Stabiilse jõudlusega kvaliteetsete ränikarbiidist vahvlite stabiilse masstootmise tehnilised raskused hõlmavad järgmist:
1) Kuna kristallid peavad kasvama kõrgel temperatuuril suletud keskkonnas üle 2000 °C, on temperatuuri reguleerimise nõuded äärmiselt kõrged;
2) Kuna ränikarbiidil on üle 200 kristallstruktuuri, kuid ainult vähesed monokristalli ränikarbiidi struktuurid on vajalikud pooljuhtmaterjalid, tuleb kristalli kasvuprotsessi ajal täpselt kontrollida räni ja süsiniku suhet, kasvutemperatuuri gradienti ja kristalli kasvu. Sellised parameetrid nagu kiirus ja õhuvoolu rõhk;
3) Aurfaasiülekande meetodil on ränikarbiidi kristallide kasvu läbimõõdu laiendamise tehnoloogia äärmiselt keeruline;
4) Ränikarbiidi kõvadus on lähedane teemandi kõvadusele ning lõikamis-, lihvimis- ja poleerimistehnikad on keerulised.
SiC epitaksiaalvahvlid: tavaliselt valmistatakse keemilise aurustamise (CVD) meetodil. Erinevate legeerimisliikide järgi jagunevad need n-tüüpi ja p-tüüpi epitaksiaalvahvliteks. Kodumaised Hantian Tiancheng ja Dongguan Tianyu pakuvad juba 4-tolliseid/6-tolliseid SiC epitaksiaalvahvleid. SiC epitaksiat on kõrgepingeväljal raske kontrollida ning SiC epitaksia kvaliteedil on SiC-seadmetele suurem mõju. Lisaks on epitaksiaalseadmed monopoliseerunud nelja tööstusharu juhtiva ettevõtte poolt: Axitron, LPE, TEL ja Nuflare.
Ränikarbiidi epitaksiaalneVahvel viitab ränikarbiidist vahvlile, milles algsele ränikarbiidist aluspinnale kasvatatakse teatud nõuetele vastav ja samaväärne aluspinna kristalliga monokristallkile (epitaksiaalkiht). Epitaksiaalkasvuks kasutatakse peamiselt CVD (keemilise aurustamise-sadestamise) seadmeid või MBE (molekulaarkiire epitaksia) seadmeid. Kuna ränikarbiidist seadmeid valmistatakse otse epitaksiaalkihis, mõjutab epitaksiaalkihi kvaliteet otseselt seadme jõudlust ja saagikust. Seadme pingetaluvuse pideva suurenemisega muutub vastava epitaksiaalkihi paksus paksemaks ja selle juhtimine muutub raskemaks. Üldiselt on umbes 600 V pinge korral vajalik epitaksiaalkihi paksus umbes 6 mikronit; 1200–1700 V pinge korral ulatub vajalik epitaksiaalkihi paksus 10–15 mikronini. Kui pinge ületab 10 000 volti, võib olla vajalik üle 100 mikroni paksune epitaksiaalkiht. Epitaksiaalse kihi paksuse jätkuva suurenemisega muutub paksuse ja takistuse ühtluse ning defektide tiheduse kontrollimine üha raskemaks.
SiC-seadmed: Rahvusvaheliselt on industrialiseeritud 600–1700 V SiC SBD ja MOSFET-transistorid. Peamised tooted töötavad pingel alla 1200 V ja kasutavad peamiselt TO-pakendit. Hinna poolest on SiC-tooted rahvusvahelisel turul umbes 5–6 korda kõrgemad kui nende Si-tooted. Hinnad langevad aga 10% aastamääraga. Järgmise 2–3 aasta jooksul suureneb turul pakkumine, mis omakorda viib edasiste hindade languseni. Eeldatakse, et kui hind tõuseb 2–3 korda Si-toodete hinnast, siis vähendavad süsteemikulud ja paranenud jõudluse eelised SiC-d järk-järgult Si-seadmete turuosa hõivama.
Traditsiooniline pakend põhineb ränipõhistel aluspindadel, samas kui kolmanda põlvkonna pooljuhtmaterjalid vajavad täiesti uut disaini. Traditsiooniliste ränipõhiste pakkestruktuuride kasutamine laia keelutsooniga toiteseadmetes võib tekitada uusi probleeme ja väljakutseid, mis on seotud sageduse, soojushalduse ja töökindlusega. SiC-toiteseadmed on tundlikumad parasiitse mahtuvuse ja induktiivsuse suhtes. Võrreldes Si-seadmetega on SiC-toitekiipidel kiirem lülituskiirus, mis võib põhjustada ülelööke, võnkumist, suurenenud lülituskadusid ja isegi seadmete talitlushäireid. Lisaks töötavad SiC-toiteseadmed kõrgematel temperatuuridel, mis nõuab täiustatud soojushalduse tehnikaid.
