Technické ťažkosti pri stabilnej hromadnej výrobe vysokokvalitných doštičiek z karbidu kremíka so stabilným výkonom zahŕňajú:
1) Keďže kryštály potrebujú rásť vo vysokoteplotnom uzavretom prostredí nad 2000 °C, požiadavky na kontrolu teploty sú extrémne vysoké;
2) Keďže karbid kremíka má viac ako 200 kryštálových štruktúr, ale len niekoľko štruktúr monokryštálového karbidu kremíka je požadovanými polovodičovými materiálmi, pomer kremíka k uhlíku, gradient teploty rastu a rast kryštálov je potrebné počas proces rastu kryštálov. Parametre ako rýchlosť a tlak prúdu vzduchu;
3) Pri metóde prenosu v parnej fáze je technológia rozširovania priemeru rastu kryštálov karbidu kremíka mimoriadne náročná;
4) Tvrdosť karbidu kremíka je blízka tvrdosti diamantu a techniky rezania, brúsenia a leštenia sú náročné.
SiC epitaxné doštičky: zvyčajne sa vyrábajú metódou chemického nanášania pár (CVD). Podľa rôznych typov dopingu sa delia na epitaxné doštičky typu n a typu p. Domáce Hantian Tiancheng a Dongguan Tianyu už môžu poskytnúť 4-palcové/6-palcové epitaxné doštičky SiC. Pre SiC epitaxiu je ťažké kontrolovať vo vysokonapäťovom poli a kvalita SiC epitaxie má väčší vplyv na SiC zariadenia. Okrem toho je epitaxné zariadenie monopolizované štyrmi poprednými spoločnosťami v tomto odvetví: Axitron, LPE, TEL a Nuflare.
Epitaxné z karbidu kremíkadoštička sa vzťahuje na doštičku z karbidu kremíka, v ktorej monokryštálový film (epitaxiálna vrstva) s určitými požiadavkami a rovnakými požiadavkami ako kryštál substrátu rastie na pôvodnom substráte karbidu kremíka. Epitaxný rast využíva hlavne zariadenie CVD (Chemical Vapor Deposition, ) alebo zariadenie MBE (Molecular Beam Epitaxy). Pretože zariadenia z karbidu kremíka sa vyrábajú priamo v epitaxiálnej vrstve, kvalita epitaxiálnej vrstvy priamo ovplyvňuje výkon a výťažnosť zariadenia. Ako napäťová odolnosť zariadenia neustále rastie, hrúbka zodpovedajúcej epitaxnej vrstvy sa stáva hrubšou a ovládanie sa stáva zložitejším. Vo všeobecnosti, keď je napätie okolo 600 V, požadovaná hrúbka epitaxnej vrstvy je približne 6 mikrónov; keď je napätie medzi 1200-1700V, požadovaná hrúbka epitaxnej vrstvy dosahuje 10-15 mikrónov. Ak napätie dosiahne viac ako 10 000 voltov, môže byť potrebná hrúbka epitaxnej vrstvy viac ako 100 mikrónov. Ako sa hrúbka epitaxnej vrstvy neustále zvyšuje, je stále ťažšie kontrolovať rovnomernosť hrúbky a odporu a hustotu defektov.
SiC zariadenia: Medzinárodne sa industrializovali 600~1700V SiC SBD a MOSFET. Hlavné produkty fungujú pri napäťových úrovniach pod 1200 V a primárne využívajú obaly TO. Pokiaľ ide o ceny, produkty SiC na medzinárodnom trhu sú približne 5- až 6-krát vyššie ako ich náprotivky Si. Ceny však klesajú ročne o 10 %. s rozšírením výroby materiálov a zariadení v nasledujúcich 2-3 rokoch sa ponuka na trhu zvýši, čo povedie k ďalšiemu znižovaniu cien. Očakáva sa, že keď cena dosiahne 2- až 3-násobok ceny produktov Si, výhody prinesené zníženými systémovými nákladmi a lepším výkonom budú postupne viesť k tomu, že SiC zaberie trhový priestor Si zariadení.
