Mezi technické obtíže při stabilní hromadné výrobě vysoce kvalitních destiček z karbidu křemíku se stabilním výkonem patří:
1) Protože krystaly musí růst ve vysokoteplotním uzavřeném prostředí nad 2000 °C, jsou požadavky na regulaci teploty extrémně vysoké;
2) Vzhledem k tomu, že karbid křemíku má více než 200 krystalových struktur, ale pouze několik struktur monokrystalického karbidu křemíku je požadovaným polovodičovým materiálem, je třeba během procesu růstu krystalů přesně řídit poměr křemíku k uhlíku, teplotní gradient růstu a růst krystalů. Parametry, jako je rychlost a tlak proudění vzduchu;
3) Při metodě přenosu v plynné fázi je technologie expanze průměru růstu krystalů karbidu křemíku extrémně obtížná;
4) Tvrdost karbidu křemíku se blíží tvrdosti diamantu a techniky řezání, broušení a leštění jsou obtížné.
SiC epitaxní destičky: obvykle se vyrábějí metodou chemické depozice z plynné fáze (CVD). Podle různých typů dopování se dělí na epitaxní destičky typu n a typu p. Domácí společnosti Hantian Tiancheng a Dongguan Tianyu již dodávají 4palcové/6palcové SiC epitaxní destičky. SiC epitaxe je obtížné kontrolovat v oblasti vysokého napětí a kvalita SiC epitaxe má větší vliv na SiC součástky. Epitaxní zařízení je navíc monopolizováno čtyřmi předními společnostmi v oboru: Axitron, LPE, TEL a Nuflare.
Epitaxní karbid křemíkuDestička označuje destičku z karbidu křemíku, ve které je na původním substrátu z karbidu křemíku vypěstován monokrystalický film (epitaxní vrstva) s určitými požadavky, stejný jako krystal substrátu. Epitaxní růst se provádí hlavně pomocí zařízení CVD (chemická depozice z plynné fáze) nebo MBE (molekulární svazková epitaxe). Vzhledem k tomu, že se součástky z karbidu křemíku vyrábějí přímo v epitaxní vrstvě, kvalita epitaxní vrstvy přímo ovlivňuje výkon a výtěžnost zařízení. S rostoucí napěťovou odolností zařízení se tloušťka odpovídající epitaxní vrstvy stává silnější a její regulace se stává obtížnější. Obecně platí, že při napětí kolem 600 V je požadovaná tloušťka epitaxní vrstvy asi 6 mikronů; při napětí mezi 1200-1700 V dosahuje požadovaná tloušťka epitaxní vrstvy 10-15 mikronů. Pokud napětí dosáhne více než 10 000 voltů, může být vyžadována tloušťka epitaxní vrstvy větší než 100 mikronů. S rostoucí tloušťkou epitaxní vrstvy je stále obtížnější kontrolovat rovnoměrnost tloušťky, odporu a hustotu defektů.
SiC součástky: V mezinárodním měřítku se industrializovaly SiC SBD a MOSFETy s napětím 600~1700 V. Hlavní produkty pracují na napěťových úrovních pod 1200 V a primárně používají pouzdro TO. Co se týče ceny, SiC produkty na mezinárodním trhu jsou cenově dostupné přibližně 5-6krát dražší než jejich Si protějšky. Ceny však klesají ročním tempem 10 %. S expanzí do výroby materiálů a součástek v příštích 2-3 letech se zvýší nabídka na trhu, což povede k dalšímu snižování cen. Očekává se, že jakmile cena dosáhne 2-3krát vyšší ceny než Si produkty, výhody plynoucí ze snížených systémových nákladů a zlepšeného výkonu postupně donutí SiC obsadit tržní prostor Si součástek.
Tradiční pouzdra jsou založena na substrátech na bázi křemíku, zatímco polovodičové materiály třetí generace vyžadují zcela nový design. Použití tradičních pouzdrových struktur na bázi křemíku pro výkonové součástky s širokým zakázaným pásmem může přinést nové problémy a výzvy týkající se frekvence, tepelného managementu a spolehlivosti. Výkonové součástky SiC jsou citlivější na parazitní kapacitu a indukčnost. Ve srovnání s křemíkovými součástkami mají výkonové čipy SiC rychlejší spínací rychlosti, což může vést k překmitům, oscilacím, zvýšeným ztrátám při spínání a dokonce i k poruchám zařízení. Výkonové součástky SiC navíc pracují při vyšších teplotách, což vyžaduje pokročilejší techniky tepelného managementu.
V oblasti pouzder výkonových polovodičů s širokým zakázaným pásmem byla vyvinuta řada různých struktur. Tradiční pouzdra výkonových modulů na bázi křemíku již nejsou vhodná. Aby se vyřešily problémy s vysokými parazitními parametry a nízkou účinností odvodu tepla u tradičních pouzder výkonových modulů na bázi křemíku, pouzdra výkonových modulů SiC využívají ve své struktuře bezdrátové propojení a technologii oboustranného chlazení. Také používají substrátové materiály s lepší tepelnou vodivostí. Snaží se integrovat oddělovací kondenzátory, teplotní/proudové senzory a budicí obvody do struktury modulu a vyvinula řadu různých technologií pouzder modulů. Kromě toho existují vysoké technické překážky pro výrobu součástek SiC a výrobní náklady jsou vysoké.
