Техническите трудности при стабилното масово производство на висококачествени силициево-карбидни пластини със стабилна производителност включват:
1) Тъй като кристалите трябва да растат във високотемпературна запечатана среда над 2000°C, изискванията за контрол на температурата са изключително високи;
2) Тъй като силициевият карбид има повече от 200 кристални структури, но само няколко структури от монокристален силициев карбид са необходимите полупроводникови материали, съотношението силиций-въглерод, температурният градиент на растеж и растежът на кристалите трябва да бъдат прецизно контролирани по време на процеса на растеж на кристалите. Параметри като скорост и налягане на въздушния поток;
3) При метода на предаване в парофазна фаза, технологията за разширяване на диаметъра на растежа на кристали от силициев карбид е изключително трудна;
4) Твърдостта на силициевия карбид е близка до тази на диаманта, а техниките за рязане, шлифоване и полиране са трудни.
SiC епитаксиални пластини: обикновено се произвеждат чрез метод на химическо отлагане от пари (CVD). Според различните видове легиране, те се разделят на n-тип и p-тип епитаксиални пластини. Местните Hantian Tiancheng и Dongguan Tianyu вече могат да доставят 4-инчови/6-инчови SiC епитаксиални пластини. SiC епитаксията е трудна за контрол във високоволтовата област и качеството на SiC епитаксията има по-голямо влияние върху SiC устройствата. Освен това, епитаксиалното оборудване е монополизирано от четирите водещи компании в индустрията: Axitron, LPE, TEL и Nuflare.
Епитаксиален силициев карбидВафла се отнася до силициево-карбидна вафла, в която върху оригиналния силициево-карбиден субстрат се отглежда монокристален филм (епитаксиален слой) с определени изисквания, същите като кристала на субстрата. Епитаксиалният растеж се извършва главно чрез CVD (химическо отлагане от пари) оборудване или MBE (молекулярно-лъчева епитаксия). Тъй като силициево-карбидните устройства се произвеждат директно в епитаксиалния слой, качеството на епитаксиалния слой влияе пряко върху производителността и добива на устройството. С увеличаването на издръжливостта на устройството на напрежение, дебелината на съответния епитаксиален слой става все по-дебела и контролът става по-труден. Обикновено, когато напрежението е около 600 V, необходимата дебелина на епитаксиалния слой е около 6 микрона; когато напрежението е между 1200-1700 V, необходимата дебелина на епитаксиалния слой достига 10-15 микрона. Ако напрежението достигне повече от 10 000 волта, може да се изисква дебелина на епитаксиалния слой над 100 микрона. С увеличаването на дебелината на епитаксиалния слой става все по-трудно да се контролира еднородността на дебелината и съпротивлението, както и плътността на дефектите.
SiC устройства: В международен план, 600~1700V SiC SBD и MOSFET са индустриализирани. Основните продукти работят на нива на напрежение под 1200V и предимно използват TO корпус. По отношение на цените, SiC продуктите на международния пазар са с около 5-6 пъти по-високи цени от техните Si аналози. Цените обаче намаляват с годишен темп от 10%. С разширяването на производството на суровини и устройства през следващите 2-3 години, предлагането на пазара ще се увеличи, което ще доведе до по-нататъшно намаление на цените. Очаква се, когато цената достигне 2-3 пъти по-висока от тази на Si продуктите, предимствата, произтичащи от намалените системни разходи и подобрената производителност, постепенно да накарат SiC да заеме пазарното пространство на Si устройствата.
Традиционните опаковки са базирани на силициеви подложки, докато полупроводниковите материали от трето поколение изискват изцяло нов дизайн. Използването на традиционни силициеви опаковъчни структури за широколентови захранващи устройства може да доведе до нови проблеми и предизвикателства, свързани с честотата, управлението на температурата и надеждността. SiC захранващите устройства са по-чувствителни към паразитен капацитет и индуктивност. В сравнение със Si устройствата, SiC захранващите чипове имат по-бързи скорости на превключване, което може да доведе до превишаване, трептене, увеличени загуби при превключване и дори неизправности на устройството. Освен това, SiC захранващите устройства работят при по-високи температури, което изисква по-усъвършенствани техники за управление на температурата.
В областта на широколентовия полупроводников силов корпус са разработени различни структури. Традиционният силов корпус на базата на Si вече не е подходящ. За да се решат проблемите с високите паразитни параметри и ниската ефективност на разсейване на топлината при традиционния силов корпус на базата на Si, SiC силовият корпус използва безжична взаимосвързка и технология за двустранно охлаждане, а също така използва материали за подложка с по-добра топлопроводимост. В структурата на модула се опитват да се интегрират разделителни кондензатори, сензори за температура/ток и задвижващи схеми, като по този начин се разработват различни технологии за корпусиране на модули. Освен това, производството на SiC устройства е свързано с високи технически бариери и производствените разходи са високи.
