De tekniske vanskeligheder ved stabil masseproduktion af siliciumcarbidwafere af høj kvalitet med stabil ydeevne omfatter:
1) Da krystaller skal vokse i et forseglet miljø med høj temperatur over 2000 °C, er kravene til temperaturkontrol ekstremt høje;
2) Da siliciumcarbid har mere end 200 krystalstrukturer, men kun få strukturer af enkeltkrystal siliciumcarbid er de nødvendige halvledermaterialer, skal forholdet mellem silicium og kulstof, væksttemperaturgradienten og krystalvæksten kontrolleres præcist under krystalvækstprocessen. Parametre som hastighed og luftstrømningstryk;
3) Under dampfasetransmissionsmetoden er diameterudvidelsesteknologien for siliciumcarbidkrystalvækst ekstremt vanskelig;
4) Siliciumcarbids hårdhed er tæt på diamants, og skære-, slibnings- og poleringsteknikker er vanskelige.
SiC epitaksiale wafere: Normalt fremstillet ved kemisk dampaflejring (CVD). I henhold til forskellige doteringstyper er de opdelt i n-type og p-type epitaksiale wafere. De indenlandske Hantian Tiancheng og Dongguan Tianyu kan allerede levere 4-tommer/6-tommer SiC epitaksiale wafere. SiC-epitaksi er vanskelig at kontrollere i højspændingsfeltet, og kvaliteten af SiC-epitaksi har en større indflydelse på SiC-enheder. Derudover er epitaksialt udstyr monopoliseret af de fire førende virksomheder i branchen: Axitron, LPE, TEL og Nuflare.
Epitaksialt siliciumkarbidEn wafer refererer til en siliciumcarbidwafer, hvor en enkeltkrystalfilm (epitaksialt lag) med visse krav og de samme som substratkrystallen dyrkes oven på det originale siliciumcarbidsubstrat. Epitaksial vækst bruger primært CVD (Chemical Vapor Deposition) udstyr eller MBE (Molecular Beam Epitaxy) udstyr. Da siliciumcarbid-enheder fremstilles direkte i det epitaksiale lag, påvirker kvaliteten af det epitaksiale lag direkte enhedens ydeevne og udbytte. Efterhånden som enhedens spændingsmodstandsevne stiger, bliver tykkelsen af det tilsvarende epitaksiale lag tykkere, og styringen bliver vanskeligere. Generelt, når spændingen er omkring 600 V, er den nødvendige epitaksiale lagtykkelse omkring 6 mikron; når spændingen er mellem 1200-1700 V, når den nødvendige epitaksiale lagtykkelse 10-15 mikron. Hvis spændingen når mere end 10.000 volt, kan en epitaksial lagtykkelse på mere end 100 mikron være påkrævet. Efterhånden som tykkelsen af det epitaksiale lag fortsætter med at stige, bliver det stadig vanskeligere at kontrollere tykkelsen og resistivitetens ensartethed samt defektdensiteten.
SiC-komponenter: Internationalt er 600~1700V SiC SBD og MOSFET blevet industrialiseret. Mainstream-produkterne fungerer ved spændingsniveauer under 1200V og bruger primært TO-kapsling. Prismæssigt er SiC-produkter på det internationale marked prissat omkring 5-6 gange højere end deres Si-modparter. Priserne falder dog med en årlig hastighed på 10%. Med udvidelsen af upstream-materialer og komponentproduktion i de næste 2-3 år vil markedsudbuddet stige, hvilket vil føre til yderligere prisreduktioner. Det forventes, at når prisen når 2-3 gange prisen på Si-produkter, vil fordelene ved reducerede systemomkostninger og forbedret ydeevne gradvist føre til, at SiC optager markedet for Si-komponenter.
Traditionel pakning er baseret på siliciumbaserede substrater, mens tredjegenerations halvledermaterialer kræver et helt nyt design. Brug af traditionelle siliciumbaserede pakningsstrukturer til strømforsyninger med bredt båndgab kan introducere nye problemer og udfordringer relateret til frekvens, termisk styring og pålidelighed. SiC-strømforsyninger er mere følsomme over for parasitisk kapacitans og induktans. Sammenlignet med Si-enheder har SiC-strømchips hurtigere switchhastigheder, hvilket kan føre til oversving, oscillation, øgede switchtab og endda enhedsfejl. Derudover fungerer SiC-strømforsyninger ved højere temperaturer, hvilket kræver mere avancerede termiske styringsteknikker.
En række forskellige strukturer er blevet udviklet inden for bredbåndsgab-halvleder-effektpakker. Traditionel Si-baseret effektmodulpakke er ikke længere egnet. For at løse problemerne med høje parasitparametre og dårlig varmeafledningseffektivitet i traditionel Si-baseret effektmodulpakke, anvender SiC-effektmodulpakker trådløs sammenkobling og dobbeltsidet køleteknologi i sin struktur, og anvender også substratmaterialer med bedre varmeledningsevne, og der er forsøgt at integrere afkoblingskondensatorer, temperatur-/strømsensorer og drivkredsløb i modulstrukturen, og der er udviklet en række forskellige modulpakketeknologier. Derudover er der høje tekniske barrierer for fremstilling af SiC-enheder, og produktionsomkostningerne er høje.
