Тэхнічныя цяжкасці стабільнай масавай вытворчасці высакаякасных пласцін карбіду крэмнію са стабільнымі характарыстыкамі ўключаюць:
1) Паколькі крышталі павінны расці ў герметычным асяроддзі з высокай тэмпературай вышэй за 2000°C, патрабаванні да кантролю тэмпературы надзвычай высокія;
2) Паколькі карбід крэмнію мае больш за 200 крышталічных структур, але толькі некалькі структур монакрышталічнага карбіду крэмнію з'яўляюцца неабходнымі паўправадніковымі матэрыяламі, суадносіны крэмнію і вугляроду, градыент тэмпературы росту і рост крышталяў неабходна дакладна кантраляваць падчас працэсу росту крышталяў. Такія параметры, як хуткасць і ціск паветранага патоку;
3) Пры метадзе газафазнай перадачы тэхналогія пашырэння дыяметра крышталяў карбіду крэмнію надзвычай складаная;
4) Цвёрдасць карбіду крэмнію блізкая да цвёрдасці алмаза, і метады рэзкі, шліфоўкі і паліроўкі складаныя.
Эпітаксіяльныя пласціны з карбіду крэмнію: звычайна вырабляюцца метадам хімічнага асаджэння з паравой фазы (CVD). У залежнасці ад тыпу легавання яны падзяляюцца на эпітаксіяльныя пласціны n-тыпу і p-тыпу. Айчынныя кампаніі Hantian Tiancheng і Dongguan Tianyu ўжо могуць пастаўляць эпітаксіяльныя пласціны з карбіду крэмнію памерам 4/6 цаляў. Эпітаксіяльную эпітаксію з карбіду крэмнію цяжка кантраляваць у галіне высокага напружання, і якасць эпітаксіяльнай эпітаксіі мае большы ўплыў на прылады з карбіду крэмнію. Акрамя таго, эпітаксіяльнае абсталяванне манапалізавана чатырма вядучымі кампаніямі галіны: Axitron, LPE, TEL і Nuflare.
Эпітаксіяльны карбід крэмніюПласціна адносіцца да пласціны з карбіду крэмнію, у якой на зыходнай падкладцы з карбіду крэмнію вырошчваецца монакрышталічная плёнка (эпітаксіяльны пласт) з пэўнымі патрабаваннямі, тыя ж, што і крышталь-падкладка. Эпітаксіяльны рост у асноўным выкарыстоўваецца на абсталяванні CVD (хімічнае асаджэнне з паравой фазы) або MBE (малекулярна-прамянёвая эпітаксія). Паколькі прылады з карбіду крэмнію вырабляюцца непасрэдна ў эпітаксіяльным пласце, якасць эпітаксіяльнага пласта непасрэдна ўплывае на прадукцыйнасць і выхад прылады. Па меры павелічэння ўласцівасцей прылады да напружання таўшчыня адпаведнага эпітаксіяльнага пласта становіцца ўсё таўсцейшай, і кантроль становіцца ўсё больш складаным. Як правіла, пры напружанні каля 600 В неабходная таўшчыня эпітаксіяльнага пласта складае каля 6 мікрон; пры напружанні паміж 1200-1700 В неабходная таўшчыня эпітаксіяльнага пласта дасягае 10-15 мікрон. Калі напружанне дасягае больш за 10 000 вольт, можа спатрэбіцца таўшчыня эпітаксіяльнага пласта больш за 100 мікрон. Па меры павелічэння таўшчыні эпітаксіяльнага пласта становіцца ўсё цяжэй кантраляваць аднастайнасць таўшчыні і супраціўлення, а таксама шчыльнасць дэфектаў.
Прылады з карбіду крэмнію: на міжнародным узроўні прамысловымі былі асвоены карбід крэмнію, дыяпазон 600-1700 В, і карбідныя раздымы (SBD) і МАП-транзістары (MOSFET). Асноўныя прадукты працуюць на напружанні ніжэй за 1200 В і ў асноўным выкарыстоўваюць корпус TO. Што тычыцца цэн, то прадукты з карбіду крэмнію на міжнародным рынку каштуюць прыкладна ў 5-6 разоў даражэй, чым іх крэмніевыя аналагі. Аднак цэны штогод зніжаюцца на 10%. З пашырэннем вытворчасці матэрыялаў і прылад у бліжэйшыя 2-3 гады прапанова на рынку павялічыцца, што прывядзе да далейшага зніжэння цэн. Чакаецца, што калі цана дасягне 2-3 разоў вышэйшай, чым у прадукцыі з крэмнію, перавагі, якія прыносяць зніжэнне выдаткаў на сістэму і паляпшэнне прадукцыйнасці, паступова прымусяць карбід крэмнію заняць месца на рынку прылад з крэмнію.