Zařízení z karbidu křemíku se vyrábějí nanášením epitaxních vrstev na substrát z karbidu křemíku pomocí CVD. Proces zahrnuje čištění, oxidaci, fotolitografii, leptání, odstraňování fotorezistu, iontovou implantaci, chemickou depozici nitridu křemíku z plynné fáze, leštění, naprašování a následné kroky zpracování k vytvoření struktury zařízení na substrátu z monokrystalu SiC. Mezi hlavní typy výkonových zařízení SiC patří SiC diody, SiC tranzistory a SiC výkonové moduly. Vzhledem k faktorům, jako je pomalá rychlost výroby materiálu a nízká míra výtěžnosti, mají zařízení z karbidu křemíku relativně vysoké výrobní náklady.
Kromě toho má výroba zařízení z karbidu křemíku určité technické obtíže:
1) Je nutné vyvinout specifický proces, který bude v souladu s vlastnostmi materiálů na bázi karbidu křemíku. Například: SiC má vysoký bod tání, což znemožňuje tradiční tepelnou difúzi. Je nutné použít metodu dopování iontovou implantací a přesně kontrolovat parametry, jako je teplota, rychlost ohřevu, doba trvání a průtok plynu; SiC je inertní vůči chemickým rozpouštědlům. Měly by se používat metody, jako je suché leptání, a měly by se optimalizovat a vyvíjet materiály masky, směsi plynů, řízení sklonu bočních stěn, rychlosti leptání, drsnosti bočních stěn atd.;
2) Výroba kovových elektrod na destičkách z karbidu křemíku vyžaduje kontaktní odpor pod 10-5Ω2. Materiály elektrod, které splňují tyto požadavky, Ni a Al, mají nízkou tepelnou stabilitu nad 100 °C, ale Al/Ni má lepší tepelnou stabilitu. Kontaktní měrný odpor kompozitního materiálu elektrody /W/Au je o 10-3Ω2 vyšší;
3) SiC má vysoké opotřebení při řezání a tvrdost SiC je druhá hned po diamantu, což klade vyšší požadavky na řezání, broušení, leštění a další technologie.
Výkonové součástky z karbidu křemíku s příkopovou strukturou se navíc obtížněji vyrábějí. Podle různých struktur součástek lze výkonové součástky z karbidu křemíku rozdělit hlavně na planární a příkopové. Planární výkonové součástky z karbidu křemíku mají dobrou jednotkovou konzistenci a jednoduchý výrobní proces, ale jsou náchylné k JFET efektu a mají vysokou parazitní kapacitu a odpor v zapnutém stavu. Ve srovnání s planárními součástkami mají výkopové výkonové součástky z karbidu křemíku nižší jednotkovou konzistenci a složitější výrobní proces. Výkopová struktura však přispívá ke zvýšení hustoty jednotek součástek a je méně pravděpodobné, že bude vyvolávat JFET efekt, což je výhodné pro řešení problému mobility kanálů. Má vynikající vlastnosti, jako je malý odpor v zapnutém stavu, malá parazitní kapacita a nízká spotřeba energie při spínání. Má značné výhody v oblasti nákladů a výkonu a stala se hlavním směrem vývoje výkonových součástek z karbidu křemíku. Podle oficiálních webových stránek Rohm tvoří struktura ROHM Gen3 (příkopová struktura Gen1) pouze 75 % plochy čipu Gen2 (Plannar2) a odpor v zapnutém stavu struktury ROHM Gen3 je při stejné velikosti čipu snížen o 50 %.
Výdaje na substrát z karbidu křemíku, epitaxe, front-end, výzkum a vývoj a další tvoří 47 %, 23 %, 19 %, 6 % a 5 % výrobních nákladů zařízení z karbidu křemíku.
Nakonec se zaměříme na odstraňování technických bariér substrátů v průmyslovém řetězci karbidu křemíku.
Výrobní proces substrátů z karbidu křemíku je podobný procesu substrátů na bázi křemíku, ale je složitější.
Výrobní proces substrátu z karbidu křemíku obecně zahrnuje syntézu surovin, růst krystalů, zpracování ingotů, řezání ingotů, broušení destiček, leštění, čištění a další kroky.
Fáze růstu krystalů je jádrem celého procesu a tento krok určuje elektrické vlastnosti substrátu z karbidu křemíku.
Materiály z karbidu křemíku se za normálních podmínek obtížně pěstují v kapalné fázi. Metoda růstu v plynné fázi, která je dnes na trhu oblíbená, má teplotu růstu nad 2300 °C a vyžaduje přesnou regulaci teploty růstu. Celý operační proces je téměř nemožné sledovat. I malá chyba povede k poškození produktu. Pro srovnání, křemíkové materiály vyžadují pouze 1600 °C, což je mnohem méně. Příprava substrátů z karbidu křemíku se také potýká s obtížemi, jako je pomalý růst krystalů a vysoké požadavky na krystalickou formu. Růst destiček z karbidu křemíku trvá přibližně 7 až 10 dní, zatímco tažení křemíkové tyče trvá pouze 2 a půl dne. Karbid křemíku je navíc materiál, jehož tvrdost je druhá nejtvrdší hned po diamantu. Během řezání, broušení a leštění ztrácí hodně a výstupní poměr je pouze 60 %.
Víme, že trendem je zvětšování velikosti substrátů z karbidu křemíku. S rostoucí velikostí se zvyšují i požadavky na technologii zvětšování průměru. Pro dosažení iterativního růstu krystalů je nutná kombinace různých technických řídicích prvků.
Čas zveřejnění: 22. května 2024