Tehničke poteškoće u stabilnoj masovnoj proizvodnji visokokvalitetnih silicijum-karbidnih pločica sa stabilnim performansama uključuju:
1) Budući da kristali moraju rasti u zatvorenom okruženju s visokom temperaturom iznad 2000°C, zahtjevi za kontrolu temperature su izuzetno visoki;
2) Budući da silicijum karbid ima više od 200 kristalnih struktura, ali samo nekoliko struktura monokristalnog silicijum karbida su potrebni poluprovodnički materijali, odnos silicijuma i ugljika, gradijent temperature rasta i rast kristala moraju se precizno kontrolisati tokom procesa rasta kristala. Parametri kao što su brzina i pritisak protoka zraka;
3) Kod metode prenosa u parnoj fazi, tehnologija širenja prečnika rasta kristala silicijum karbida je izuzetno teška;
4) Tvrdoća silicijum karbida je bliska tvrdoći dijamanta, a tehnike rezanja, brušenja i poliranja su teške.
SiC epitaksijalne pločice: obično se proizvode metodom hemijskog taloženja iz pare (CVD). Prema različitim vrstama dopiranja, dijele se na epitaksijalne pločice n-tipa i p-tipa. Domaći Hantian Tiancheng i Dongguan Tianyu već mogu obezbijediti SiC epitaksijalne pločice od 4 inča/6 inča. SiC epitaksija se teško kontroliše u oblasti visokog napona, a kvalitet SiC epitaksije ima veći uticaj na SiC uređaje. Štaviše, epitaksijalnu opremu monopolišu četiri vodeće kompanije u industriji: Axitron, LPE, TEL i Nuflare.
Epitaksijalni silicijum karbidPodloga se odnosi na pločicu silicijum karbida u kojoj se na originalnoj podlozi silicijum karbida uzgaja monokristalni film (epitaksijalni sloj) sa određenim zahtjevima, istim kao i kristal podloge. Epitaksijalni rast se uglavnom odvija korištenjem CVD (hemijsko taloženje iz pare) opreme ili MBE (molekularna epitaksija snopa) opreme. Budući da se uređaji od silicijum karbida proizvode direktno u epitaksijalnom sloju, kvalitet epitaksijalnog sloja direktno utiče na performanse i prinos uređaja. Kako se performanse uređaja podnose napon nastavljaju povećavati, debljina odgovarajućeg epitaksijalnog sloja postaje sve deblja, a kontrola sve teža. Općenito, kada je napon oko 600 V, potrebna debljina epitaksijalnog sloja je oko 6 mikrona; kada je napon između 1200-1700 V, potrebna debljina epitaksijalnog sloja dostiže 10-15 mikrona. Ako napon dostigne više od 10.000 volti, može biti potrebna debljina epitaksijalnog sloja veća od 100 mikrona. Kako debljina epitaksijalnog sloja nastavlja da se povećava, postaje sve teže kontrolisati ujednačenost debljine i otpornosti, kao i gustinu defekata.
SiC uređaji: Na međunarodnom tržištu, industrijalizirani su SiC SBD i MOSFET tranzistori napona od 600~1700V. Glavni proizvodi rade na naponima ispod 1200V i prvenstveno koriste TO pakovanje. Što se tiče cijena, SiC proizvodi na međunarodnom tržištu imaju cijenu od oko 5-6 puta veću od svojih Si pandana. Međutim, cijene padaju po godišnjoj stopi od 10%. Sa širenjem proizvodnje materijala i uređaja u naredne 2-3 godine, ponuda na tržištu će se povećati, što će dovesti do daljnjeg smanjenja cijena. Očekuje se da će, kada cijena dostigne 2-3 puta veću cijenu od Si proizvoda, prednosti koje donose smanjeni troškovi sistema i poboljšane performanse postepeno dovesti do toga da SiC zauzme tržišni prostor Si uređaja.
Tradicionalno pakovanje se zasniva na supstratima na bazi silicija, dok poluprovodnički materijali treće generacije zahtijevaju potpuno novi dizajn. Korištenje tradicionalnih struktura pakovanja na bazi silicija za uređaje za napajanje sa širokim energetskim razmakom može uvesti nove probleme i izazove vezane za frekvenciju, upravljanje temperaturom i pouzdanost. SiC uređaji za napajanje su osjetljiviji na parazitski kapacitet i induktivitet. U poređenju sa Si uređajima, SiC čipovi za napajanje imaju veće brzine prebacivanja, što može dovesti do prekoračenja, oscilacija, povećanih gubitaka pri prebacivanju, pa čak i kvarova uređaja. Osim toga, SiC uređaji za napajanje rade na višim temperaturama, što zahtijeva naprednije tehnike upravljanja temperaturom.
U oblasti pakovanja poluprovodničkih energetskih modula sa širokim energetskim procepom razvijen je niz različitih struktura. Tradicionalno pakovanje energetskih modula na bazi Si više nije pogodno. Kako bi se riješili problemi visokih parazitskih parametara i slabe efikasnosti odvođenja toplote tradicionalnog pakovanja energetskih modula na bazi Si, pakovanje SiC energetskih modula u svojoj strukturi usvaja bežičnu međusobnu povezanost i tehnologiju dvostranog hlađenja, a također usvaja materijale supstrata sa boljom toplotnom provodljivošću, te pokušava integrisati kondenzatore za razdvajanje, senzore temperature/struje i pogonska kola u strukturu modula, te je razvijen niz različitih tehnologija pakovanja modula. Štaviše, postoje visoke tehničke barijere za proizvodnju SiC uređaja, a troškovi proizvodnje su visoki.
