Las dificultades técnicas para producir en masa de forma estable obleas de carburo de silicio de alta calidad con un rendimiento estable incluyen:
1) Dado que los cristales necesitan crecer en un entorno sellado de alta temperatura por encima de 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 necesarios, la relación silicio-carbono, el gradiente de temperatura de crecimiento y el crecimiento cristalino deben controlarse con precisión durante el proceso de crecimiento cristalino. 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 de diámetro del crecimiento de cristales de carburo de silicio es extremadamente difícil;
4) La dureza del carburo de silicio es cercana a la del diamante, y las técnicas de corte, esmerilado y pulido son difíciles.
Obleas epitaxiales de SiC: Se fabrican generalmente mediante el método de deposición química en fase de vapor (CVD). Según el tipo de dopaje, se dividen en obleas epitaxiales de tipo n y tipo p. Hantian Tiancheng y Dongguan Tianyu, empresas nacionales, ya ofrecen obleas epitaxiales de SiC de 4 y 6 pulgadas. La epitaxia de SiC es difícil de controlar en el campo de alta tensión, y su calidad tiene un mayor impacto en los dispositivos de SiC. Además, los equipos epitaxiales están monopolizados por las cuatro empresas líderes del sector: Axitron, LPE, TEL y Nuflare.
Carburo de silicio epitaxialEl término oblea se refiere a una oblea de carburo de silicio en la que se cultiva una película monocristalina (capa epitaxial) con ciertos requisitos, iguales a los del cristal del sustrato, sobre el sustrato original de carburo de silicio. El crecimiento epitaxial utiliza principalmente equipos de CVD (deposición química en fase de vapor) o MBE (epitaxia por haz molecular). Dado que los dispositivos de carburo de silicio se fabrican directamente en la capa epitaxial, la calidad de esta afecta directamente el rendimiento y la productividad del dispositivo. A medida que aumenta la resistencia a la tensión del dispositivo, el espesor de la capa epitaxial correspondiente se vuelve más grueso y el control se vuelve más difícil. Generalmente, cuando la tensión es de alrededor de 600 V, el espesor requerido de la capa epitaxial es de aproximadamente 6 micras; cuando la tensión está entre 1200 y 1700 V, el espesor requerido de la capa epitaxial alcanza las 10-15 micras. Si el voltaje supera los 10 000 voltios, podría requerirse un espesor de capa epitaxial superior a 100 micras. A medida que aumenta el espesor de la capa epitaxial, se vuelve cada vez más difícil controlar la uniformidad del espesor y la resistividad, así como la densidad de defectos.
Dispositivos de SiC: A nivel internacional, se han industrializado los SBD y MOSFET de SiC de 600 a 1700 V. Los productos convencionales operan a voltajes inferiores a 1200 V y adoptan principalmente encapsulado TO. En cuanto a precios, los productos de SiC en el mercado internacional tienen un precio entre 5 y 6 veces superior al de sus homólogos de Si. Sin embargo, estos 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 generará nuevas reducciones de precios. Se espera que cuando el precio duplique o triplique el de los productos de Si, las ventajas derivadas de la reducción de los costes del sistema y la mejora del rendimiento impulsen gradualmente al SiC a ocupar el mercado de los dispositivos de Si.
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 basadas en silicio para dispositivos de potencia de banda ancha puede plantear 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 Si, los chips de potencia de SiC presentan velocidades de conmutación más rápidas, lo que puede provocar sobreimpulsos, oscilaciones, mayores pérdidas de conmutación e incluso fallos de funcionamiento del dispositivo. Además, los dispositivos de potencia de SiC operan a temperaturas más altas, 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 ancha. El encapsulado tradicional de módulos de potencia basado en silicio (Si) ya no es adecuado. Para solucionar los problemas de los altos parámetros parásitos y la baja eficiencia de disipación térmica del encapsulado tradicional de módulos de potencia basado en silicio, el encapsulado de módulos de potencia de SiC adopta tecnología de interconexión inalámbrica y refrigeración de doble cara en su estructura, además de materiales de sustrato con mejor conductividad térmica. Además, se han intentado integrar condensadores de desacoplamiento, sensores de temperatura/corriente y circuitos de control en la estructura del módulo, desarrollando diversas tecnologías de encapsulado. Además, existen importantes barreras técnicas para la fabricación de dispositivos de SiC y sus elevados costes de producción.
