Технічні труднощі стабільного масового виробництва високоякісних пластин карбіду кремнію зі стабільною продуктивністю включають:
1) Оскільки кристали повинні рости у високотемпературному закритому середовищі вище 2000 °C, вимоги до контролю температури надзвичайно високі;
2) Оскільки карбід кремнію має понад 200 кристалічних структур, але лише кілька структур монокристалічного карбіду кремнію є необхідними напівпровідниковими матеріалами, співвідношення кремній-вуглець, температурний градієнт росту та ріст кристалів необхідно точно контролювати під час процес росту кристалів. Такі параметри, як швидкість і тиск повітряного потоку;
3) Відповідно до методу пропускання парів, технологія розширення діаметра кристалів карбіду кремнію надзвичайно складна;
4) Твердість карбіду кремнію близька до алмазу, а методи різання, шліфування та полірування є складними.
Епітаксіальні пластини SiC: зазвичай виготовляються методом хімічного осадження з газової фази (CVD). За різними типами легування вони поділяються на епітаксіальні пластини n-типу та p-типу. Вітчизняні Hantian Tiancheng і Dongguan Tianyu вже можуть виробляти 4-дюймові/6-дюймові епітаксіальні пластини SiC. Для SiC епітаксії важко контролювати в полі високої напруги, і якість SiC епітаксії має більший вплив на SiC пристрої. Крім того, епітаксіальне обладнання монополізовано чотирма провідними компаніями галузі: Axitron, LPE, TEL і Nuflare.
Епітаксіальний карбід кремніюпластина відноситься до пластини карбіду кремнію, в якій монокристалічна плівка (епітаксійний шар) з певними вимогами та такими самими, як кристал підкладки, вирощується на вихідній підкладці карбіду кремнію. Для епітаксійного росту в основному використовується обладнання CVD (хімічне осадження з парової фази) або обладнання MBE (молекулярно-променева епітаксія). Оскільки пристрої з карбіду кремнію виготовляються безпосередньо в епітаксійному шарі, якість епітаксійного шару безпосередньо впливає на продуктивність і продуктивність пристрою. У міру того як стійкість пристрою до напруги продовжує зростати, товщина відповідного епітаксійного шару стає товщі, а контроль ускладнюється. Зазвичай, коли напруга близько 600 В, необхідна товщина епітаксійного шару становить близько 6 мікрон; при напрузі 1200-1700 В необхідна товщина епітаксійного шару досягає 10-15 мкм. Якщо напруга перевищує 10 000 вольт, може знадобитися товщина епітаксійного шару більше 100 мікрон. Оскільки товщина епітаксійного шару продовжує збільшуватися, стає все важче контролювати однорідність товщини та питомого опору та щільність дефектів.
SiC-пристрої: на міжнародному рівні 600~1700V SiC SBD і MOSFET були індустріалізовані. Основні продукти працюють при рівнях напруги нижче 1200 В і в основному використовують упаковку TO. З точки зору ціноутворення, продукти SiC на міжнародному ринку коштують приблизно в 5-6 разів вище, ніж аналоги SiC. Проте щорічно ціни падають на 10%. із розширенням виробництва матеріалів і пристроїв у першу чергу протягом наступних 2-3 років пропозиція на ринку зросте, що призведе до подальшого зниження цін. Очікується, що коли ціна в 2-3 рази перевищить ціну на кремнієві продукти, переваги, пов’язані зі зниженням вартості системи та покращеною продуктивністю, поступово змусять SiC зайняти ринок пристроїв із кремнію.
Традиційна упаковка базується на підкладках на основі кремнію, тоді як напівпровідникові матеріали третього покоління вимагають абсолютно нового дизайну. Використання традиційних структур на основі кремнію для пристроїв живлення з широкою забороненою зоною може створити нові проблеми та проблеми, пов’язані з частотою, керуванням температурою та надійністю. Силові пристрої SiC більш чутливі до паразитної ємності та індуктивності. Порівняно з пристроями Si, мікросхеми живлення SiC мають вищу швидкість перемикання, що може призвести до перерегулювання, коливань, збільшення втрат при перемиканні та навіть несправності пристрою. Крім того, силові пристрої з SiC працюють при більш високих температурах, що вимагає більш досконалих методів управління температурою.
У галузі широкозонних напівпровідникових силових упаковок було розроблено безліч різних структур. Традиційне пакування модулів живлення на основі Si більше не підходить. Щоб вирішити проблеми з високими паразитними параметрами та низькою ефективністю розсіювання тепла традиційної упаковки модулів живлення на основі кремнію, упаковка модулів живлення SiC використовує бездротове з’єднання та технологію двостороннього охолодження у своїй структурі, а також використовує матеріали підкладки з кращими тепловими властивостями. провідності, і намагався інтегрувати розв’язувальні конденсатори, датчики температури/струму та схеми приводу в структуру модуля, а також розробив різноманітні технології упаковки модулів. Крім того, існують високі технічні бар'єри для виробництва пристроїв із SiC, а витрати на виробництво високі.
