Las dificultades técnicas para la producción en masa estable de obleas de carburo de silicio de alta calidad con un rendimiento estable incluyen:
1) Dado que los cristales necesitan crecer en un entorno sellado a alta temperatura, por encima de los 2000 °C, los requisitos de control de temperatura son extremadamente altos;
2) Dado que el carburo de silicio tiene más de 200 estructuras cristalinas, pero solo unas pocas estructuras de carburo de silicio monocristalino son los materiales semiconductores requeridos, la relación silicio-carbono, el gradiente de temperatura de crecimiento y el crecimiento del cristal deben controlarse con precisión durante el proceso de crecimiento del cristal. Parámetros como la velocidad y la presión del flujo de aire;
3) Bajo el método de transmisión en fase de vapor, la tecnología de expansión del diámetro del crecimiento de cristales de carburo de silicio es extremadamente difícil;
4) La dureza del carburo de silicio es similar a la del diamante, y las técnicas de corte, rectificado y pulido son difíciles.
Obleas epitaxiales de SiC: generalmente se fabrican mediante deposición química de vapor (CVD). Según el tipo de dopaje, se dividen en obleas epitaxiales de tipo n y de tipo p. Las empresas chinas Hantian Tiancheng y Dongguan Tianyu ya ofrecen obleas epitaxiales de SiC de 4 y 6 pulgadas. La epitaxia de SiC es difícil de controlar en el campo de alto voltaje, y su calidad tiene un gran impacto en los dispositivos de SiC. Además, el mercado de equipos epitaxiales está monopolizado por las cuatro empresas líderes del sector: Axitron, LPE, TEL y Nuflare.
Carburo de silicio epitaxialUna oblea se refiere a una oblea de carburo de silicio en la que se cultiva una película monocristalina (capa epitaxial) con ciertos requisitos, idéntica al cristal del sustrato original de carburo de silicio. El crecimiento epitaxial utiliza principalmente equipos de CVD (deposición química de vapor) o MBE (epitaxia de haces moleculares). Dado que los dispositivos de carburo de silicio se fabrican directamente en la capa epitaxial, la calidad de esta afecta directamente al rendimiento y la producción del dispositivo. A medida que aumenta la resistencia a la tensión del dispositivo, el espesor de la capa epitaxial correspondiente se incrementa y su control se vuelve más complejo. Generalmente, cuando la tensión ronda los 600 V, el espesor requerido de la capa epitaxial es de aproximadamente 6 micras; cuando la tensión se encuentra entre 1200 y 1700 V, el espesor requerido alcanza las 10-15 micras. Si el voltaje supera los 10 000 voltios, puede ser necesario un espesor de capa epitaxial superior a 100 micras. A medida que aumenta el espesor de la capa epitaxial, resulta cada vez más difícil controlar la uniformidad del espesor y la resistividad, así como la densidad de defectos.
Dispositivos SiC: A nivel internacional, los diodos Schottky (SBD) y MOSFET de SiC de 600 a 1700 V se han industrializado. Los productos más comunes operan a niveles de voltaje inferiores a 1200 V y utilizan principalmente encapsulados TO. En cuanto al precio, los productos SiC en el mercado internacional son entre 5 y 6 veces más caros que sus homólogos de silicio. Sin embargo, los precios están disminuyendo a una tasa anual del 10 %. Con la expansión de la producción de materiales y dispositivos en los próximos 2 o 3 años, la oferta del mercado aumentará, lo que provocará nuevas reducciones de precios. Se espera que, cuando el precio alcance entre 2 y 3 veces el de los productos de silicio, las ventajas derivadas de la reducción de costes del sistema y la mejora del rendimiento impulsen gradualmente al SiC a ocupar el espacio de mercado de los dispositivos de silicio.
El encapsulado tradicional se basa en sustratos de silicio, mientras que los materiales semiconductores de tercera generación requieren un diseño completamente nuevo. El uso de estructuras de encapsulado tradicionales de silicio para dispositivos de potencia de banda prohibida ancha puede generar nuevos problemas y desafíos relacionados con la frecuencia, la gestión térmica y la fiabilidad. Los dispositivos de potencia de SiC son más sensibles a la capacitancia e inductancia parásitas. En comparación con los dispositivos de silicio, los chips de potencia de SiC tienen velocidades de conmutación más rápidas, lo que puede provocar sobreoscilaciones, oscilaciones, mayores pérdidas de conmutación e incluso fallos de funcionamiento. Además, los dispositivos de potencia de SiC operan a temperaturas más elevadas, lo que requiere técnicas de gestión térmica más avanzadas.
Se han desarrollado diversas estructuras en el campo del encapsulado de potencia de semiconductores de banda prohibida ancha. El encapsulado tradicional de módulos de potencia basado en silicio ya no es adecuado. Para solucionar los problemas de altos parámetros parásitos y baja eficiencia de disipación de calor del encapsulado tradicional de módulos de potencia basado en silicio, el encapsulado de módulos de potencia de carburo de silicio (SiC) adopta interconexión inalámbrica y tecnología de refrigeración de doble cara en su estructura, además de utilizar materiales de sustrato con mejor conductividad térmica. También se ha intentado integrar condensadores de desacoplamiento, sensores de temperatura/corriente y circuitos de control en la estructura del módulo, desarrollando así diversas tecnologías de encapsulado de módulos. Sin embargo, existen altas barreras técnicas para la fabricación de dispositivos SiC y los costos de producción son elevados.
