Οι τεχνικές δυσκολίες στη σταθερή μαζική παραγωγή πλακιδίων καρβιδίου του πυριτίου υψηλής ποιότητας με σταθερή απόδοση περιλαμβάνουν:
1) Δεδομένου ότι οι κρύσταλλοι πρέπει να αναπτυχθούν σε ένα σφραγισμένο περιβάλλον υψηλής θερμοκρασίας άνω των 2000°C, οι απαιτήσεις ελέγχου θερμοκρασίας είναι εξαιρετικά υψηλές.
2) Δεδομένου ότι το καρβίδιο του πυριτίου έχει περισσότερες από 200 κρυσταλλικές δομές, αλλά μόνο λίγες δομές μονοκρυσταλλικού καρβιδίου του πυριτίου είναι τα απαιτούμενα ημιαγωγικά υλικά, η αναλογία πυριτίου προς άνθρακα, η κλίση της θερμοκρασίας ανάπτυξης και η ανάπτυξη των κρυστάλλων πρέπει να ελέγχονται με ακρίβεια κατά τη διάρκεια της διαδικασίας ανάπτυξης των κρυστάλλων. Παράμετροι όπως η ταχύτητα και η πίεση ροής αέρα.
3) Σύμφωνα με τη μέθοδο μετάδοσης φάσης ατμών, η τεχνολογία διαστολής διαμέτρου για την ανάπτυξη κρυστάλλων καρβιδίου του πυριτίου είναι εξαιρετικά δύσκολη.
4) Η σκληρότητα του καρβιδίου του πυριτίου είναι κοντά σε αυτή του διαμαντιού και οι τεχνικές κοπής, λείανσης και στίλβωσης είναι δύσκολες.
Επιταξιακές πλακέτες SiC: συνήθως κατασκευάζονται με τη μέθοδο χημικής εναπόθεσης ατμών (CVD). Ανάλογα με τους διαφορετικούς τύπους πρόσμιξης, χωρίζονται σε επιταξιακές πλακέτες τύπου n και τύπου p. Οι εγχώριες Hantian Tiancheng και Dongguan Tianyu μπορούν ήδη να παρέχουν επιταξιακές πλακέτες SiC 4 ιντσών/6 ιντσών. Για την επιταξία SiC, είναι δύσκολο να ελεγχθεί στο πεδίο υψηλής τάσης και η ποιότητα της επιταξίας SiC έχει μεγαλύτερο αντίκτυπο στις συσκευές SiC. Επιπλέον, ο επιταξιακός εξοπλισμός μονοπωλείται από τις τέσσερις κορυφαίες εταιρείες του κλάδου: Axitron, LPE, TEL και Nuflare.
Επιταξιακό καρβίδιο του πυριτίουΟ όρος "wafer" αναφέρεται σε ένα wafer καρβιδίου του πυριτίου στο οποίο αναπτύσσεται στο αρχικό υπόστρωμα καρβιδίου του πυριτίου μια μονοκρυσταλλική μεμβράνη (επιταξιακή στρώση) με ορισμένες απαιτήσεις και τις ίδιες με τον κρύσταλλο υποστρώματος. Η επιταξιακή ανάπτυξη χρησιμοποιεί κυρίως εξοπλισμό CVD (Εναπόθεση Χημικών Ατμών) ή εξοπλισμό MBE (Επιταξία Μοριακής Δέσμης). Δεδομένου ότι οι συσκευές καρβιδίου του πυριτίου κατασκευάζονται απευθείας στο επιταξιακό στρώμα, η ποιότητα του επιταξιακού στρώματος επηρεάζει άμεσα την απόδοση και την απόδοση της συσκευής. Καθώς η απόδοση αντοχής τάσης της συσκευής συνεχίζει να αυξάνεται, το πάχος του αντίστοιχου επιταξιακού στρώματος γίνεται παχύτερο και ο έλεγχος γίνεται πιο δύσκολος. Γενικά, όταν η τάση είναι περίπου 600V, το απαιτούμενο πάχος επιταξιακού στρώματος είναι περίπου 6 μικρά. όταν η τάση είναι μεταξύ 1200-1700V, το απαιτούμενο πάχος επιταξιακού στρώματος φτάνει τα 10-15 μικρά. Εάν η τάση φτάσει πάνω από 10.000 βολτ, μπορεί να απαιτείται πάχος επιταξιακού στρώματος μεγαλύτερο από 100 μικρά. Καθώς το πάχος του επιταξιακού στρώματος συνεχίζει να αυξάνεται, γίνεται ολοένα και πιο δύσκολο να ελεγχθεί η ομοιομορφία του πάχους και της ειδικής αντίστασης, καθώς και η πυκνότητα των ελαττωμάτων.
