К техническим трудностям стабильного серийного производства высококачественных пластин карбида кремния со стабильными характеристиками относятся:
1) Поскольку кристаллы должны расти в высокотемпературной герметичной среде выше 2000°C, требования к контролю температуры чрезвычайно высоки;
2) Поскольку карбид кремния имеет более 200 кристаллических структур, но лишь несколько структур монокристаллического карбида кремния являются необходимыми полупроводниковыми материалами, соотношение кремния и углерода, температурный градиент роста и рост кристаллов необходимо точно контролировать во время процесс роста кристаллов. Такие параметры, как скорость и давление воздушного потока;
3) При методе парофазной передачи технология расширения диаметра выращивания кристаллов карбида кремния чрезвычайно сложна;
4) Твердость карбида кремния близка к твердости алмаза, а методы резки, шлифовки и полировки сложны.
Эпитаксиальные пластины SiC: обычно изготавливаются методом химического осаждения из паровой фазы (CVD). По различным типам легирования их делят на эпитаксиальные пластины n-типа и p-типа. Отечественные компании Hantian Tiancheng и Dongguan Tianyu уже могут поставлять 4-дюймовые/6-дюймовые эпитаксиальные пластины SiC. Эпитаксией SiC трудно управлять в поле высокого напряжения, и качество эпитаксии SiC оказывает большее влияние на устройства SiC. При этом эпитаксиальное оборудование монополизировано четырьмя ведущими компаниями отрасли: Axitron, LPE, TEL и Nuflare.
Эпитаксиальный карбид кремнияПод пластиной подразумевается пластина карбида кремния, в которой монокристаллическая пленка (эпитаксиальный слой) с определенными требованиями, такая же, как и кристалл подложки, выращивается на исходной подложке из карбида кремния. Для эпитаксиального роста в основном используется оборудование CVD (химическое осаждение из паровой фазы) или оборудование MBE (молекулярно-лучевая эпитаксия). Поскольку устройства из карбида кремния изготавливаются непосредственно в эпитаксиальном слое, качество эпитаксиального слоя напрямую влияет на производительность и ресурс устройства. Поскольку характеристики выдерживания напряжения устройства продолжают увеличиваться, толщина соответствующего эпитаксиального слоя становится больше, и контроль становится более трудным. Обычно, когда напряжение составляет около 600 В, необходимая толщина эпитаксиального слоя составляет около 6 микрон; при напряжении 1200-1700В необходимая толщина эпитаксиального слоя достигает 10-15 микрон. Если напряжение достигает более 10 000 вольт, может потребоваться толщина эпитаксиального слоя более 100 микрон. Поскольку толщина эпитаксиального слоя продолжает увеличиваться, становится все труднее контролировать однородность толщины, удельного сопротивления и плотность дефектов.
Устройства SiC: Во всем мире SiC SBD и MOSFET на 600–1700 В получили промышленное распространение. Основная продукция работает при напряжении ниже 1200 В и в основном использует корпус TO. С точки зрения ценообразования продукты SiC на международном рынке стоят примерно в 5-6 раз дороже, чем их аналоги Si. Однако цены снижаются ежегодно на 10%. с расширением производства материалов и устройств в ближайшие 2-3 года предложение на рынке увеличится, что приведет к дальнейшему снижению цен. Ожидается, что, когда цена в 2-3 раза превысит стоимость продуктов Si, преимущества, связанные со снижением стоимости системы и повышением производительности, постепенно заставят SiC занять рыночное пространство Si-устройств.
Традиционная упаковка основана на подложках на основе кремния, а полупроводниковые материалы третьего поколения требуют совершенно нового дизайна. Использование традиционных структур на основе кремния для широкополосных силовых устройств может привести к появлению новых проблем и проблем, связанных с частотой, управлением температурным режимом и надежностью. Силовые устройства SiC более чувствительны к паразитной емкости и индуктивности. По сравнению с устройствами Si, силовые чипы SiC имеют более высокую скорость переключения, что может привести к перерегулированию, колебаниям, увеличению потерь при переключении и даже к сбоям в работе устройства. Кроме того, силовые устройства SiC работают при более высоких температурах, что требует более совершенных методов управления температурным режимом.
В области широкозонных полупроводниковых силовых корпусов было разработано множество различных структур. Традиционная упаковка силового модуля на основе Si больше не подходит. Чтобы решить проблемы высоких паразитных параметров и низкой эффективности рассеивания тепла традиционной упаковки силового модуля на основе Si, упаковка силового модуля SiC использует в своей структуре технологию беспроводного соединения и двухстороннего охлаждения, а также использует материалы подложки с лучшими тепловыми свойствами. проводимости и попытались интегрировать развязывающие конденсаторы, датчики температуры/тока и схемы управления в структуру модуля, а также разработали множество различных технологий упаковки модулей. Кроме того, существуют высокие технические барьеры для производства устройств SiC, а производственные затраты высоки.