Tradičné balenie je založené na substrátoch na báze kremíka, zatiaľ čo polovodičové materiály tretej generácie vyžadujú úplne nový dizajn. Použitie tradičných obalových štruktúr na báze kremíka pre napájacie zariadenia so širokým pásmovým odstupom môže priniesť nové problémy a výzvy súvisiace s frekvenciou, tepelným manažmentom a spoľahlivosťou. SiC výkonové zariadenia sú citlivejšie na parazitnú kapacitu a indukčnosť. V porovnaní so zariadeniami Si majú výkonové čipy SiC rýchlejšie spínacie rýchlosti, čo môže viesť k prekmitaniu, oscilácii, zvýšeným stratám pri spínaní a dokonca k poruchám zariadenia. Napájacie zariadenia SiC navyše pracujú pri vyšších teplotách, čo si vyžaduje pokročilejšie techniky tepelného manažmentu.
V oblasti balenia polovodičových výkonov so širokým pásmom boli vyvinuté rôzne štruktúry. Tradičné balenie výkonových modulov na báze Si už nie je vhodné. Aby sa vyriešili problémy s vysokými parazitnými parametrami a slabou účinnosťou odvádzania tepla tradičného balenia výkonových modulov na báze Si, balenie výkonových modulov SiC vo svojej štruktúre využíva technológiu bezdrôtového prepojenia a obojstranného chladenia a tiež prijíma podkladové materiály s lepšími tepelnými vlastnosťami. vodivosť a pokúsili sa integrovať oddeľovacie kondenzátory, snímače teploty/prúdu a riadiace obvody do štruktúry modulu a vyvinuli rôzne technológie balenia modulov. Okrem toho existujú vysoké technické prekážky výroby SiC zariadení a výrobné náklady sú vysoké.
Zariadenia z karbidu kremíka sa vyrábajú ukladaním epitaxných vrstiev na substrát z karbidu kremíka pomocou CVD. Proces zahŕňa čistenie, oxidáciu, fotolitografiu, leptanie, odstraňovanie fotorezistu, implantáciu iónov, chemické nanášanie nitridu kremíka z pár, leštenie, naprašovanie a následné kroky spracovania na vytvorenie štruktúry zariadenia na substráte z monokryštálov SiC. Hlavné typy SiC výkonových zariadení zahŕňajú SiC diódy, SiC tranzistory a SiC výkonové moduly. V dôsledku faktorov, ako je pomalá rýchlosť výroby materiálu pred prúdom a nízka miera výťažnosti, majú zariadenia z karbidu kremíka relatívne vysoké výrobné náklady.
Okrem toho má výroba zariadení z karbidu kremíka určité technické ťažkosti:
1) Je potrebné vyvinúť špecifický proces, ktorý je v súlade s charakteristikami materiálov z karbidu kremíka. Napríklad: SiC má vysoký bod topenia, vďaka čomu je tradičná tepelná difúzia neúčinná. Je potrebné použiť dopingovú metódu iónovej implantácie a presne kontrolovať parametre, ako je teplota, rýchlosť ohrevu, trvanie a prietok plynu; SiC je inertný voči chemickým rozpúšťadlám. Mali by sa použiť metódy ako suché leptanie a mali by sa optimalizovať a vyvinúť materiály masky, zmesi plynov, kontrola sklonu bočnej steny, rýchlosť leptania, drsnosť bočnej steny atď.;
2) Výroba kovových elektród na doštičkách z karbidu kremíka vyžaduje prechodový odpor pod 10-5Ω2. Materiály elektród, ktoré spĺňajú požiadavky, Ni a Al, majú zlú tepelnú stabilitu nad 100 °C, ale Al/Ni má lepšiu tepelnú stabilitu. Špecifický kontaktný odpor kompozitného elektródového materiálu /W/Au je o 10-3Ω2 vyšší;
3) SiC má vysoké opotrebenie pri rezaní a tvrdosť SiC je na druhom mieste za diamantom, čo kladie vyššie požiadavky na rezanie, brúsenie, leštenie a iné technológie.
