De tekniska svårigheterna med att stabilt massproducera högkvalitativa kiselkarbidskivor med stabil prestanda inkluderar:
1) Eftersom kristaller behöver växa i en högtemperaturförseglad miljö över 2000°C, är temperaturkontrollkraven extremt höga;
2) Eftersom kiselkarbid har mer än 200 kristallstrukturer, men endast ett fåtal strukturer av enkristallkiselkarbid är de nödvändiga halvledarmaterialen, måste kisel-till-kol-förhållandet, tillväxttemperaturgradienten och kristalltillväxten kontrolleras exakt under kristalltillväxtprocessen. Parametrar som hastighet och luftflödestryck;
3) Under ångfasöverföringsmetoden är diameterexpansionstekniken för tillväxt av kiselkarbidkristall extremt svår;
4) Hårdheten hos kiselkarbid är nära den för diamant, och skärnings-, slip- och poleringstekniker är svåra.
SiC epitaxiella wafers: tillverkas vanligtvis med kemisk ångavsättning (CVD) metod. Beroende på olika dopningstyper är de uppdelade i n-typ och p-typ epitaxiella wafers. Inhemska Hantian Tiancheng och Dongguan Tianyu kan redan tillhandahålla 4-tums/6-tums SiC epitaxialwafers. För SiC-epitax är det svårt att kontrollera i högspänningsfältet, och kvaliteten på SiC-epitaxin har en större inverkan på SiC-enheter. Dessutom monopoliseras epitaxiell utrustning av de fyra ledande företagen i branschen: Axitron, LPE, TEL och Nuflare.
Kiselkarbid epitaxiellwafer hänvisar till en kiselkarbidskiva i vilken en enkristallfilm (epitaxialskikt) med vissa krav och samma som substratkristallen odlas på det ursprungliga kiselkarbidsubstratet. Epitaxiell tillväxt använder huvudsakligen CVD-utrustning (Chemical Vapor Deposition, ) eller MBE-utrustning (Molecular Beam Epitaxy). Eftersom kiselkarbidanordningar tillverkas direkt i det epitaxiella skiktet, påverkar kvaliteten på det epitaxiella skiktet direkt anordningens prestanda och utbyte. När enhetens spänningsmotståndsprestanda fortsätter att öka, blir tjockleken på motsvarande epitaxiella skikt tjockare och kontrollen blir svårare. Generellt, när spänningen är runt 600V, är den erforderliga epitaxiella skikttjockleken cirka 6 mikron; när spänningen är mellan 1200-1700V, når den erforderliga epitaxiella skikttjockleken 10-15 mikron. Om spänningen når mer än 10 000 volt kan en epitaxiell skikttjocklek på mer än 100 mikron krävas. När tjockleken på epitaxialskiktet fortsätter att öka, blir det allt svårare att kontrollera tjocklek och resistivitetslikformighet och defektdensitet.
SiC-enheter: Internationellt har 600~1700V SiC SBD och MOSFET industrialiserats. De vanliga produkterna arbetar vid spänningsnivåer under 1200V och använder i första hand TO-förpackningar. När det gäller prissättning är SiC-produkter på den internationella marknaden prissatta till cirka 5-6 gånger högre än sina SiC-motsvarigheter. Priserna sjunker dock med 10 % årligen. med expansionen av uppströms material och produktproduktion under de kommande 2-3 åren kommer utbudet på marknaden att öka, vilket leder till ytterligare prissänkningar. Det förväntas att när priset når 2-3 gånger det för Si-produkter, kommer fördelarna med minskade systemkostnader och förbättrad prestanda att gradvis driva SiC att ockupera marknadsutrymmet för Si-enheter.
Traditionella förpackningar är baserade på silikonbaserade substrat medan tredje generationens halvledarmaterial kräver en helt ny design. Att använda traditionella kiselbaserade förpackningsstrukturer för kraftenheter med breda bandgap kan introducera nya problem och utmaningar relaterade till frekvens, termisk hantering och tillförlitlighet. SiC-kraftenheter är mer känsliga för parasitisk kapacitans och induktans. Jämfört med Si-enheter har SiC-kraftchips snabbare växlingshastigheter, vilket kan leda till översvängning, oscillation, ökade växlingsförluster och till och med enhetsfel. Dessutom arbetar SiC-kraftenheter vid högre temperaturer, vilket kräver mer avancerade värmehanteringstekniker.
En mängd olika strukturer har utvecklats inom området för halvledarkraftpaket med breda bandgap. Traditionell Si-baserad kraftmodulförpackning är inte längre lämplig. För att lösa problemen med höga parasitära parametrar och dålig värmeavledningseffektivitet hos traditionella SiC-baserade kraftmodulförpackningar, antar SiC-kraftmodulförpackningen trådlös sammankoppling och dubbelsidig kylningsteknik i sin struktur och antar också substratmaterialen med bättre termisk konduktivitet, och försökte integrera avkopplingskondensatorer, temperatur/strömsensorer och drivkretsar i modulstrukturen och utvecklade en mängd olika modulförpackningsteknologier. Dessutom finns det höga tekniska hinder för tillverkning av SiC-enheter och produktionskostnaderna är höga.