Пристрої з карбіду кремнію виготовляються шляхом нанесення епітаксійних шарів на підкладку з карбіду кремнію методом CVD. Процес включає очищення, окислення, фотолітографію, травлення, зняття фоторезисту, іонну імплантацію, хімічне осадження нітриду кремнію з парової фази, полірування, напилення та наступні етапи обробки для формування структури пристрою на монокристалічній підкладці SiC. Основні типи силових пристроїв SiC включають SiC діоди, SiC транзистори та силові модулі SiC. Через такі фактори, як повільна швидкість виробництва матеріалів і низький рівень виходу, пристрої з карбіду кремнію мають відносно високі витрати на виробництво.
Крім того, виготовлення пристрою з карбіду кремнію має певні технічні труднощі:
1) Необхідно розробити спеціальний процес, який узгоджується з характеристиками матеріалів з карбіду кремнію. Наприклад: SiC має високу температуру плавлення, що робить традиційну термодифузію неефективною. Необхідно використовувати метод легування іонною імплантацією та точно контролювати такі параметри, як температура, швидкість нагрівання, тривалість і потік газу; SiC інертний до хімічних розчинників. Слід використовувати такі методи, як сухе травлення, а матеріали маски, газові суміші, контроль нахилу бічної стінки, швидкість травлення, шорсткість бічної стінки тощо повинні бути оптимізовані та розроблені;
2) Виготовлення металевих електродів на пластинах карбіду кремнію вимагає контактного опору нижче 10-5 Ом2. Матеріали електродів, які відповідають вимогам, Ni та Al, мають погану термічну стабільність вище 100°C, але Al/Ni має кращу термічну стабільність. Контактний питомий опір /W/Au композитного електродного матеріалу на 10-3Ω2 вище;
3) SiC має високий знос при різанні, а твердість SiC поступається лише алмазу, що висуває підвищені вимоги до різання, шліфування, полірування та інших технологій.
Крім того, траншейні силові пристрої з карбіду кремнію складніше виготовити. Відповідно до різних структур пристроїв силові пристрої з карбіду кремнію можна в основному розділити на планарні пристрої та траншейні пристрої. Планарні пристрої живлення з карбіду кремнію мають гарну узгодженість і простий процес виробництва, але схильні до ефекту JFET і мають високу паразитну ємність і опір у відкритому стані. Порівняно з планарними пристроями траншейні силові пристрої з карбіду кремнію мають нижчу однорідність і мають більш складний процес виробництва. Однак структура траншеї сприяє збільшенню щільності блоків пристроїв і з меншою ймовірністю створює ефект JFET, що є корисним для вирішення проблеми мобільності каналу. Він має чудові властивості, такі як малий опір увімкнення, мала паразитна ємність і низьке споживання енергії при перемиканні. Він має значні переваги в ціні та продуктивності та став основним напрямком розвитку силових пристроїв з карбіду кремнію. Згідно з офіційним веб-сайтом Rohm, структура ROHM Gen3 (структура Gen1 Trench) займає лише 75% площі мікросхеми Gen2 (Plannar2), а опір увімкненню структури ROHM Gen3 зменшується на 50% за того самого розміру мікросхеми.
Витрати на підкладку з карбіду кремнію, епітаксію, інтерфейс, R&D та інші становлять 47%, 23%, 19%, 6% і 5% вартості виробництва пристроїв з карбіду кремнію відповідно.
Нарешті, ми зосередимося на подоланні технічних бар’єрів підкладок у ланцюжку виробництва карбіду кремнію.
Процес виробництва підкладок з карбіду кремнію подібний до підкладок на основі кремнію, але складніший.
Процес виробництва підкладки з карбіду кремнію, як правило, включає синтез сировини, зростання кристалів, обробку зливків, різання зливків, шліфування пластин, полірування, очищення та інші ланки.
Стадія росту кристалів є ядром усього процесу, і ця стадія визначає електричні властивості підкладки з карбіду кремнію.
Матеріали з карбіду кремнію важко виростити в рідкій фазі за нормальних умов. Метод вирощування в паровій фазі, популярний сьогодні на ринку, має температуру вирощування вище 2300°C і вимагає точного контролю температури вирощування. Весь процес роботи майже важко спостерігати. Незначна помилка призведе до утилізації продукту. Для порівняння, кремнієві матеріали потребують лише 1600 ℃, що набагато нижче. Підготовка підкладок з карбіду кремнію також стикається з труднощами, такими як повільний ріст кристалів і високі вимоги до кристалічної форми. Вирощування пластини з карбіду кремнію займає від 7 до 10 днів, тоді як витягування кремнієвого стрижня займає лише 2 з половиною дні. Крім того, карбід кремнію є матеріалом, твердість якого поступається лише алмазу. Він втратить багато під час різання, шліфування та полірування, а вихідний коефіцієнт становить лише 60%.
Ми знаємо, що тенденція полягає в тому, щоб збільшити розмір підкладок з карбіду кремнію, оскільки розмір продовжує збільшуватися, вимоги до технології розширення діаметра стають все вищими і вищими. Це вимагає поєднання різних технічних елементів контролю для досягнення ітераційного росту кристалів.
Час публікації: 22 травня 2024 р