Những khó khăn kỹ thuật trong việc sản xuất hàng loạt tấm silicon cacbua chất lượng cao với hiệu suất ổn định bao gồm:
1) Vì tinh thể cần phát triển trong môi trường kín có nhiệt độ cao trên 2000°C nên yêu cầu kiểm soát nhiệt độ là cực kỳ cao;
2) Vì cacbua silic có hơn 200 cấu trúc tinh thể, nhưng chỉ có một số cấu trúc của cacbua silic đơn tinh thể là vật liệu bán dẫn cần thiết, nên tỷ lệ silicon-cacbon, gradient nhiệt độ tăng trưởng và sự phát triển của tinh thể cần phải được kiểm soát chính xác trong quá trình quá trình phát triển tinh thể. Các thông số như tốc độ và áp suất dòng khí;
3) Theo phương pháp truyền pha hơi, công nghệ mở rộng đường kính của sự phát triển tinh thể cacbua silic là vô cùng khó khăn;
4) Độ cứng của cacbua silic gần bằng kim cương và kỹ thuật cắt, mài và đánh bóng rất khó.
Tấm epiticular SiC: thường được sản xuất bằng phương pháp lắng đọng hơi hóa học (CVD). Theo các loại doping khác nhau, chúng được chia thành các tấm epiticular loại n và loại p. Hantian Tianzheng và Dongguan Tianyu trong nước đã có thể cung cấp tấm wafer epiticular SiC 4 inch/6 inch. Đối với epit Wax SiC, rất khó kiểm soát trong trường điện áp cao và chất lượng của epit Wax SiC có tác động lớn hơn đến các thiết bị SiC. Hơn nữa, thiết bị epiticular được độc quyền bởi 4 công ty hàng đầu trong ngành: Axittron, LPE, TEL và Nuflare.
Epitaxit cacbua silicwafer dùng để chỉ một wafer cacbua silic trong đó một màng tinh thể đơn (lớp epiticular) với các yêu cầu nhất định và giống như tinh thể nền được phát triển trên nền cacbua silic ban đầu. Tăng trưởng epiticular chủ yếu sử dụng thiết bị CVD (Lắng đọng hơi hóa học) hoặc thiết bị MBE (Epitaxy chùm phân tử). Do các thiết bị cacbua silic được sản xuất trực tiếp trong lớp epitaxy nên chất lượng của lớp epitaxy ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu suất và năng suất của thiết bị. Khi hiệu suất chịu được điện áp của thiết bị tiếp tục tăng, độ dày của lớp epiticular tương ứng sẽ dày hơn và việc điều khiển trở nên khó khăn hơn. Nói chung, khi điện áp khoảng 600V, độ dày lớp epiticular yêu cầu là khoảng 6 micron; khi điện áp nằm trong khoảng 1200-1700V, độ dày lớp epiticular cần thiết đạt 10-15 micron. Nếu điện áp đạt hơn 10.000 volt, có thể cần độ dày lớp epiticular hơn 100 micron. Khi độ dày của lớp epiticular tiếp tục tăng, việc kiểm soát độ dày, độ đồng đều điện trở suất và mật độ khuyết tật ngày càng trở nên khó khăn.
Thiết bị SiC: Trên toàn thế giới, 600~1700V SiC SBD và MOSFET đã được công nghiệp hóa. Các sản phẩm phổ thông hoạt động ở mức điện áp dưới 1200V và chủ yếu sử dụng bao bì TO. Về giá cả, sản phẩm SiC trên thị trường quốc tế có giá cao hơn khoảng 5-6 lần so với sản phẩm SiC. Tuy nhiên, giá đang giảm với tốc độ hàng năm là 10%. với việc mở rộng sản xuất nguyên liệu và thiết bị thượng nguồn trong 2-3 năm tới, nguồn cung thị trường sẽ tăng lên, dẫn đến giá tiếp tục giảm. Dự kiến, khi giá đạt gấp 2-3 lần giá sản phẩm Si, lợi thế do chi phí hệ thống giảm và hiệu suất được cải thiện sẽ dần dần thúc đẩy SiC chiếm lĩnh thị trường thiết bị Si.