Kiselkarbidanordningar framställs genom att deponera epitaxiella skikt på ett kiselkarbidsubstrat genom CVD. Processen innefattar rengöring, oxidation, fotolitografi, etsning, strippning av fotoresist, jonimplantation, kemisk ångavsättning av kiselnitrid, polering, förstoftning och efterföljande bearbetningssteg för att bilda enhetsstrukturen på SiC-enkristallsubstratet. Huvudtyper av SiC-kraftenheter inkluderar SiC-dioder, SiC-transistorer och SiC-kraftmoduler. På grund av faktorer som långsam uppströms materialproduktionshastighet och låga utbyten har kiselkarbidanordningar relativt höga tillverkningskostnader.
Dessutom har tillverkning av kiselkarbidanordningar vissa tekniska svårigheter:
1) Det är nödvändigt att utveckla en specifik process som är förenlig med egenskaperna hos kiselkarbidmaterial. Till exempel: SiC har en hög smältpunkt, vilket gör traditionell termisk diffusion ineffektiv. Det är nödvändigt att använda jonimplantationsdopningsmetod och noggrant kontrollera parametrar såsom temperatur, uppvärmningshastighet, varaktighet och gasflöde; SiC är inert mot kemiska lösningsmedel. Metoder som torretsning bör användas och maskmaterial, gasblandningar, kontroll av sidoväggens lutning, etsningshastighet, sidoväggens ojämnhet etc. bör optimeras och utvecklas;
2) Tillverkning av metallelektroder på kiselkarbidskivor kräver kontaktresistans under 10-5Ω2. Elektrodmaterialen som uppfyller kraven, Ni och Al, har dålig termisk stabilitet över 100°C, men Al/Ni har bättre termisk stabilitet. Den kontaktspecifika resistansen för /W/Au kompositelektrodmaterial är 10-3Ω2 högre;
3) SiC har högt skärslitage och hårdheten hos SiC är näst efter diamant, vilket ställer högre krav på skärning, slipning, polering och andra tekniker.
Dessutom är kraftanordningar av kiselkarbidgravar svårare att tillverka. Enligt olika enhetsstrukturer kan kraftenheter av kiselkarbid huvudsakligen delas in i plana enheter och dikesanordningar. Plana kiselkarbidkraftenheter har bra enhetskonsistens och enkel tillverkningsprocess, men är benägna att få JFET-effekt och har hög parasitisk kapacitans och resistans i tillstånd. Jämfört med plana anordningar har kiselkarbidkraftanordningar för trench lägre enhetskonsistens och har en mer komplex tillverkningsprocess. Trenchstrukturen bidrar dock till att öka enhetens enhetstäthet och är mindre sannolikt att producera JFET-effekten, vilket är fördelaktigt för att lösa problemet med kanalrörlighet. Den har utmärkta egenskaper som litet på-motstånd, liten parasitisk kapacitans och låg strömförbrukning. Det har betydande kostnads- och prestandafördelar och har blivit huvudriktningen för utvecklingen av kraftenheter av kiselkarbid. Enligt Rohms officiella hemsida är ROHM Gen3-strukturen (Gen1 Trench-strukturen) endast 75 % av Gen2 (Plannar2) chiparean, och ROHM Gen3-strukturens on-resistans reduceras med 50 % under samma chipstorlek.
Kiselkarbidsubstrat, epitaxi, front-end, FoU-kostnader och andra står för 47 %, 23 %, 19 %, 6 % respektive 5 % av tillverkningskostnaden för kiselkarbidenheter.
Slutligen kommer vi att fokusera på att bryta ned de tekniska barriärerna för substrat i kiselkarbidindustrikedjan.
Framställningsprocessen för kiselkarbidsubstrat liknar den för kiselbaserade substrat, men svårare.
Tillverkningsprocessen av kiselkarbidsubstrat inkluderar i allmänhet råmaterialsyntes, kristalltillväxt, götbearbetning, götskärning, skivslipning, polering, rengöring och andra länkar.
Kristalltillväxtstadiet är kärnan i hela processen, och detta steg bestämmer de elektriska egenskaperna hos kiselkarbidsubstratet.
Kiselkarbidmaterial är svåra att odla i flytande fas under normala förhållanden. Ångfas-tillväxtmetoden som är populär på marknaden idag har en tillväxttemperatur över 2300°C och kräver exakt kontroll av tillväxttemperaturen. Hela operationsprocessen är nästan svår att observera. Ett litet fel leder till att produkten skrotas. I jämförelse kräver kiselmaterial endast 1600 ℃, vilket är mycket lägre. Att framställa kiselkarbidsubstrat möter också svårigheter såsom långsam kristalltillväxt och höga krav på kristallform. Tillväxt av kiselkarbidskivor tar cirka 7 till 10 dagar, medan dragning av kiselstav bara tar 2 och en halv dag. Dessutom är kiselkarbid ett material vars hårdhet är näst efter diamant. Det kommer att förlora mycket under skärning, slipning och polering, och utgångsförhållandet är bara 60%.
Vi vet att trenden är att öka storleken på kiselkarbidsubstrat, eftersom storleken fortsätter att öka blir kraven på diameterexpansionsteknik högre och högre. Det kräver en kombination av olika tekniska kontrollelement för att uppnå iterativ tillväxt av kristaller.
Posttid: 22 maj 2024