Συσκευές SiC: Σε διεθνές επίπεδο, τα SBD και τα MOSFET SiC 600~1700V έχουν βιομηχανοποιηθεί. Τα κύρια προϊόντα λειτουργούν σε επίπεδα τάσης κάτω των 1200V και υιοθετούν κυρίως συσκευασία TO. Όσον αφορά την τιμολόγηση, τα προϊόντα SiC στη διεθνή αγορά έχουν τιμές περίπου 5-6 φορές υψηλότερες από τα αντίστοιχα Si. Ωστόσο, οι τιμές μειώνονται με ετήσιο ρυθμό 10%. Με την επέκταση της παραγωγής υλικών και συσκευών ανάντη τα επόμενα 2-3 χρόνια, η προσφορά της αγοράς θα αυξηθεί, οδηγώντας σε περαιτέρω μειώσεις τιμών. Αναμένεται ότι όταν η τιμή φτάσει τα 2-3 φορές μεγαλύτερη από αυτή των προϊόντων Si, τα πλεονεκτήματα που θα προκύψουν από τη μείωση του κόστους συστήματος και τη βελτιωμένη απόδοση θα οδηγήσουν σταδιακά το SiC να καταλάβει τον χώρο της αγοράς των συσκευών Si.
Η παραδοσιακή συσκευασία βασίζεται σε υποστρώματα με βάση το πυρίτιο, ενώ τα ημιαγωγικά υλικά τρίτης γενιάς απαιτούν έναν εντελώς νέο σχεδιασμό. Η χρήση παραδοσιακών δομών συσκευασίας με βάση το πυρίτιο για συσκευές ισχύος με ευρύ ενεργειακό χάσμα μπορεί να εισαγάγει νέα ζητήματα και προκλήσεις που σχετίζονται με τη συχνότητα, τη θερμική διαχείριση και την αξιοπιστία. Οι συσκευές ισχύος SiC είναι πιο ευαίσθητες στην παρασιτική χωρητικότητα και επαγωγή. Σε σύγκριση με τις συσκευές Si, τα τσιπ ισχύος SiC έχουν μεγαλύτερες ταχύτητες μεταγωγής, οι οποίες μπορούν να οδηγήσουν σε υπέρβαση καμπυλότητας, ταλάντωση, αυξημένες απώλειες μεταγωγής, ακόμη και δυσλειτουργίες συσκευών. Επιπλέον, οι συσκευές ισχύος SiC λειτουργούν σε υψηλότερες θερμοκρασίες, απαιτώντας πιο προηγμένες τεχνικές θερμικής διαχείρισης.
Στον τομέα της συσκευασίας ισχύος ημιαγωγών με ευρύ ενεργειακό χάσμα, έχει αναπτυχθεί μια ποικιλία διαφορετικών δομών. Η παραδοσιακή συσκευασία μονάδων ισχύος με βάση το Si δεν είναι πλέον κατάλληλη. Προκειμένου να επιλυθούν τα προβλήματα των υψηλών παρασιτικών παραμέτρων και της χαμηλής απόδοσης απαγωγής θερμότητας της παραδοσιακής συσκευασίας μονάδων ισχύος με βάση το Si, η συσκευασία μονάδων ισχύος SiC υιοθετεί ασύρματη διασύνδεση και τεχνολογία ψύξης διπλής όψης στη δομή της, και επίσης υιοθετεί υλικά υποστρώματος με καλύτερη θερμική αγωγιμότητα, και προσπάθησε να ενσωματώσει πυκνωτές αποσύνδεσης, αισθητήρες θερμοκρασίας/ρεύματος και κυκλώματα οδήγησης στη δομή της μονάδας, και ανέπτυξε μια ποικιλία διαφορετικών τεχνολογιών συσκευασίας μονάδων. Επιπλέον, υπάρχουν υψηλά τεχνικά εμπόδια στην κατασκευή συσκευών SiC και το κόστος παραγωγής είναι υψηλό.
