Tehnične težave pri stabilni množični proizvodnji visokokakovostnih rezin iz silicijevega karbida s stabilnim delovanjem vključujejo:
1) Ker morajo kristali rasti v visokotemperaturnem zaprtem okolju nad 2000 °C, so zahteve za nadzor temperature izjemno visoke;
2) Ker ima silicijev karbid več kot 200 kristalnih struktur, vendar je le nekaj struktur monokristalnega silicijevega karbida zahtevanih polprevodniških materialov, je treba razmerje med silicijem in ogljikom, temperaturni gradient rasti in rast kristalov natančno nadzorovati med proces rasti kristalov. Parametri, kot sta hitrost in tlak pretoka zraka;
3) Pri metodi prenosa parne faze je tehnologija širjenja premera rasti kristalov silicijevega karbida izjemno težka;
4) Trdota silicijevega karbida je blizu trdote diamanta, tehnike rezanja, brušenja in poliranja pa so težavne.
SiC epitaksialne rezine: običajno izdelane z metodo kemičnega naparjevanja (CVD). Glede na različne vrste dopinga jih delimo na epitaksialne rezine n-tipa in p-tipa. Domača Hantian Tiancheng in Dongguan Tianyu lahko že zagotovita 4-palčne/6-palčne SiC epitaksialne rezine. Za SiC epitaksijo je težko nadzorovati v visokonapetostnem polju, kakovost SiC epitaksije pa ima večji vpliv na SiC naprave. Še več, epitaksialno opremo monopolizirajo štiri vodilna podjetja v industriji: Axitron, LPE, TEL in Nuflare.
Epitaksialni iz silicijevega karbidarezina se nanaša na rezino iz silicijevega karbida, pri kateri je enokristalni film (epitaksialna plast) z določenimi zahtevami in enakimi kot pri kristalu substrata gojen na izvirnem substratu iz silicijevega karbida. Epitaksialna rast večinoma uporablja opremo CVD (Chemical Vapor Deposition, ) ali opremo MBE (Molecular Beam Epitaxy). Ker so naprave iz silicijevega karbida izdelane neposredno v epitaksialni plasti, kakovost epitaksialne plasti neposredno vpliva na zmogljivost in izkoristek naprave. Ko se napetostna odpornost naprave še naprej povečuje, postane debelina ustrezne epitaksialne plasti debelejša in nadzor postane težji. Na splošno, ko je napetost okoli 600 V, je zahtevana debelina epitaksialne plasti približno 6 mikronov; ko je napetost med 1200-1700V, zahtevana debelina epitaksialne plasti doseže 10-15 mikronov. Če napetost doseže več kot 10.000 voltov, bo morda potrebna debelina epitaksialne plasti več kot 100 mikronov. Ko se debelina epitaksialne plasti še naprej povečuje, postaja vse težje nadzorovati enakomernost debeline in upornosti ter gostoto napak.
SiC naprave: Na mednarodni ravni so bili 600~1700V SiC SBD in MOSFET industrializirani. Glavni izdelki delujejo pri napetostnih nivojih pod 1200 V in uporabljajo predvsem TO embalažo. Kar zadeva cene, so izdelki SiC na mednarodnem trgu ocenjeni približno 5- do 6-krat višje od njihovih analogov SiC. Vendar se cene znižujejo po 10-odstotni letni stopnji. s širitvijo nabavnih materialov in proizvodnje naprav v naslednjih 2-3 letih se bo ponudba na trgu povečala, kar bo povzročilo nadaljnje znižanje cen. Pričakuje se, da ko bo cena dosegla 2- do 3-kratno višjo ceno izdelkov Si, bodo prednosti, ki jih prinašajo znižani sistemski stroški in izboljšana zmogljivost, postopoma spodbudile SiC, da zasede tržni prostor naprav Si.
Tradicionalna embalaža temelji na substratih na osnovi silicija, medtem ko polprevodniški materiali tretje generacije zahtevajo popolnoma novo zasnovo. Uporaba tradicionalnih embalažnih struktur na osnovi silicija za napajalne naprave s širokim pasovnim presledkom lahko povzroči nove težave in izzive, povezane s frekvenco, upravljanjem toplote in zanesljivostjo. SiC močnostne naprave so bolj občutljive na parazitsko kapacitivnost in induktivnost. V primerjavi z napravami Si imajo napajalni čipi SiC večje hitrosti preklapljanja, kar lahko povzroči prekoračitev, nihanje, povečane izgube pri preklapljanju in celo okvare naprave. Poleg tega napajalne naprave iz SiC delujejo pri višjih temperaturah, kar zahteva naprednejše tehnike upravljanja toplote.
Na področju širokopasovne polprevodniške embalaže je bilo razvitih veliko različnih struktur. Tradicionalna embalaža napajalnega modula na osnovi Si ni več primerna. Da bi rešili težave z visokimi parazitskimi parametri in slabo učinkovitostjo odvajanja toplote tradicionalne embalaže napajalnega modula na osnovi Si, embalaža napajalnega modula SiC v svoji strukturi sprejme brezžično medsebojno povezovanje in tehnologijo dvostranskega hlajenja, prav tako pa sprejme substratne materiale z boljšo toploto prevodnosti in poskušali integrirati ločilne kondenzatorje, temperaturne/tokovne senzorje in pogonska vezja v strukturo modula ter razvili vrsto različnih tehnologij za pakiranje modulov. Poleg tega obstajajo visoke tehnične ovire za proizvodnjo naprav SiC in proizvodni stroški so visoki.