Okrem toho sa výkonové zariadenia z karbidu kremíka vyrábajú ťažšie. Podľa rôznych štruktúr zariadení možno výkonové zariadenia z karbidu kremíka rozdeliť hlavne na planárne zariadenia a výkopové zariadenia. Planárne výkonové zariadenia z karbidu kremíka majú dobrú jednotkovú konzistenciu a jednoduchý výrobný proces, ale sú náchylné na efekt JFET a majú vysokú parazitnú kapacitu a odolnosť v zapnutom stave. V porovnaní s planárnymi zariadeniami majú výkonové zariadenia z karbidu kremíka nižšiu jednotkovú konzistenciu a majú zložitejší výrobný proces. Štruktúra výkopu však prispieva k zvýšeniu hustoty jednotky zariadenia a je menej pravdepodobné, že vytvorí efekt JFET, čo je prospešné pri riešení problému mobility kanálov. Má vynikajúce vlastnosti, ako je malý odpor pri zapnutí, malá parazitná kapacita a nízka spotreba spínacej energie. Má značné výhody v oblasti nákladov a výkonu a stal sa hlavným smerom vývoja energetických zariadení z karbidu kremíka. Podľa oficiálnej webovej stránky Rohm tvorí štruktúra ROHM Gen3 (štruktúra Gen1 Trench) iba 75 % plochy čipu Gen2 (Plannar2) a odpor štruktúry ROHM Gen3 je pri rovnakej veľkosti čipu znížený o 50 %.
Substrát z karbidu kremíka, epitaxia, front-end, náklady na výskum a vývoj a iné predstavujú 47 %, 23 %, 19 %, 6 % a 5 % výrobných nákladov zariadení z karbidu kremíka.
Nakoniec sa zameriame na búranie technických bariér substrátov v priemyselnom reťazci karbidu kremíka.
Výrobný proces substrátov z karbidu kremíka je podobný ako pri substrátoch na báze kremíka, ale je náročnejší.
Výrobný proces substrátu z karbidu kremíka vo všeobecnosti zahŕňa syntézu surovín, rast kryštálov, spracovanie ingotov, rezanie ingotov, brúsenie plátkov, leštenie, čistenie a ďalšie prepojenia.
Štádium rastu kryštálov je jadrom celého procesu a tento krok určuje elektrické vlastnosti substrátu karbidu kremíka.
Materiály z karbidu kremíka sa za normálnych podmienok ťažko pestujú v kvapalnej fáze. Metóda rastu v parnej fáze, ktorá je dnes na trhu populárna, má teplotu rastu nad 2300 °C a vyžaduje presnú kontrolu teploty rastu. Celý proces operácie je takmer ťažké pozorovať. Malá chyba povedie k zošrotovaniu produktu. Na porovnanie, kremíkové materiály vyžadujú iba 1600 ℃, čo je oveľa menej. Príprava substrátov z karbidu kremíka tiež čelí ťažkostiam, ako je pomalý rast kryštálov a vysoké požiadavky na formu kryštálov. Rast plátku z karbidu kremíka trvá asi 7 až 10 dní, zatiaľ čo ťahanie kremíkovej tyče trvá len 2 a pol dňa. Okrem toho je karbid kremíka materiálom, ktorého tvrdosť je na druhom mieste za diamantom. Pri rezaní, brúsení a leštení veľa stratí a výstupný pomer je iba 60%.
Vieme, že trendom je zväčšovať veľkosť substrátov z karbidu kremíka, keďže veľkosť sa neustále zväčšuje, požiadavky na technológiu rozširovania priemeru sú stále vyššie a vyššie. Na dosiahnutie iteračného rastu kryštálov je potrebná kombinácia rôznych technických ovládacích prvkov.
Čas odoslania: 22. mája 2024