunt mai sensibile la capacitatea și inductanța parazită. În comparație cu dispozitivele Si, chipurile de putere SiC au viteze de comutare mai mari, ceea ce poate duce la depășiri, oscilații, pierderi crescute de comutare și chiar defecțiuni ale dispozitivului. În plus, dispozitivele de putere SiC funcționează la temperaturi mai ridicate, necesitând tehnici mai avansate de management termic.
O varietate de structuri diferite au fost dezvoltate în domeniul ambalării puterii semiconductoare cu bandă largă. Ambalajul modulului de alimentare tradițional pe bază de Si nu mai este potrivit. Pentru a rezolva problemele parametrilor paraziți înalți și a eficienței slabe de disipare a căldurii a ambalajului modulului de putere tradițional pe bază de Si, ambalajul modulului de putere SiC adoptă interconexiune fără fir și tehnologia de răcire dublă în structura sa și, de asemenea, adoptă materialele substratului cu o temperatură mai bună. conductivitate și a încercat să integreze condensatori de decuplare, senzori de temperatură/curent și circuite de comandă în structura modulului și a dezvoltat o varietate de tehnologii diferite de ambalare a modulelor. În plus, există bariere tehnice mari în calea fabricării dispozitivelor SiC, iar costurile de producție sunt mari.
Dispozitivele cu carbură de siliciu sunt produse prin depunerea straturilor epitaxiale pe un substrat cu carbură de siliciu prin CVD. Procesul implică curățare, oxidare, fotolitografie, gravare, decapare a fotorezistului, implantare de ioni, depunere chimică de vapori a nitrurii de siliciu, lustruire, pulverizare și pași ulterioare de procesare pentru a forma structura dispozitivului pe substratul monocristal SiC. Principalele tipuri de dispozitive de alimentare SiC includ diode SiC, tranzistoare SiC și module de putere SiC. Datorită unor factori precum viteza lentă de producție a materialului în amonte și ratele scăzute de randament, dispozitivele cu carbură de siliciu au costuri de fabricație relativ mari.
În plus, fabricarea dispozitivelor cu carbură de siliciu are anumite dificultăți tehnice:
1) Este necesar să se dezvolte un proces specific care să fie în concordanță cu caracteristicile materialelor cu carbură de siliciu. De exemplu: SiC are un punct de topire ridicat, ceea ce face ca difuzia termică tradițională să fie ineficientă. Este necesar să se utilizeze metoda de dopaj prin implantare ionică și să se controleze cu precizie parametri precum temperatura, viteza de încălzire, durata și fluxul de gaz; SiC este inert la solvenții chimici. Trebuie utilizate metode precum gravarea uscată, iar materialele de masca, amestecurile de gaze, controlul pantei peretelui lateral, rata de gravare, rugozitatea peretelui lateral, etc. ar trebui optimizate și dezvoltate;
2) Fabricarea electrozilor metalici pe plachete cu carbură de siliciu necesită rezistență de contact sub 10-5Ω2. Materialele electrozilor care îndeplinesc cerințele, Ni și Al, au stabilitate termică slabă peste 100°C, dar Al/Ni are o stabilitate termică mai bună. Rezistența specifică de contact a materialului electrodului compozit /W/Au este cu 10-3Ω2 mai mare;
3) SiC are o uzură mare la tăiere, iar duritatea SiC este a doua după diamant, care impune cerințe mai mari pentru tăiere, șlefuire, lustruire și alte tehnologii.
În plus, dispozitivele de putere cu carbură de siliciu de șanț sunt mai dificil de fabricat. Conform diferitelor structuri ale dispozitivului, dispozitivele de putere cu carbură de siliciu pot fi împărțite în principal în dispozitive plane și dispozitive de șanț. Dispozitivele de putere cu carbură de siliciu plană au o consistență bună a unității și un proces de fabricație simplu, dar sunt predispuse la efectul JFET și au o capacitate parazită mare și rezistență la starea de funcționare. În comparație cu dispozitivele plane, dispozitivele de putere cu carbură de siliciu de șanț au o consistență mai mică a unității și au un proces de fabricație mai complex. Cu toate acestea, structura șanțului este favorabilă creșterii densității unității dispozitivului și este mai puțin probabil să producă efectul JFET, care este benefic pentru rezolvarea problemei mobilității canalului. Are proprietăți excelente, cum ar fi rezistență mică la pornire, capacitate parazită mică și consum redus de energie de comutare. Are avantaje semnificative de cost și performanță și a devenit direcția principală a dezvoltării dispozitivelor de putere cu carbură de siliciu. Conform site-ului oficial Rohm, structura ROHM Gen3 (structura Gen1 Trench) este doar 75% din suprafața cipului Gen2 (Plannar2), iar rezistența la pornire a structurii ROHM Gen3 este redusă cu 50% sub aceeași dimensiune a cipului.
Substratul cu carbură de siliciu, epitaxie, front-end, cheltuielile de cercetare și dezvoltare și altele reprezintă 47%, 23%, 19%, 6% și, respectiv, 5% din costul de producție al dispozitivelor cu carbură de siliciu.
În cele din urmă, ne vom concentra pe distrugerea barierelor tehnice ale substraturilor din lanțul industrial de carbură de siliciu.
Procesul de producție al substraturilor cu carbură de siliciu este similar cu cel al substraturilor pe bază de siliciu, dar mai dificil.
Procesul de fabricație al substratului cu carbură de siliciu include, în general, sinteza materiilor prime, creșterea cristalelor, prelucrarea lingoului, tăierea lingoului, măcinarea napolitanelor, lustruirea, curățarea și alte legături.
Etapa de creștere a cristalului este nucleul întregului proces, iar această etapă determină proprietățile electrice ale substratului cu carbură de siliciu.
Materialele cu carbură de siliciu sunt dificil de crescut în fază lichidă în condiții normale. Metoda de creștere în fază de vapori populară astăzi pe piață are o temperatură de creștere peste 2300°C și necesită un control precis al temperaturii de creștere. Întregul proces de operare este aproape greu de observat. O ușoară eroare va duce la casarea produsului. În comparație, materialele din siliciu necesită doar 1600 ℃, ceea ce este mult mai mic. Pregătirea substraturilor cu carbură de siliciu se confruntă, de asemenea, cu dificultăți, cum ar fi creșterea lentă a cristalelor și cerințele mari de formă de cristal. Creșterea plachetelor cu carbură de siliciu durează aproximativ 7 până la 10 zile, în timp ce tragerea tijei de siliciu durează doar 2 zile și jumătate. Mai mult, carbura de siliciu este un material a cărui duritate este a doua după diamant. Va pierde mult în timpul tăierii, șlefuirii și lustruirii, iar raportul de ieșire este de doar 60%.
Știm că tendința este de a crește dimensiunea substraturilor cu carbură de siliciu, pe măsură ce dimensiunea continuă să crească, cerințele pentru tehnologia de expansiune a diametrului devin din ce în ce mai mari. Este nevoie de o combinație de diferite elemente de control tehnic pentru a obține creșterea iterativă a cristalelor.
Ora postării: 22-mai-2024