Ano ang mga teknikal na hadlang sa silicon carbide?Ⅱ

Ang mga teknikal na kahirapan sa stably mass-producing de-kalidad na silicon carbide wafers na may stable na performance ay kinabibilangan ng:
1) Dahil ang mga kristal ay kailangang lumaki sa isang mataas na temperatura na selyadong kapaligiran sa itaas ng 2000°C, ang mga kinakailangan sa pagkontrol sa temperatura ay napakataas;
2) Dahil ang silicon carbide ay may higit sa 200 kristal na istruktura, ngunit iilan lamang sa mga istruktura ng single-crystal silicon carbide ang mga kinakailangang semiconductor na materyales, ang silicon-to-carbon ratio, gradient ng temperatura ng paglago, at paglaki ng kristal ay kailangang tumpak na kontrolin sa panahon ng ang proseso ng paglago ng kristal. Mga parameter tulad ng bilis at presyon ng daloy ng hangin;
3) Sa ilalim ng vapor phase transmission method, ang diameter expansion technology ng silicon carbide crystal growth ay lubhang mahirap;
4) Ang katigasan ng silicon carbide ay malapit sa diyamante, at mahirap ang mga diskarte sa pagputol, paggiling, at buli.

SiC epitaxial wafers: kadalasang ginagawa sa pamamagitan ng chemical vapor deposition (CVD) method. Ayon sa iba't ibang uri ng doping, nahahati sila sa n-type at p-type na epitaxial wafers. Ang Domestic Hantian Tiancheng at Dongguan Tianyu ay maaari nang magbigay ng 4-inch/6-inch SiC epitaxial wafers. Para sa SiC epitaxy, mahirap kontrolin sa high-voltage field, at ang kalidad ng SiC epitaxy ay may mas malaking epekto sa mga SiC device. Bukod dito, ang epitaxial na kagamitan ay monopolyo ng apat na nangungunang kumpanya sa industriya: Axitron, LPE, TEL at Nuflare.

Silicon carbide epitaxialAng wafer ay tumutukoy sa isang silicon carbide wafer kung saan ang isang solong kristal na pelikula (epitaxial layer) na may ilang mga kinakailangan at katulad ng substrate na kristal ay lumago sa orihinal na silicon carbide substrate. Ang epitaxial growth ay pangunahing gumagamit ng CVD (Chemical Vapor Deposition, ) equipment o MBE (Molecular Beam Epitaxy) equipment. Dahil ang mga silicon carbide device ay direktang ginawa sa epitaxial layer, ang kalidad ng epitaxial layer ay direktang nakakaapekto sa performance at yield ng device. Habang patuloy na tumataas ang boltahe sa pagganap ng aparato, ang kapal ng kaukulang epitaxial layer ay nagiging mas makapal at ang kontrol ay nagiging mas mahirap. Sa pangkalahatan, kapag ang boltahe ay nasa paligid ng 600V, ang kinakailangang kapal ng epitaxial layer ay humigit-kumulang 6 microns; kapag ang boltahe ay nasa pagitan ng 1200-1700V, ang kinakailangang kapal ng epitaxial layer ay umabot sa 10-15 microns. Kung ang boltahe ay umabot sa higit sa 10,000 volts, maaaring kailanganin ang kapal ng epitaxial layer na higit sa 100 microns. Habang patuloy na tumataas ang kapal ng epitaxial layer, lalong nagiging mahirap na kontrolin ang kapal at pagkakapareho ng resistivity at density ng depekto.