Siliciumcarbid-komponenter produceres ved at aflejre epitaksiale lag på et siliciumcarbid-substrat gennem CVD. Processen involverer rengøring, oxidation, fotolitografi, ætsning, stripning af fotoresist, ionimplantation, kemisk dampaflejring af siliciumnitrid, polering, sputtering og efterfølgende behandlingstrin for at danne komponentstrukturen på SiC-enkeltkrystalsubstratet. Hovedtyper af SiC-strømforsyningskomponenter omfatter SiC-dioder, SiC-transistorer og SiC-strømforsyningsmoduler. På grund af faktorer som langsom upstream-materialeproduktionshastighed og lave udbytterater har siliciumcarbid-komponenter relativt høje produktionsomkostninger.
Derudover har fremstilling af siliciumcarbid-enheder visse tekniske vanskeligheder:
1) Det er nødvendigt at udvikle en specifik proces, der er i overensstemmelse med siliciumcarbidmaterialers egenskaber. For eksempel: SiC har et højt smeltepunkt, hvilket gør traditionel termisk diffusion ineffektiv. Det er nødvendigt at anvende ionimplantationsdopingmetoden og nøjagtigt kontrollere parametre som temperatur, opvarmningshastighed, varighed og gasstrøm; SiC er inert over for kemiske opløsningsmidler. Metoder som tørætsning bør anvendes, og maskematerialer, gasblandinger, kontrol af sidevægshældning, ætsningshastighed, sidevægruhed osv. bør optimeres og udvikles.
2) Fremstilling af metalelektroder på siliciumcarbidwafere kræver en kontaktmodstand på under 10-5Ω2. De elektrodematerialer, der opfylder kravene, Ni og Al, har dårlig termisk stabilitet over 100°C, men Al/Ni har bedre termisk stabilitet. Den kontaktspecifikke modstand for /W/Au kompositelektrodemateriale er 10-3Ω2 højere;
3) SiC har høj skæreslid, og SiC's hårdhed er kun overgået af diamant, hvilket stiller højere krav til skæring, slibning, polering og andre teknologier.
Derudover er trench-siliciumcarbid-strømforsyninger vanskeligere at fremstille. Afhængigt af forskellige enhedstrukturer kan siliciumcarbid-strømforsyninger primært opdeles i plane komponent og trench-komponent. Plane siliciumcarbid-strømforsyninger har god enhedskonsistens og en simpel fremstillingsproces, men er tilbøjelige til JFET-effekt og har høj parasitisk kapacitans og tændt modstand. Sammenlignet med plane komponent har trench-siliciumcarbid-strømforsyninger lavere enhedskonsistens og en mere kompleks fremstillingsproces. Trench-strukturen er dog befordrende for at øge komponentens enhedstæthed og er mindre tilbøjelig til at producere JFET-effekt, hvilket er gavnligt for at løse problemet med kanalmobilitet. Den har fremragende egenskaber såsom lav tændt modstand, lille parasitisk kapacitans og lavt switching-energiforbrug. Den har betydelige omkostnings- og ydelsesfordele og er blevet mainstream-retningen for udvikling af siliciumcarbid-strømforsyninger. Ifølge Rohms officielle hjemmeside udgør ROHM Gen3-strukturen (Gen1 Trench-struktur) kun 75% af Gen2 (Plannar2) chiparealet, og ROHM Gen3-strukturens tændingsmodstand reduceres med 50% under den samme chipstørrelse.
Udgifter til siliciumcarbidsubstrat, epitaksi, front-end, forskning og udvikling og andet tegner sig for henholdsvis 47 %, 23 %, 19 %, 6 % og 5 % af produktionsomkostningerne for siliciumcarbid-enheder.
Endelig vil vi fokusere på at nedbryde de tekniske barrierer for substrater i siliciumcarbidindustriens kæde.
Produktionsprocessen for siliciumcarbidsubstrater ligner den for siliciumbaserede substrater, men er mere vanskelig.
Fremstillingsprocessen for siliciumcarbidsubstrat omfatter generelt råmaterialesyntese, krystalvækst, ingotforarbejdning, ingotskæring, waferslibning, polering, rengøring og andre forbindelser.
Krystalvækstfasen er kernen i hele processen, og dette trin bestemmer siliciumcarbidsubstratets elektriske egenskaber.
Siliciumcarbidmaterialer er vanskelige at dyrke i flydende fase under normale forhold. Den populære dampfase-vækstmetode på markedet i dag har en væksttemperatur over 2300 °C og kræver præcis kontrol af væksttemperaturen. Hele operationsprocessen er næsten vanskelig at observere. En lille fejl vil føre til produktkassering. Til sammenligning kræver siliciummaterialer kun 1600 ℃, hvilket er meget lavere. Forberedelse af siliciumcarbidsubstrater står også over for vanskeligheder såsom langsom krystalvækst og høje krav til krystalform. Vækst af siliciumcarbidwafer tager omkring 7 til 10 dage, mens trækning af siliciumstænger kun tager 2½ dag. Desuden er siliciumcarbid et materiale, hvis hårdhed kun er overgået af diamant. Det vil miste meget under skæring, slibning og polering, og outputforholdet er kun 60%.
Vi ved, at tendensen er at øge størrelsen på siliciumcarbidsubstrater, og i takt med at størrelsen fortsætter med at stige, bliver kravene til diameterudvidelsesteknologi højere og højere. Det kræver en kombination af forskellige tekniske kontrolelementer for at opnå iterativ krystallvækst.
Udsendelsestidspunkt: 22. maj 2024