Naprave iz silicijevega karbida so izdelane z nanosom epitaksialnih plasti na podlago iz silicijevega karbida s CVD. Postopek vključuje čiščenje, oksidacijo, fotolitografijo, jedkanje, odstranjevanje fotorezista, ionsko implantacijo, nanašanje silicijevega nitrida s kemično paro, poliranje, razprševanje in nadaljnje korake obdelave za oblikovanje strukture naprave na substratu monokristala SiC. Glavne vrste SiC napajalnih naprav vključujejo SiC diode, SiC tranzistorje in SiC napajalne module. Zaradi dejavnikov, kot sta počasna hitrost proizvodnje materiala in nizke stopnje izkoristka, imajo naprave iz silicijevega karbida razmeroma visoke proizvodne stroške.
Poleg tega ima izdelava naprav iz silicijevega karbida določene tehnične težave:
1) Treba je razviti poseben postopek, ki je skladen z značilnostmi materialov iz silicijevega karbida. Na primer: SiC ima visoko tališče, zaradi česar je tradicionalna toplotna difuzija neučinkovita. Treba je uporabiti metodo dopinga z ionsko implantacijo in natančno nadzorovati parametre, kot so temperatura, hitrost segrevanja, trajanje in pretok plina; SiC je inerten na kemična topila. Uporabiti je treba metode, kot je suho jedkanje, optimizirati in razviti pa je treba materiale za maske, mešanice plinov, nadzor naklona stranske stene, hitrost jedkanja, hrapavost stranske stene itd.;
2) Izdelava kovinskih elektrod na rezinah iz silicijevega karbida zahteva kontaktni upor pod 10-5Ω2. Materiali elektrod, ki izpolnjujejo zahteve, Ni in Al, imajo slabo toplotno stabilnost nad 100 °C, vendar ima Al/Ni boljšo toplotno stabilnost. Kontaktna specifična upornost /W/Au kompozitnega elektrodnega materiala je 10-3Ω2 večja;
3) SiC ima visoko obrabo pri rezanju, trdota SiC pa je druga za diamantom, kar postavlja višje zahteve za rezanje, brušenje, poliranje in druge tehnologije.
Poleg tega je napajalne naprave iz silicijevega karbida težje izdelati. Glede na različne strukture naprav lahko napajalne naprave iz silicijevega karbida v glavnem razdelimo na ravninske naprave in naprave za jarek. Planarne napajalne naprave iz silicijevega karbida imajo dobro konsistentnost enote in preprost proizvodni postopek, vendar so nagnjene k učinku JFET ter imajo visoko parazitsko kapacitivnost in odpornost v stanju. V primerjavi z ravninskimi napravami imajo jarekske napajalne naprave iz silicijevega karbida nižjo konsistenco enote in imajo bolj zapleten proizvodni postopek. Vendar je struktura jarka ugodna za povečanje gostote enote naprave in je manj verjetno, da bo povzročila učinek JFET, kar je koristno za reševanje problema mobilnosti kanala. Ima odlične lastnosti, kot so majhen vklopni upor, majhna parazitska kapacitivnost in nizka poraba preklopne energije. Ima znatne stroškovne in zmogljivostne prednosti in je postal glavna smer razvoja napajalnih naprav iz silicijevega karbida. Glede na uradno spletno mesto Rohm je struktura ROHM Gen3 (struktura Gen1 Trench) le 75 % površine čipa Gen2 (Plannar2), odpornost na vklop strukture ROHM Gen3 pa je zmanjšana za 50 % pri enaki velikosti čipa.
Substrat iz silicijevega karbida, epitaksija, sprednji del, stroški raziskav in razvoja ter drugi predstavljajo 47 %, 23 %, 19 %, 6 % oziroma 5 % stroškov izdelave naprav iz silicijevega karbida.
Nazadnje se bomo osredotočili na odpravo tehničnih ovir substratov v verigi industrije silicijevega karbida.
Postopek izdelave substratov iz silicijevega karbida je podoben kot pri substratih na osnovi silicija, vendar težji.
Postopek izdelave substrata iz silicijevega karbida na splošno vključuje sintezo surovin, rast kristalov, obdelavo ingota, rezanje ingota, brušenje rezin, poliranje, čiščenje in druge povezave.
Faza rasti kristalov je jedro celotnega procesa in ta korak določa električne lastnosti substrata iz silicijevega karbida.
Materiale iz silicijevega karbida je v normalnih pogojih težko gojiti v tekoči fazi. Metoda rasti v parni fazi, ki je danes priljubljena na trgu, ima temperaturo rasti nad 2300 °C in zahteva natančno kontrolo temperature rasti. Celoten proces delovanja je skoraj težko opazovati. Majhna napaka bo privedla do zavrženja izdelka. Za primerjavo, silicijevi materiali zahtevajo samo 1600 ℃, kar je veliko nižje. Priprava substratov iz silicijevega karbida se sooča tudi s težavami, kot so počasna rast kristalov in visoke zahteve glede oblike kristalov. Rast rezin iz silicijevega karbida traja približno 7 do 10 dni, medtem ko vlečenje silicijeve palice traja le 2 dni in pol. Poleg tega je silicijev karbid material, katerega trdota je takoj za diamantom. Med rezanjem, brušenjem in poliranjem bo veliko izgubil, razmerje proizvodnje pa je le 60%.
Vemo, da je trend povečanja velikosti substratov iz silicijevega karbida, saj se velikost še naprej povečuje, zahteve za tehnologijo razširitve premera postajajo vse višje in višje. Za dosego iterativne rasti kristalov je potrebna kombinacija različnih tehničnih kontrolnih elementov.
Čas objave: 22. maj 2024