Традыцыйная ўпакоўка заснавана на падкладках на аснове крэмнію, у той час як паўправадніковыя матэрыялы трэцяга пакалення патрабуюць цалкам новай канструкцыі. Выкарыстанне традыцыйных структур упакоўкі на аснове крэмнію для шырокапалосных сілавых прылад можа прывесці да новых праблем і цяжкасцей, звязаных з частатой, кіраваннем тэмпературай і надзейнасцю. Сілавыя прылады на аснове карбіду крэмнію больш адчувальныя да паразітнай ёмістасці і індуктыўнасці. У параўнанні з прыладамі на аснове крэмнію, сілавыя чыпы на аснове карбіду крэмнію маюць больш высокую хуткасць пераключэння, што можа прывесці да перавышэння напружання, ваганняў, павелічэння страт пры пераключэнні і нават няспраўнасцяў прылады. Акрамя таго, сілавыя прылады на аснове карбіду крэмнію працуюць пры больш высокіх тэмпературах, што патрабуе больш складаных метадаў кіравання тэмпературай.
У галіне шырокапалоснай паўправадніковай упакоўкі сілавых модуляў быў распрацаваны шэраг розных структур. Традыцыйная ўпакоўка сілавых модуляў на аснове крэмнію больш не падыходзіць. Каб вырашыць праблемы высокіх паразітных параметраў і нізкай эфектыўнасці рассейвання цяпла традыцыйнай упакоўкі сілавых модуляў на аснове крэмнію, у сваёй канструкцыі ўпакоўкі сілавых модуляў на аснове карбіду крэмнію выкарыстоўваюцца бесправадныя ўзаемасувязі і тэхналогіі двухбаковага астуджэння, а таксама матэрыялы падкладкі з лепшай цеплаправоднасцю. Была зроблена спроба інтэграваць раздзяляльныя кандэнсатары, датчыкі тэмпературы/току і схемы кіравання ў структуру модуля, і быў распрацаваны шэраг розных тэхналогій упакоўкі модуляў. Акрамя таго, існуюць высокія тэхнічныя бар'еры для вытворчасці прылад на аснове карбіду крэмнію і высокія выдаткі на вытворчасць.
Прылады з карбіду крэмнію вырабляюцца шляхам нанясення эпітаксіяльных слаёў на падкладку з карбіду крэмнію з дапамогай хімічнага осаду (ХАГП). Працэс уключае ачыстку, акісленне, фоталітаграфію, травленне, выдаленне фотарэзісту, іённую імплантацыю, хімічнае асаджэнне нітрыду крэмнію з паравой фазы, паліроўку, распыленне і наступныя этапы апрацоўкі для фарміравання структуры прылады на монакрышталічнай падкладцы з карбіду крэмнію. Асноўнымі тыпамі сілавых прылад з карбіду крэмнію з'яўляюцца дыёды з карбіду крэмнію, транзістары з карбіду крэмнію і сілавыя модулі з карбіду крэмнію. З-за такіх фактараў, як нізкая хуткасць вытворчасці матэрыялаў і нізкі ўзровень выхаду, прылады з карбіду крэмнію маюць адносна высокія вытворчыя выдаткі.
Акрамя таго, вытворчасць прылад з карбіду крэмнію мае пэўныя тэхнічныя цяжкасці:
1) Неабходна распрацаваць спецыяльны працэс, які адпавядае характарыстыкам карбід-крэмніевых матэрыялаў. Напрыклад: SiC мае высокую тэмпературу плаўлення, што робіць традыцыйную тэрмічную дыфузію неэфектыўнай. Неабходна выкарыстоўваць метад легіравання іённай імплантацыі і дакладна кантраляваць такія параметры, як тэмпература, хуткасць нагрэву, працягласць і паток газу; SiC інертны да хімічных растваральнікаў. Варта выкарыстоўваць такія метады, як сухое травленне, а таксама аптымізаваць і распрацоўваць матэрыялы маскі, газавыя сумесі, кантроль нахілу бакавых сценак, хуткасць травлення, шурпатасць бакавых сценак і г.д.;
2) Выраб металічных электродаў на пласцінах карбіду крэмнію патрабуе кантактнага супраціўлення ніжэй за 10⁻⁶ Ом². Матэрыялы электродаў, якія адпавядаюць патрабаванням, Ni і Al, маюць дрэнную тэрмічную стабільнасць вышэй за 100°C, але Al/Ni мае лепшую тэрмічную стабільнасць. Кантактнае ўдзельнае супраціўленне кампазітнага матэрыялу электродаў /W/Au на 10⁻⁶ Ом² вышэйшае;
3) Карбід крэмнію (SiC) мае высокі знос пры рэзанні, а па цвёрдасці SiC саступае толькі алмазу, што вылучае больш высокія патрабаванні да тэхналогій рэзання, шліфавання, паліроўкі і іншых.