Bao bì truyền thống dựa trên chất nền gốc silicon, trong khi vật liệu bán dẫn thế hệ thứ ba yêu cầu thiết kế hoàn toàn mới. Việc sử dụng cấu trúc đóng gói dựa trên silicon truyền thống cho các thiết bị nguồn có dải rộng có thể gây ra các vấn đề và thách thức mới liên quan đến tần số, quản lý nhiệt và độ tin cậy. Các thiết bị nguồn SiC nhạy cảm hơn với điện dung và điện cảm ký sinh. So với các thiết bị Si, chip nguồn SiC có tốc độ chuyển mạch nhanh hơn, điều này có thể dẫn đến hiện tượng vọt lố, dao động, tăng tổn thất chuyển mạch và thậm chí là trục trặc thiết bị. Ngoài ra, các thiết bị nguồn SiC hoạt động ở nhiệt độ cao hơn, đòi hỏi các kỹ thuật quản lý nhiệt tiên tiến hơn.
Một loạt các cấu trúc khác nhau đã được phát triển trong lĩnh vực đóng gói năng lượng bán dẫn dải rộng. Việc đóng gói mô-đun nguồn dựa trên Si truyền thống không còn phù hợp nữa. Để giải quyết các vấn đề về thông số ký sinh cao và hiệu suất tản nhiệt kém của bao bì mô-đun nguồn dựa trên Si truyền thống, bao bì mô-đun nguồn SiC áp dụng kết nối không dây và công nghệ làm mát hai mặt trong cấu trúc của nó, đồng thời sử dụng vật liệu nền có khả năng tản nhiệt tốt hơn. dẫn điện, đồng thời cố gắng tích hợp các tụ điện tách rời, cảm biến nhiệt độ/dòng điện và mạch điều khiển vào cấu trúc mô-đun, đồng thời phát triển nhiều công nghệ đóng gói mô-đun khác nhau. Hơn nữa, có những rào cản kỹ thuật cao đối với việc sản xuất thiết bị SiC và chi phí sản xuất cao.
Các thiết bị cacbua silic được sản xuất bằng cách lắng đọng các lớp epiticular trên đế cacbua silic thông qua CVD. Quá trình này bao gồm làm sạch, oxy hóa, quang khắc, khắc axit, tước chất quang dẫn, cấy ion, lắng đọng hơi hóa học của silicon nitride, đánh bóng, phún xạ và các bước xử lý tiếp theo để hình thành cấu trúc thiết bị trên đế tinh thể đơn SiC. Các loại thiết bị nguồn SiC chính bao gồm điốt SiC, bóng bán dẫn SiC và mô-đun nguồn SiC. Do các yếu tố như tốc độ sản xuất vật liệu ngược dòng chậm và tỷ lệ năng suất thấp, các thiết bị cacbua silic có chi phí sản xuất tương đối cao.
Ngoài ra, việc sản xuất thiết bị cacbua silic còn có những khó khăn kỹ thuật nhất định:
1) Cần xây dựng một quy trình cụ thể phù hợp với đặc tính của vật liệu cacbua silic. Ví dụ: SiC có nhiệt độ nóng chảy cao khiến cho quá trình khuếch tán nhiệt truyền thống không hiệu quả. Cần sử dụng phương pháp pha tạp cấy ion và kiểm soát chính xác các thông số như nhiệt độ, tốc độ gia nhiệt, thời gian, lưu lượng khí; SiC trơ với dung môi hóa học. Nên sử dụng các phương pháp như khắc khô, đồng thời tối ưu hóa và phát triển các vật liệu mặt nạ, hỗn hợp khí, kiểm soát độ dốc của thành bên, tốc độ ăn mòn, độ nhám của thành bên, v.v.;
2) Việc sản xuất điện cực kim loại trên tấm silicon cacbua yêu cầu điện trở tiếp xúc dưới 10-5Ω2. Các vật liệu điện cực đáp ứng yêu cầu Ni và Al có độ ổn định nhiệt kém ở nhiệt độ trên 100°C, nhưng Al/Ni có độ ổn định nhiệt tốt hơn. Điện trở riêng tiếp xúc của vật liệu điện cực tổng hợp /W/Au cao hơn 10-3Ω2;
3) SiC có độ mòn cắt cao và độ cứng của SiC chỉ đứng sau kim cương, điều này đặt ra yêu cầu cao hơn cho việc cắt, mài, đánh bóng và các công nghệ khác.