Οι συσκευές καρβιδίου του πυριτίου παράγονται με την εναπόθεση επιταξιακών στρωμάτων σε ένα υπόστρωμα καρβιδίου του πυριτίου μέσω CVD. Η διαδικασία περιλαμβάνει καθαρισμό, οξείδωση, φωτολιθογραφία, χάραξη, απογύμνωση του φωτοευαίσθητου υλικού, εμφύτευση ιόντων, χημική εναπόθεση ατμών νιτριδίου του πυριτίου, στίλβωση, ψεκασμό και επακόλουθα βήματα επεξεργασίας για να σχηματιστεί η δομή της συσκευής στο μονοκρυσταλλικό υπόστρωμα SiC. Οι κύριοι τύποι συσκευών ισχύος SiC περιλαμβάνουν διόδους SiC, τρανζίστορ SiC και μονάδες ισχύος SiC. Λόγω παραγόντων όπως η αργή ταχύτητα παραγωγής υλικού ανάντη και οι χαμηλοί ρυθμοί απόδοσης, οι συσκευές καρβιδίου του πυριτίου έχουν σχετικά υψηλό κόστος κατασκευής.
Επιπλέον, η κατασκευή συσκευών από καρβίδιο του πυριτίου παρουσιάζει ορισμένες τεχνικές δυσκολίες:
1) Είναι απαραίτητο να αναπτυχθεί μια συγκεκριμένη διαδικασία που να είναι σύμφωνη με τα χαρακτηριστικά των υλικών καρβιδίου του πυριτίου. Για παράδειγμα: Το SiC έχει υψηλό σημείο τήξης, γεγονός που καθιστά την παραδοσιακή θερμική διάχυση αναποτελεσματική. Είναι απαραίτητο να χρησιμοποιηθεί η μέθοδος πρόσμιξης ιόντων και να ελεγχθούν με ακρίβεια παράμετροι όπως η θερμοκρασία, ο ρυθμός θέρμανσης, η διάρκεια και η ροή αερίου. Το SiC είναι αδρανές σε χημικούς διαλύτες. Θα πρέπει να χρησιμοποιηθούν μέθοδοι όπως η ξηρή χάραξη και να βελτιστοποιηθούν και να αναπτυχθούν υλικά μάσκας, μείγματα αερίων, έλεγχος της κλίσης των πλευρικών τοιχωμάτων, ρυθμός χάραξης, τραχύτητα πλευρικών τοιχωμάτων κ.λπ.
2) Η κατασκευή μεταλλικών ηλεκτροδίων σε πλακίδια καρβιδίου του πυριτίου απαιτεί αντίσταση επαφής κάτω από 10-5Ω2. Τα υλικά ηλεκτροδίων που πληρούν τις απαιτήσεις, Ni και Al, έχουν κακή θερμική σταθερότητα πάνω από τους 100°C, αλλά το Al/Ni έχει καλύτερη θερμική σταθερότητα. Η ειδική αντίσταση επαφής του σύνθετου υλικού ηλεκτροδίων /W/Au είναι 10-3Ω2 υψηλότερη.
3) Το SiC έχει υψηλή φθορά κοπής και η σκληρότητα του SiC είναι δεύτερη μόνο μετά το διαμάντι, γεγονός που θέτει υψηλότερες απαιτήσεις για κοπή, λείανση, στίλβωση και άλλες τεχνολογίες.
Επιπλέον, οι συσκευές τροφοδοσίας από καρβίδιο του πυριτίου σε τάφρο είναι πιο δύσκολες στην κατασκευή. Σύμφωνα με τις διαφορετικές δομές συσκευών, οι συσκευές τροφοδοσίας από καρβίδιο του πυριτίου μπορούν να χωριστούν κυρίως σε επίπεδες συσκευές και συσκευές τάφρων. Οι επίπεδες συσκευές τροφοδοσίας από καρβίδιο του πυριτίου έχουν καλή συνοχή μονάδας και απλή διαδικασία κατασκευής, αλλά είναι επιρρεπείς στο φαινόμενο JFET και έχουν υψηλή παρασιτική χωρητικότητα και αντίσταση σε κατάσταση ενεργοποίησης. Σε σύγκριση με τις επίπεδες συσκευές, οι συσκευές τροφοδοσίας από καρβίδιο του πυριτίου σε τάφρο έχουν χαμηλότερη συνοχή μονάδας και έχουν μια πιο σύνθετη διαδικασία κατασκευής. Ωστόσο, η δομή της τάφρου ευνοεί την αύξηση της πυκνότητας μονάδας της συσκευής και είναι λιγότερο πιθανό να παράγει το φαινόμενο JFET, το οποίο είναι ευεργετικό για την επίλυση του προβλήματος της κινητικότητας των καναλιών. Έχει εξαιρετικές ιδιότητες όπως μικρή αντίσταση ενεργοποίησης, μικρή παρασιτική χωρητικότητα και χαμηλή κατανάλωση ενέργειας μεταγωγής. Έχει σημαντικά πλεονεκτήματα κόστους και απόδοσης και έχει γίνει η κύρια κατεύθυνση της ανάπτυξης συσκευών τροφοδοσίας από καρβίδιο του πυριτίου. Σύμφωνα με την επίσημη ιστοσελίδα της Rohm, η δομή ROHM Gen3 (δομή Gen1 Trench) καταλαμβάνει μόνο το 75% της επιφάνειας του τσιπ Gen2 (Plannar2) και η αντίσταση ενεργοποίησης της δομής ROHM Gen3 μειώνεται κατά 50% με το ίδιο μέγεθος τσιπ.