Los dispositivos de carburo de silicio se producen mediante la deposición de capas epitaxiales sobre un sustrato de carburo de silicio mediante CVD. El proceso incluye limpieza, oxidación, fotolitografía, grabado, decapado de la fotorresistencia, implantación de iones, deposición química en fase de vapor de nitruro de silicio, pulido, pulverización catódica y los 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, transistores y módulos de potencia de SiC. Debido a factores como la baja velocidad de producción inicial del material y las bajas tasas de rendimiento, 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 se ajuste a las características de los materiales de carburo de silicio. Por ejemplo, el SiC tiene un punto de fusión elevado, lo que hace ineficaz la difusión térmica tradicional. 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; el 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 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 sobre obleas de carburo de silicio requiere una resistencia de contacto inferior a 10-5 Ω². Los materiales de electrodo que cumplen estos requisitos, Ni y Al, presentan una baja estabilidad térmica por encima de los 100 °C, mientras que el Al/Ni presenta una mejor estabilidad térmica. La resistencia específica de contacto del material de electrodo compuesto de /W/Au es 10-3 Ω² mayor.
3) El SiC tiene un alto desgaste por corte y su dureza es superada solo por el diamante, lo que plantea mayores requisitos para el corte, el esmerilado, el pulido y otras tecnologías.
Además, los dispositivos de potencia de carburo de silicio de trinchera son más difíciles de fabricar. Según las diferentes estructuras del dispositivo, los dispositivos de potencia de carburo de silicio se pueden dividir principalmente en dispositivos planares y dispositivos de trinchera. Los dispositivos de potencia de carburo de silicio planares tienen buena consistencia de unidad y un proceso de fabricación simple, pero son propensos al efecto JFET y tienen alta capacitancia parásita y resistencia en estado encendido. En comparación con los dispositivos planares, los dispositivos de potencia de carburo de silicio de trinchera tienen menor consistencia de unidad y tienen un proceso de fabricación más complejo. Sin embargo, la estructura de trinchera es propicia para aumentar la densidad de la unidad del dispositivo y es menos probable que produzca el efecto JFET, lo que es beneficioso para resolver el problema de la movilidad del canal. Tiene excelentes propiedades como pequeña resistencia en estado encendido, pequeña capacitancia parásita y bajo consumo de energía de conmutación. Tiene importantes ventajas de costo y rendimiento y se ha convertido en la dirección principal del desarrollo de dispositivos de potencia de carburo de silicio. Según el sitio web oficial de Rohm, la estructura ROHM Gen3 (estructura Gen1 Trench) es 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 parte frontal, los gastos de I+D y otros representan el 47%, 23%, 19%, 6% y 5% del costo de fabricación de los dispositivos de carburo de silicio respectivamente.
Finalmente, nos centraremos en romper las barreras técnicas de los sustratos en la cadena 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 del sustrato de carburo de silicio generalmente incluye síntesis de materia prima, crecimiento de cristales, procesamiento de lingotes, corte de lingotes, rectificado de obleas, pulido, limpieza y otros enlaces.
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 de vapor, popular en el mercado actual, alcanza una temperatura de crecimiento superior a 2300 °C y requiere un control preciso de dicha temperatura. Todo el proceso operativo es prácticamente imposible de observar. Un pequeño error puede provocar 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 el lento crecimiento de los cristales y los altos requisitos de forma cristalina. El crecimiento de obleas de carburo de silicio tarda entre 7 y 10 días, mientras que el estirado de varillas de silicio solo tarda 2 días y medio. Además, el carburo de silicio es un material cuya dureza solo es superada por la del diamante. Su dureza se pierde considerablemente durante el corte, el esmerilado y el pulido, y la tasa de producción 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 aumenta, los requisitos para la tecnología de expansión de diámetro son cada vez mayores. Se requiere una combinación de diversos elementos de control técnico para lograr el crecimiento iterativo de los cristales.
Hora de publicación: 22 de mayo de 2024