Mga SiC device: Sa buong mundo, ang 600~1700V SiC SBD at MOSFET ay naging industriyalisado. Ang mga pangunahing produkto ay gumagana sa mga antas ng boltahe sa ibaba 1200V at pangunahing gumagamit ng TO packaging. Sa mga tuntunin ng pagpepresyo, ang mga produkto ng SiC sa internasyonal na merkado ay may presyo sa humigit-kumulang 5-6 beses na mas mataas kaysa sa kanilang mga katapat na Si. Gayunpaman, ang mga presyo ay bumababa sa isang taunang rate ng 10%. sa pagpapalawak ng mga upstream na materyales at produksyon ng device sa susunod na 2-3 taon, tataas ang supply sa merkado, na humahantong sa karagdagang pagbabawas ng presyo. Inaasahan na kapag ang presyo ay umabot ng 2-3 beses kaysa sa mga produkto ng Si, ang mga bentahe na dala ng pinababang mga gastos ng system at pinabuting pagganap ay unti-unting magtutulak sa SiC na sakupin ang espasyo ng merkado ng mga Si device.
Ang tradisyunal na packaging ay batay sa mga substrate na nakabatay sa silikon, habang ang mga materyal na semiconductor ng ikatlong henerasyon ay nangangailangan ng isang ganap na bagong disenyo. Ang paggamit ng mga tradisyunal na istruktura ng packaging na nakabatay sa silicon para sa wide-bandgap na mga power device ay maaaring magpakilala ng mga bagong isyu at hamon na nauugnay sa dalas, pamamahala ng thermal, at pagiging maaasahan. Ang mga SiC power device ay mas sensitibo sa parasitic capacitance at inductance. Kung ikukumpara sa mga Si device, ang mga SiC power chip ay may mas mabilis na mga bilis ng paglipat, na maaaring humantong sa overshoot, oscillation, mas mataas na pagkawala ng switching, at kahit na mga malfunction ng device. Bukod pa rito, gumagana ang mga SiC power device sa mas mataas na temperatura, na nangangailangan ng mas advanced na thermal management techniques.

Ang iba't ibang mga istraktura ay binuo sa larangan ng wide-bandgap semiconductor power packaging. Hindi na angkop ang tradisyonal na Si-based na power module packaging. Upang malutas ang mga problema ng mataas na mga parameter ng parasitiko at mahinang kahusayan sa pagwawaldas ng init ng tradisyonal na Si-based na power module packaging, ang SiC power module packaging ay gumagamit ng wireless interconnection at double-side cooling technology sa istraktura nito, at gumagamit din ng mga substrate na materyales na may mas mahusay na thermal. conductivity, at sinubukang isama ang mga decoupling capacitor, temperatura/kasalukuyang sensor, at drive circuit sa istruktura ng module, at bumuo ng iba't ibang teknolohiya sa packaging ng module. Bukod dito, may mataas na teknikal na hadlang sa paggawa ng SiC device at mataas ang mga gastos sa produksyon.

Ang mga silicone carbide device ay ginawa sa pamamagitan ng pagdedeposito ng mga epitaxial layer sa isang silicon carbide substrate sa pamamagitan ng CVD. Ang proseso ay nagsasangkot ng paglilinis, oksihenasyon, photolithography, pag-ukit, pagtanggal ng photoresist, pagtatanim ng ion, chemical vapor deposition ng silicon nitride, polishing, sputtering, at kasunod na mga hakbang sa pagproseso upang mabuo ang istraktura ng device sa SiC single crystal substrate. Kabilang sa mga pangunahing uri ng SiC power device ang mga SiC diode, SiC transistors, at SiC power modules. Dahil sa mga salik tulad ng mabagal na upstream na bilis ng produksyon ng materyal at mababang yield rate, ang mga silicon carbide na device ay may medyo mataas na gastos sa pagmamanupaktura.