Los dispositivos de carburo de silicio se fabrican mediante la deposición de capas epitaxiales sobre un sustrato de carburo de silicio a través de CVD. El proceso incluye limpieza, oxidación, fotolitografía, grabado, eliminación de fotorresina, implantación iónica, deposición química en fase vapor de nitruro de silicio, pulido, pulverización catódica y pasos de procesamiento posteriores para formar la estructura del dispositivo sobre el sustrato monocristalino de SiC. Los principales tipos de dispositivos de potencia de SiC incluyen diodos de SiC, transistores de SiC y módulos de potencia de SiC. Debido a factores como la baja velocidad de producción de materiales y los bajos rendimientos, los dispositivos de carburo de silicio tienen costos de fabricación relativamente altos.
Además, la fabricación de dispositivos de carburo de silicio presenta ciertas dificultades técnicas:
1) Es necesario desarrollar un proceso específico que sea consistente con las características de los materiales de carburo de silicio. Por ejemplo: SiC tiene un punto de fusión alto, lo que hace que la difusión térmica tradicional sea ineficaz. Es necesario utilizar el método de dopaje por implantación iónica y controlar con precisión parámetros como la temperatura, la velocidad de calentamiento, la duración y el flujo de gas; SiC es inerte a los disolventes químicos. Se deben utilizar métodos como el grabado en seco, y se deben optimizar y desarrollar los materiales de la máscara, las mezclas de gases, el control de la pendiente de la pared lateral, la velocidad de grabado, la rugosidad de la pared lateral, etc.
2) La fabricación de electrodos metálicos en obleas de carburo de silicio requiere una resistencia de contacto inferior a 10⁻⁵ Ω². Los materiales de electrodo que cumplen los requisitos, Ni y Al, tienen una estabilidad térmica deficiente por encima de 100 °C, pero Al/Ni tiene una mejor estabilidad térmica. La resistencia específica de contacto del material de electrodo compuesto /W/Au es 10⁻³ Ω² mayor;
3) El SiC tiene un alto desgaste por corte, y su dureza solo es superada por la del diamante, lo que plantea mayores exigencias para el corte, el rectificado, el pulido y otras tecnologías.
Además, los dispositivos de potencia de carburo de silicio de trinchera son más difíciles de fabricar. Según sus diferentes estructuras, los dispositivos de potencia de carburo de silicio se pueden dividir principalmente en dispositivos planares y de trinchera. Los dispositivos planares de carburo de silicio tienen una buena consistencia de unidad y un proceso de fabricación sencillo, pero son propensos al efecto JFET y presentan una alta capacitancia parásita y resistencia en estado activo. En comparación con los dispositivos planares, los dispositivos de potencia de carburo de silicio de trinchera tienen una menor consistencia de unidad y un proceso de fabricación más complejo. Sin embargo, la estructura de trinchera favorece el aumento de la densidad de unidades del dispositivo y reduce la probabilidad de producir el efecto JFET, lo que contribuye a solucionar el problema de la movilidad del canal. Posee excelentes propiedades, como una baja resistencia en estado activo, una baja capacitancia parásita y un bajo consumo de energía de conmutación. Ofrece importantes ventajas en cuanto a coste y rendimiento, y se ha convertido en la principal dirección del desarrollo de los dispositivos de potencia de carburo de silicio. Según la página web oficial de Rohm, la estructura ROHM Gen3 (estructura Trench Gen1) ocupa solo el 75 % del área del chip Gen2 (Plannar2), y la resistencia de encendido de la estructura ROHM Gen3 se reduce en un 50 % con el mismo tamaño de chip.
El sustrato de carburo de silicio, la epitaxia, la etapa inicial del proceso, los gastos de I+D y otros representan el 47%, el 23%, el 19%, el 6% y el 5% del coste de fabricación de los dispositivos de carburo de silicio, respectivamente.
Por último, nos centraremos en superar las barreras técnicas de los sustratos en la cadena de valor de la industria del carburo de silicio.
El proceso de producción de sustratos de carburo de silicio es similar al de los sustratos a base de silicio, pero más difícil.
El proceso de fabricación de sustratos de carburo de silicio generalmente incluye la síntesis de materia prima, el crecimiento de cristales, el procesamiento de lingotes, el corte de lingotes, el rectificado de obleas, el pulido, la limpieza y otras etapas.
La etapa de crecimiento del cristal es el núcleo de todo el proceso, y este paso determina las propiedades eléctricas del sustrato de carburo de silicio.
Los materiales de carburo de silicio son difíciles de cultivar en fase líquida en condiciones normales. El método de crecimiento en fase gaseosa, popular en el mercado actual, requiere una temperatura de crecimiento superior a 2300 °C y un control preciso de la misma. Todo el proceso es prácticamente imposible de supervisar. Un pequeño error conlleva el descarte del producto. En comparación, los materiales de silicio solo requieren 1600 °C, una temperatura mucho menor. La preparación de sustratos de carburo de silicio también presenta dificultades, como un crecimiento cristalino lento y altos requisitos de forma cristalina. El crecimiento de obleas de carburo de silicio tarda entre 7 y 10 días, mientras que la fabricación de varillas de silicio solo requiere dos días y medio. Además, el carburo de silicio es un material cuya dureza solo es superada por la del diamante. Se desgasta considerablemente durante el corte, el rectificado y el pulido, y el rendimiento es de tan solo el 60 %.
Sabemos que la tendencia es aumentar el tamaño de los sustratos de carburo de silicio; a medida que este tamaño aumenta, las exigencias para la tecnología de expansión de diámetro se vuelven cada vez mayores. Se requiere una combinación de diversos elementos de control técnico para lograr el crecimiento iterativo de los cristales.
Fecha de publicación: 22 de mayo de 2024