Τα έξοδα υποστρώματος καρβιδίου του πυριτίου, επιταξίας, front-end, έρευνας και ανάπτυξης και άλλα αντιπροσωπεύουν το 47%, 23%, 19%, 6% και 5% του κόστους κατασκευής των συσκευών καρβιδίου του πυριτίου αντίστοιχα.
Τέλος, θα επικεντρωθούμε στην άρση των τεχνικών εμποδίων των υποστρωμάτων στην αλυσίδα της βιομηχανίας καρβιδίου του πυριτίου.
Η διαδικασία παραγωγής υποστρωμάτων καρβιδίου του πυριτίου είναι παρόμοια με αυτή των υποστρωμάτων με βάση το πυρίτιο, αλλά πιο δύσκολη.
Η διαδικασία κατασκευής υποστρώματος καρβιδίου του πυριτίου περιλαμβάνει γενικά τη σύνθεση πρώτων υλών, την ανάπτυξη κρυστάλλων, την επεξεργασία πλινθωμάτων, την κοπή πλινθωμάτων, την άλεση πλακιδίων, τη στίλβωση, τον καθαρισμό και άλλες συνδέσεις.
Το στάδιο ανάπτυξης κρυστάλλων είναι ο πυρήνας ολόκληρης της διαδικασίας και αυτό το βήμα καθορίζει τις ηλεκτρικές ιδιότητες του υποστρώματος καρβιδίου του πυριτίου.
Τα υλικά καρβιδίου του πυριτίου είναι δύσκολο να αναπτυχθούν σε υγρή φάση υπό κανονικές συνθήκες. Η μέθοδος ανάπτυξης σε αέρια φάση, που είναι δημοφιλής στην αγορά σήμερα, έχει θερμοκρασία ανάπτυξης πάνω από 2300°C και απαιτεί ακριβή έλεγχο της θερμοκρασίας ανάπτυξης. Ολόκληρη η διαδικασία λειτουργίας είναι σχεδόν δύσκολο να παρατηρηθεί. Ένα μικρό σφάλμα θα οδηγήσει σε απόρριψη του προϊόντος. Συγκριτικά, τα υλικά πυριτίου απαιτούν μόνο 1600℃, η οποία είναι πολύ χαμηλότερη. Η προετοιμασία υποστρωμάτων καρβιδίου του πυριτίου αντιμετωπίζει επίσης δυσκολίες, όπως η αργή ανάπτυξη κρυστάλλων και οι υψηλές απαιτήσεις κρυσταλλικής μορφής. Η ανάπτυξη πλακιδίων καρβιδίου του πυριτίου διαρκεί περίπου 7 έως 10 ημέρες, ενώ η έλξη ράβδων πυριτίου διαρκεί μόνο 2,5 ημέρες. Επιπλέον, το καρβίδιο του πυριτίου είναι ένα υλικό του οποίου η σκληρότητα είναι δεύτερη μόνο μετά το διαμάντι. Θα χάσει πολλά κατά την κοπή, την άλεση και το γυάλισμα, και ο λόγος εξόδου είναι μόνο 60%.
Γνωρίζουμε ότι η τάση είναι να αυξάνεται το μέγεθος των υποστρωμάτων καρβιδίου του πυριτίου. Καθώς το μέγεθος συνεχίζει να αυξάνεται, οι απαιτήσεις για τεχνολογία διαστολής διαμέτρου γίνονται όλο και υψηλότερες. Απαιτείται ένας συνδυασμός διαφόρων τεχνικών στοιχείων ελέγχου για την επίτευξη επαναληπτικής ανάπτυξης κρυστάλλων.
Ώρα δημοσίευσης: 22 Μαΐου 2024