Hơn nữa, các thiết bị năng lượng cacbua silic khó chế tạo hơn. Theo các cấu trúc thiết bị khác nhau, thiết bị năng lượng cacbua silic có thể được chia chủ yếu thành thiết bị phẳng và thiết bị rãnh. Các thiết bị nguồn cacbua silic phẳng có tính nhất quán đơn vị tốt và quy trình sản xuất đơn giản, nhưng dễ bị hiệu ứng JFET và có điện dung ký sinh cao cũng như điện trở trạng thái. So với các thiết bị phẳng, các thiết bị năng lượng cacbua silic có độ đồng nhất đơn vị thấp hơn và có quy trình sản xuất phức tạp hơn. Tuy nhiên, cấu trúc rãnh có lợi cho việc tăng mật độ đơn vị thiết bị và ít có khả năng tạo ra hiệu ứng JFET, điều này có lợi cho việc giải quyết vấn đề về tính di động của kênh. Nó có các đặc tính tuyệt vời như điện trở nhỏ, điện dung ký sinh nhỏ và mức tiêu thụ năng lượng chuyển mạch thấp. Nó có lợi thế đáng kể về chi phí và hiệu suất và đã trở thành hướng phát triển chủ đạo của các thiết bị năng lượng cacbua silic. Theo trang web chính thức của Rohm, cấu trúc ROHM Gen3 (cấu trúc Gen1 Trench) chỉ bằng 75% diện tích chip Gen2 (Plannar2) và khả năng kháng cự của cấu trúc ROHM Gen3 giảm 50% trong cùng kích thước chip.
Chất nền cacbua silic, chi phí epitaxy, chi phí đầu vào, chi phí R&D và các chi phí khác lần lượt chiếm 47%, 23%, 19%, 6% và 5% chi phí sản xuất của các thiết bị cacbua silic.
Cuối cùng, chúng tôi sẽ tập trung vào việc phá bỏ các rào cản kỹ thuật về chất nền trong chuỗi công nghiệp cacbua silic.
Quy trình sản xuất chất nền cacbua silic tương tự như chất nền gốc silicon, nhưng khó khăn hơn.
Quá trình sản xuất chất nền cacbua silic thường bao gồm tổng hợp nguyên liệu thô, tăng trưởng tinh thể, xử lý phôi, cắt phôi, mài wafer, đánh bóng, làm sạch và các liên kết khác.
Giai đoạn phát triển tinh thể là cốt lõi của toàn bộ quá trình và bước này xác định tính chất điện của chất nền cacbua silic.
Vật liệu cacbua silic khó phát triển ở pha lỏng trong điều kiện bình thường. Phương pháp tăng trưởng ở pha hơi phổ biến trên thị trường hiện nay có nhiệt độ tăng trưởng trên 2300°C và yêu cầu kiểm soát chính xác nhiệt độ tăng trưởng. Toàn bộ quá trình hoạt động gần như khó quan sát. Một sai sót nhỏ sẽ dẫn tới việc sản phẩm bị loại bỏ. So sánh, vật liệu silicon chỉ yêu cầu 1600oC, thấp hơn nhiều. Việc chuẩn bị chất nền cacbua silic cũng gặp phải những khó khăn như sự phát triển tinh thể chậm và yêu cầu về dạng tinh thể cao. Sự phát triển của tấm wafer cacbua silic mất khoảng 7 đến 10 ngày, trong khi việc kéo thanh silicon chỉ mất 2 ngày rưỡi. Hơn nữa, cacbua silic là vật liệu có độ cứng chỉ đứng sau kim cương. Nó sẽ mất rất nhiều trong quá trình cắt, mài và đánh bóng, và tỷ lệ đầu ra chỉ là 60%.
Chúng tôi biết rằng xu hướng là tăng kích thước của chất nền cacbua silic, khi kích thước tiếp tục tăng, yêu cầu về công nghệ mở rộng đường kính ngày càng cao hơn. Nó đòi hỏi sự kết hợp của nhiều yếu tố kiểm soát kỹ thuật khác nhau để đạt được sự tăng trưởng lặp đi lặp lại của tinh thể.
Thời gian đăng: 22-05-2024