Устройства из карбида кремния производятся путем нанесения эпитаксиальных слоев на подложку из карбида кремния методом CVD. Процесс включает очистку, окисление, фотолитографию, травление, удаление фоторезиста, ионную имплантацию, химическое осаждение нитрида кремния из паровой фазы, полировку, распыление и последующие этапы обработки для формирования структуры устройства на монокристаллической подложке SiC. Основные типы силовых устройств SiC включают SiC-диоды, SiC-транзисторы и силовые модули SiC. Из-за таких факторов, как медленная скорость производства материала на входе и низкий уровень выхода продукции, устройства из карбида кремния имеют относительно высокие производственные затраты.
Кроме того, изготовление устройств из карбида кремния имеет определенные технические трудности:
1) Необходимо разработать конкретный процесс, соответствующий характеристикам карбидокремниевых материалов. Например: SiC имеет высокую температуру плавления, что делает традиционную термодиффузию неэффективной. Необходимо использовать метод легирования ионной имплантацией и точно контролировать такие параметры, как температура, скорость нагрева, продолжительность и расход газа; SiC инертен к химическим растворителям. Следует использовать такие методы, как сухое травление, а также оптимизировать и развивать маскирующие материалы, газовые смеси, контроль наклона боковой стенки, скорости травления, шероховатости боковой стенки и т. д.;
2) Изготовление металлических электродов на пластинах карбида кремния требует контактного сопротивления ниже 10-5Ом2. Материалы электродов, соответствующие требованиям, Ni и Al, имеют плохую термическую стабильность выше 100°C, но Al/Ni имеет лучшую термическую стабильность. Контактное удельное сопротивление композитного электродного материала /W/Au на 10-3Ом2 выше;
3) SiC имеет высокий износ при резании, а по твердости SiC уступает только алмазу, что выдвигает более высокие требования к резке, шлифовке, полировке и другим технологиям.
Кроме того, траншейные силовые устройства из карбида кремния сложнее в изготовлении. По различным конструкциям силовые устройства из карбида кремния можно разделить на планарные и траншейные. Силовые устройства из планарного карбида кремния имеют хорошую согласованность и простой производственный процесс, но склонны к эффекту JFET и имеют высокую паразитную емкость и сопротивление в открытом состоянии. По сравнению с планарными устройствами траншейные силовые устройства из карбида кремния имеют меньшую однородность единицы измерения и более сложный производственный процесс. Однако траншейная структура способствует увеличению плотности размещения устройств и с меньшей вероятностью приведет к эффекту JFET, что полезно для решения проблемы мобильности каналов. Он обладает превосходными свойствами, такими как малое сопротивление в открытом состоянии, малая паразитная емкость и низкое энергопотребление при переключении. Он имеет значительные преимущества в стоимости и производительности и стал основным направлением разработки силовых устройств из карбида кремния. Согласно официальному сайту Rohm, структура ROHM Gen3 (структура Gen1 Trench) занимает всего 75% площади чипа Gen2 (Plannar2), а сопротивление включения структуры ROHM Gen3 снижается на 50% при том же размере чипа.
Подложка из карбида кремния, эпитаксия, начальная обработка, затраты на исследования и разработки и другие затраты составляют 47%, 23%, 19%, 6% и 5% стоимости производства устройств из карбида кремния соответственно.
Наконец, мы сосредоточимся на преодолении технических барьеров, связанных с подложками в производственной цепочке карбида кремния.
Процесс производства подложек из карбида кремния аналогичен процессу производства подложек на основе кремния, но более сложен.
Процесс производства подложки из карбида кремния обычно включает синтез сырья, выращивание кристаллов, обработку слитков, резку слитков, шлифовку пластин, полировку, очистку и другие звенья.
Этап выращивания кристаллов является основой всего процесса, и этот этап определяет электрические свойства подложки из карбида кремния.
Карбидокремниевые материалы трудно выращивать в жидкой фазе в обычных условиях. Популярный сегодня на рынке метод выращивания в паровой фазе имеет температуру роста выше 2300°C и требует точного контроля температуры роста. Весь процесс работы практически трудно наблюдать. Незначительная ошибка приведет к списанию продукта. Для сравнения, кремниевым материалам требуется всего 1600 ℃, что намного ниже. Подготовка подложек из карбида кремния также сталкивается с такими трудностями, как медленный рост кристаллов и требования к высокой кристаллической форме. Рост пластин карбида кремния занимает от 7 до 10 дней, а вытягивание кремниевого стержня занимает всего 2 с половиной дня. Более того, карбид кремния – материал, твердость которого уступает только алмазу. Он будет много терять во время резки, шлифования и полировки, а коэффициент выхода составляет всего 60%.
Мы знаем, что существует тенденция к увеличению размера подложек из карбида кремния, поскольку размер продолжает увеличиваться, а требования к технологии расширения диаметра становятся все выше и выше. Для достижения итеративного роста кристаллов требуется сочетание различных элементов технического контроля.
Время публикации: 22 мая 2024 г.