Силициево-карбидните устройства се произвеждат чрез отлагане на епитаксиални слоеве върху силициево-карбиден субстрат чрез CVD. Процесът включва почистване, окисляване, фотолитография, ецване, отстраняване на фоторезист, йонна имплантация, химическо отлагане на силициев нитрид от пари, полиране, разпрашване и последващи стъпки на обработка за формиране на структурата на устройството върху монокристалния SiC субстрат. Основните видове SiC захранващи устройства включват SiC диоди, SiC транзистори и SiC захранващи модули. Поради фактори като бавна скорост на производство на материала и ниски нива на добив, силициево-карбидните устройства имат относително високи производствени разходи.
Освен това, производството на устройства от силициев карбид е свързано с определени технически трудности:
1) Необходимо е да се разработи специфичен процес, който е съвместим с характеристиките на силициево-карбидните материали. Например: SiC има висока точка на топене, което прави традиционната термична дифузия неефективна. Необходимо е да се използва метод за йонно имплантиране с допиране и точно да се контролират параметри като температура, скорост на нагряване, продължителност и газов поток; SiC е инертен към химически разтворители. Трябва да се използват методи като сухо ецване, а материалите за маски, газовите смеси, контролът на наклона на страничните стени, скоростта на ецване, грапавостта на страничните стени и др. трябва да бъдат оптимизирани и разработени;
2) Производството на метални електроди върху силициево-карбидни пластини изисква контактно съпротивление под 10-5Ω2. Материалите на електродите, които отговарят на изискванията, Ni и Al, имат лоша термична стабилност над 100°C, но Al/Ni има по-добра термична стабилност. Специфичното контактно съпротивление на композитния електроден материал /W/Au е с 10-3Ω2 по-високо;
3) SiC има високо износване при рязане, а твърдостта на SiC е втора след диаманта, което поставя по-високи изисквания за рязане, шлифоване, полиране и други технологии.
Освен това, траншейните силициево-карбидни захранващи устройства са по-трудни за производство. Според различните структури на устройствата, силициево-карбидните захранващи устройства могат да бъдат разделени главно на планарни и траншейни. Планарните силициево-карбидни захранващи устройства имат добра консистенция на устройствата и прост производствен процес, но са склонни към JFET ефект и имат висок паразитен капацитет и съпротивление във включено състояние. В сравнение с планарните устройства, траншейните силициево-карбидни захранващи устройства имат по-ниска консистенция на устройствата и по-сложен производствен процес. Траншейната структура обаче благоприятства увеличаване на плътността на устройствата и е по-малко вероятно да предизвика JFET ефект, което е полезно за решаване на проблема с мобилността на каналите. Тя има отлични свойства като малко съпротивление във включено състояние, малък паразитен капацитет и ниска консумация на енергия при превключване. Тя има значителни предимства по отношение на разходите и производителността и се е превърнала в основна насока в развитието на силициево-карбидни захранващи устройства. Според официалния уебсайт на Rohm, структурата ROHM Gen3 (траншейна структура Gen1) е само 75% от площта на чипа Gen2 (Plannar2), а съпротивлението във включено състояние на структурата ROHM Gen3 е намалено с 50% при същия размер на чипа.
Разходите за силициево-карбидна подложка, епитаксия, преден край, разходи за научноизследователска и развойна дейност и други представляват съответно 47%, 23%, 19%, 6% и 5% от производствените разходи за силициево-карбидни устройства.
Накрая ще се съсредоточим върху премахването на техническите бариери на субстратите във веригата на силициево-карбидната индустрия.
Процесът на производство на силициево-карбидни субстрати е подобен на този на силициеви субстрати, но е по-сложен.
Производственият процес на силициево-карбиден субстрат обикновено включва синтез на суровини, растеж на кристали, обработка на слитъци, рязане на слитъци, шлайфане на пластини, полиране, почистване и други звена.
Етапът на растеж на кристалите е ядрото на целия процес и тази стъпка определя електрическите свойства на силициево-карбидния субстрат.
Силициево-карбидните материали са трудни за отглеждане в течна фаза при нормални условия. Методът за растеж в парообразна фаза, популярен на пазара днес, има температура на растеж над 2300°C и изисква прецизен контрол на температурата на растеж. Целият оперативен процес е почти труден за наблюдение. Дори малка грешка ще доведе до бракуване на продукта. За сравнение, силициевите материали изискват само 1600℃, което е много по-ниско. Подготовката на силициево-карбидни субстрати също е изправена пред трудности, като например бавен растеж на кристалите и високи изисквания за кристална форма. Отглеждането на силициево-карбидни пластини отнема около 7 до 10 дни, докато издърпването на силициеви пръти отнема само 2 дни и половина. Освен това, силициевият карбид е материал, чиято твърдост е втора след диаманта. Той губи много по време на рязане, шлифоване и полиране, а коефициентът на изход е само 60%.
Знаем, че тенденцията е към увеличаване на размера на силициево-карбидните подложки. С нарастването на размера изискванията за технология за разширяване на диаметъра стават все по-високи. Това изисква комбинация от различни технически контролни елементи, за да се постигне итеративен растеж на кристали.
Време на публикуване: 22 май 2024 г.