Uređaji od silicijum karbida proizvode se nanošenjem epitaksijalnih slojeva na podlogu od silicijum karbida putem CVD-a. Proces uključuje čišćenje, oksidaciju, fotolitografiju, nagrizanje, skidanje fotorezista, jonsku implantaciju, hemijsko nanošenje silicijum nitrida iz parne faze, poliranje, raspršivanje i naknadne korake obrade za formiranje strukture uređaja na monokristalnoj SiC podlozi. Glavne vrste SiC energetskih uređaja uključuju SiC diode, SiC tranzistore i SiC energetske module. Zbog faktora kao što su spora brzina proizvodnje materijala i niske stope prinosa, uređaji od silicijum karbida imaju relativno visoke troškove proizvodnje.
Osim toga, proizvodnja uređaja od silicijum karbida ima određene tehničke poteškoće:
1) Potrebno je razviti specifičan proces koji je u skladu s karakteristikama silicijum-karbidnih materijala. Na primjer: SiC ima visoku tačku topljenja, što tradicionalnu termičku difuziju čini neefikasnom. Potrebno je koristiti metodu dopiranja jonskom implantacijom i precizno kontrolisati parametre kao što su temperatura, brzina zagrijavanja, trajanje i protok gasa; SiC je inertan prema hemijskim rastvaračima. Treba koristiti metode kao što je suho nagrizanje, a materijali za maske, smjese gasova, kontrola nagiba bočnih zidova, brzina nagrizanja, hrapavost bočnih zidova itd. trebaju biti optimizirani i razvijeni;
2) Proizvodnja metalnih elektroda na silicijum-karbidnim pločicama zahtijeva kontaktni otpor ispod 10-5Ω2. Materijali elektroda koji ispunjavaju zahtjeve, Ni i Al, imaju slabu termičku stabilnost iznad 100°C, ali Al/Ni ima bolju termičku stabilnost. Specifični kontaktni otpor kompozitnog materijala elektrode /W/Au je 10-3Ω2 veći;
3) SiC ima veliko habanje pri rezanju, a tvrdoća SiC-a je druga po veličini nakon dijamanta, što postavlja veće zahtjeve za rezanje, brušenje, poliranje i druge tehnologije.
Štaviše, uređaji za napajanje od silicijum karbida u rovovima su teži za proizvodnju. Prema različitim strukturama uređaja, uređaji za napajanje od silicijum karbida mogu se uglavnom podijeliti na planarne uređaje i uređaje u rovovima. Planarni uređaji za napajanje od silicijum karbida imaju dobru konzistentnost jedinica i jednostavan proces proizvodnje, ali su skloni JFET efektu i imaju visoku parazitsku kapacitivnost i otpor u uključenom stanju. U poređenju sa planarnim uređajima, uređaji za napajanje od silicijum karbida u rovovima imaju nižu konzistentnost jedinica i složeniji proces proizvodnje. Međutim, struktura u rovovima pogoduje povećanju gustine jedinica uređaja i manja je vjerovatnoća da će proizvesti JFET efekat, što je korisno za rješavanje problema mobilnosti kanala. Ima odlična svojstva kao što su mali otpor uključenja, mali parazitski kapacitet i niska potrošnja energije prebacivanja. Ima značajne prednosti u pogledu troškova i performansi i postao je glavni smjer razvoja uređaja za napajanje od silicijum karbida. Prema službenoj web stranici Rohma, struktura ROHM Gen3 (struktura u rovovima Gen1) čini samo 75% površine čipa Gen2 (Plannar2), a otpor uključenja strukture ROHM Gen3 je smanjen za 50% pri istoj veličini čipa.
Troškovi silicijum-karbidne podloge, epitaksije, prednjeg dijela, istraživanja i razvoja i ostali troškovi čine 47%, 23%, 19%, 6% i 5% proizvodnih troškova silicijum-karbidnih uređaja, respektivno.
Konačno, fokusirat ćemo se na uklanjanje tehničkih barijera supstrata u lancu industrije silicijum karbida.
Proces proizvodnje silicijum-karbidnih supstrata sličan je procesu proizvodnje supstrata na bazi silicija, ali je složeniji.
Proces proizvodnje silicijum karbidne podloge obično uključuje sintezu sirovina, rast kristala, obradu ingota, rezanje ingota, brušenje pločice, poliranje, čišćenje i druge veze.
Faza rasta kristala je srž cijelog procesa i ovaj korak određuje električna svojstva silicijum-karbidne podloge.
Silicijum karbidne materijale je teško uzgajati u tečnoj fazi pod normalnim uslovima. Metoda rasta u parnoj fazi, koja je danas popularna na tržištu, ima temperaturu rasta iznad 2300°C i zahtijeva preciznu kontrolu temperature rasta. Cijeli proces rada je gotovo nemoguće pratiti. Mala greška će dovesti do otpada proizvoda. U poređenju s tim, silicijumskim materijalima je potrebno samo 1600℃, što je mnogo niže. Priprema silicijum karbidnih podloga također se suočava s poteškoćama kao što su spor rast kristala i visoki zahtjevi za kristalnim oblikom. Rast silicijum karbidne pločice traje oko 7 do 10 dana, dok izvlačenje silicijumske šipke traje samo 2 i po dana. Štaviše, silicijum karbid je materijal čija je tvrdoća druga po tvrdoći odmah iza dijamanta. Mnogo će se izgubiti tokom rezanja, brušenja i poliranja, a izlazni omjer je samo 60%.
Znamo da je trend povećanja veličine silicijum-karbidnih supstrata, a kako se veličina nastavlja povećavati, zahtjevi za tehnologijom proširenja prečnika postaju sve veći. Potrebna je kombinacija različitih tehničkih kontrolnih elemenata kako bi se postigao iterativni rast kristala.
Vrijeme objave: 22. maj 2024.