Акрамя таго, траншэйныя сілавыя прылады з карбіду крэмнію складаней вырабляць. У залежнасці ад структуры прылад, сілавыя прылады з карбіду крэмнію можна ў асноўным падзяліць на планарныя і траншэйныя. Планарныя сілавыя прылады з карбіду крэмнію маюць добрую кансістэнцыю адзінак і просты вытворчы працэс, але схільныя да эфекту JFET і маюць высокую паразітную ёмістасць і супраціўленне ўключанаму стану. У параўнанні з планарнымі прыладамі, траншэйныя сілавыя прылады з карбіду крэмнію маюць меншую кансістэнцыю адзінак і больш складаны вытворчы працэс. Аднак траншэйная структура спрыяе павелічэнню шчыльнасці адзінак прылады і менш верагодна стварае эфект JFET, што спрыяе вырашэнню праблемы мабільнасці канала. Яна мае выдатныя ўласцівасці, такія як малое супраціўленне ўключанаму стану, малая паразітная ёмістасць і нізкае спажыванне энергіі пры пераключэнні. Яна мае значныя перавагі ў кошце і прадукцыйнасці і стала асноўным напрамкам распрацоўкі сілавых прылад з карбіду крэмнію. Паводле афіцыйнага сайта Rohm, структура ROHM Gen3 (траншэйная структура Gen1) складае толькі 75% плошчы чыпа Gen2 (Plannar2), а супраціўленне ўключанаму стану структуры ROHM Gen3 зніжаецца на 50% пры тым жа памеры чыпа.
Выдаткі на падкладку з карбіду крэмнію, эпітаксію, пачатковы этап, выдаткі на даследаванні і распрацоўкі і іншыя складаюць адпаведна 47%, 23%, 19%, 6% і 5% ад вытворчых выдаткаў прылад з карбіду крэмнію.
Нарэшце, мы засяродзімся на ліквідацыі тэхнічных бар'ераў субстратаў у ланцужку вытворчасці карбіду крэмнію.
Працэс вытворчасці падкладак з карбіду крэмнію падобны да працэсу вытворчасці падкладак на аснове крэмнію, але больш складаны.
Вытворчы працэс падкладкі з карбіду крэмнію звычайна ўключае сінтэз сыравіны, вырошчванне крышталяў, апрацоўку зліткаў, рэзку зліткаў, шліфоўку пласцін, паліроўку, ачыстку і іншыя звяны.
Этап росту крышталя з'яўляецца асновай усяго працэсу, і гэты крок вызначае электрычныя ўласцівасці падкладкі з карбіду крэмнію.
Карбід-крэмніевыя матэрыялы цяжка вырошчваць у вадкай фазе ў звычайных умовах. Папулярны на сённяшнім рынку метад росту ў паравой фазе патрабуе тэмпературы росту вышэй за 2300°C і дакладнага кантролю тэмпературы росту. Увесь працэс практычна немагчыма назіраць. Невялікая памылка прывядзе да браку прадукту. Для параўнання, крэмніевыя матэрыялы патрабуюць толькі 1600℃, што значна ніжэй. Падрыхтоўка падкладак з карбіду крэмнію таксама сутыкаецца з такімі цяжкасцямі, як павольны рост крышталяў і высокія патрабаванні да формы крышталя. Вырошчванне пласцін карбіду крэмнію займае каля 7-10 дзён, а выцягванне крэмніевага стрыжня — усяго 2 з паловай дні. Акрамя таго, карбід крэмнію — гэта матэрыял, цвёрдасць якога саступае толькі алмазу. Ён шмат губляе падчас рэзання, шліфавання і паліроўкі, а выхадны каэфіцыент складае ўсяго 60%.
Мы ведаем, што тэндэнцыя заключаецца ў павелічэнні памеру падкладак з карбіду крэмнію, і па меры павелічэння памеру патрабаванні да тэхналогіі пашырэння дыяметра становяцца ўсё вышэйшымі. Для дасягнення ітэрацыйнага росту крышталяў патрабуецца спалучэнне розных тэхнічных элементаў кіравання.
Час публікацыі: 22 мая 2024 г.