Bilang karagdagan, ang paggawa ng aparato ng silicon carbide ay may ilang mga teknikal na paghihirap:
1) Kinakailangang bumuo ng isang tiyak na proseso na naaayon sa mga katangian ng mga materyales ng silicon carbide. Halimbawa: Ang SiC ay may mataas na punto ng pagkatunaw, na ginagawang hindi epektibo ang tradisyonal na thermal diffusion. Kinakailangang gumamit ng ion implantation doping method at tumpak na kontrolin ang mga parameter tulad ng temperatura, rate ng pag-init, tagal, at daloy ng gas; Ang SiC ay hindi gumagalaw sa mga kemikal na solvent. Ang mga pamamaraan tulad ng dry etching ay dapat gamitin, at ang mga mask na materyales, gas mixtures, kontrol sa sidewall slope, etching rate, sidewall roughness, atbp. ay dapat na i-optimize at binuo;
2) Ang paggawa ng mga metal electrodes sa mga wafer ng silicon carbide ay nangangailangan ng contact resistance sa ibaba 10-5Ω2. Ang mga materyales ng elektrod na nakakatugon sa mga kinakailangan, Ni at Al, ay may mahinang thermal stability sa itaas 100°C, ngunit ang Al/Ni ay may mas mahusay na thermal stability. Ang contact specific resistance ng /W/Au composite electrode material ay 10-3Ω2 na mas mataas;
3) Ang SiC ay may mataas na cutting wear, at ang tigas ng SiC ay pangalawa lamang sa brilyante, na naglalagay ng mas mataas na mga kinakailangan para sa pagputol, paggiling, buli at iba pang mga teknolohiya.
Bukod dito, ang trench silicon carbide power device ay mas mahirap gawin. Ayon sa iba't ibang mga istraktura ng aparato, ang mga aparato ng kapangyarihan ng silikon karbid ay maaaring nahahati sa mga planar na aparato at mga aparatong trench. Ang mga planar silicon carbide power device ay may magandang unit consistency at simpleng proseso ng pagmamanupaktura, ngunit madaling kapitan ng epekto ng JFET at may mataas na parasitic capacitance at on-state resistance. Kung ikukumpara sa mga planar device, ang trench silicon carbide power device ay may mas mababang unit consistency at may mas kumplikadong proseso ng pagmamanupaktura. Gayunpaman, ang istraktura ng trench ay nakakatulong sa pagtaas ng density ng yunit ng aparato at mas malamang na makagawa ng JFET effect, na kapaki-pakinabang sa paglutas ng problema ng kadaliang mapakilos ng channel. Ito ay may mahusay na mga katangian tulad ng maliit na on-resistance, maliit na parasitic capacitance, at mababang switching energy consumption. Mayroon itong makabuluhang mga pakinabang sa gastos at pagganap at naging pangunahing direksyon ng pagbuo ng mga aparatong kapangyarihan ng silicon carbide. Ayon sa opisyal na website ng Rohm, ang ROHM Gen3 structure (Gen1 Trench structure) ay 75% lamang ng Gen2 (Plannar2) chip area, at ang on-resistance ng ROHM Gen3 structure ay nababawasan ng 50% sa ilalim ng parehong laki ng chip.

Ang Silicon carbide substrate, epitaxy, front-end, R&D na mga gastos at iba pa ay nagkakaloob ng 47%, 23%, 19%, 6% at 5% ng gastos sa pagmamanupaktura ng mga silicon carbide device ayon sa pagkakabanggit.

Sa wakas, tututukan namin ang pagsira sa mga teknikal na hadlang ng mga substrate sa chain ng industriya ng silicon carbide.

Ang proseso ng paggawa ng mga substrate ng silicon carbide ay katulad ng sa mga substrate na nakabatay sa silikon, ngunit mas mahirap.
Ang proseso ng pagmamanupaktura ng silicon carbide substrate sa pangkalahatan ay kinabibilangan ng hilaw na materyal synthesis, paglaki ng kristal, pagpoproseso ng ingot, pagputol ng ingot, paggiling ng wafer, pag-polish, paglilinis at iba pang mga link.
Ang yugto ng paglaki ng kristal ay ang ubod ng buong proseso, at tinutukoy ng hakbang na ito ang mga de-koryenteng katangian ng substrate ng silicon carbide.

Ang mga materyales ng silicone carbide ay mahirap lumaki sa likidong bahagi sa ilalim ng normal na mga kondisyon. Ang paraan ng paglago ng vapor phase na sikat sa merkado ngayon ay may temperatura ng paglago sa itaas 2300°C at nangangailangan ng tumpak na kontrol sa temperatura ng paglago. Ang buong proseso ng operasyon ay halos mahirap obserbahan. Ang isang bahagyang error ay hahantong sa pag-scrap ng produkto. Sa paghahambing, ang mga materyales ng silikon ay nangangailangan lamang ng 1600 ℃, na mas mababa. Ang paghahanda ng mga substrate ng silicon carbide ay nahaharap din sa mga paghihirap tulad ng mabagal na paglaki ng kristal at mataas na mga kinakailangan sa anyo ng kristal. Ang paglaki ng silicone carbide wafer ay tumatagal ng humigit-kumulang 7 hanggang 10 araw, habang ang paghila ng silicon rod ay tumatagal lamang ng 2 at kalahating araw. Bukod dito, ang silicon carbide ay isang materyal na ang katigasan ay pangalawa lamang sa brilyante. Malaki ang mawawala sa panahon ng pagputol, paggiling, at pag-polish, at ang output ratio ay 60% lamang.

Alam namin na ang trend ay upang madagdagan ang laki ng silicon carbide substrates, habang ang laki ay patuloy na tumataas, ang mga kinakailangan para sa diameter expansion teknolohiya ay nagiging mas mataas at mas mataas. Nangangailangan ito ng kumbinasyon ng iba't ibang mga elemento ng teknikal na kontrol upang makamit ang umuulit na paglaki ng mga kristal.