Lai keelutsooniga pooljuhtide toiteplokkide valdkonnas on välja töötatud mitmesuguseid struktuure. Traditsiooniline ränipõhine toitemoodulite ümbris ei ole enam sobiv. Traditsiooniliste ränipõhiste toitemoodulite ümbriste kõrgete parasiitsete parameetrite ja kehva soojuseralduse efektiivsuse probleemide lahendamiseks on ränikarbiidist toitemoodulite ümbris oma struktuuris kasutanud traadita ühenduse ja kahepoolse jahutuse tehnoloogiat ning parema soojusjuhtivusega alusmaterjale. Samuti on püütud moodulistruktuuri integreerida lahtisiduvaid kondensaatoreid, temperatuuri-/vooluandureid ja ajamiahelaid ning arendatud välja mitmesuguseid moodulite pakkimise tehnoloogiaid. Lisaks on ränikarbiidist seadmete tootmisel suured tehnilised takistused ja tootmiskulud on kõrged.
Ränikarbiidist seadmeid toodetakse epitaksiaalsete kihtide sadestamise teel ränikarbiidi aluspinnale CVD meetodil. Protsess hõlmab puhastamist, oksüdeerimist, fotolitograafiat, söövitamist, fotoresisti eemaldamist, ioonide implanteerimist, räninitriidi keemilist aurustamist, poleerimist, pihustamist ja järgnevaid töötlemisetappe, et moodustada seadme struktuur ränikarbiidi monokristalli aluspinnale. Peamised ränikarbiidist toiteseadmete tüübid on ränikarbiidist dioodid, ränikarbiidist transistorid ja ränikarbiidist toitemoodulid. Selliste tegurite tõttu nagu aeglane materjali tootmise kiirus ja madal saagismäär on ränikarbiidist seadmetel suhteliselt kõrged tootmiskulud.
Lisaks on ränikarbiidist seadmete tootmisel teatud tehnilised raskused:
1) Vajalik on välja töötada spetsiifiline protsess, mis on kooskõlas ränikarbiidmaterjalide omadustega. Näiteks: SiC-l on kõrge sulamistemperatuur, mis muudab traditsioonilise termilise difusiooni ebaefektiivseks. Vajalik on kasutada ioonimplantatsiooni dopeerimismeetodit ja täpselt kontrollida parameetreid, nagu temperatuur, kuumutamiskiirus, kestus ja gaasivool; SiC on keemiliste lahustite suhtes inertne. Kasutada tuleks selliseid meetodeid nagu kuivsöövitus ning optimeerida ja arendada maskimaterjale, gaasisegusid, külgseina kalde, söövituskiiruse, külgseina kareduse jms juhtimist.
2) Ränikarbiidplaatidel metallelektroodide tootmine nõuab kontakttakistust alla 10-5Ω2. Nõuetele vastavatel elektroodimaterjalidel Ni ja Al on halb termiline stabiilsus temperatuuril üle 100 °C, kuid Al/Ni-l on parem termiline stabiilsus. /W/Au komposiitelektroodimaterjali kontakttakistus on 10-3Ω2 suurem;
3) SiC-l on kõrge lõikekulumiskindlus ja SiC kõvadus on teisel kohal ainult teemandi järel, mis seab lõikamisele, lihvimisele, poleerimisele ja muudele tehnoloogiatele kõrgemad nõuded.
Lisaks on ränikarbiidist tranšeestruktuuriga toiteseadmeid keerulisem toota. Erinevate seadmestruktuuride kohaselt saab ränikarbiidist toiteseadmed jagada peamiselt tasapinnalisteks seadmeteks ja tranšeestruktuuriga seadmeteks. Tasapinnalistel ränikarbiidist toiteseadmetel on hea ühikukonsistents ja lihtne tootmisprotsess, kuid nad on altid JFET-efektile ning neil on suur parasiitmahtuvus ja sisselülitatud oleku takistus. Võrreldes tasapinnaliste seadmetega on tranšeestruktuuriga ränikarbiidist toiteseadmetel madalam ühikukonsistents ja keerukam tootmisprotsess. Tranšeestruktuur soodustab aga seadme ühikutiheduse suurendamist ja tekitab vähem JFET-efekti, mis on kasulik kanali liikuvuse probleemi lahendamisel. Sellel on suurepärased omadused, nagu väike sisselülitatud takistus, väike parasiitmahtuvus ja madal lülitusenergiatarve. Sellel on märkimisväärsed kulu- ja jõudluseelised ning sellest on saanud ränikarbiidist toiteseadmete arenduse peamine suund. Rohmi ametliku veebisaidi andmetel moodustab ROHM Gen3 struktuur (Gen1 Trench struktuur) vaid 75% Gen2 (Plannar2) kiibi pindalast ja ROHM Gen3 struktuuri sisselülitatud oleku takistus on sama kiibi suuruse juures vähenenud 50%.
Ränikarbiidist aluspind, epitaksia, esiosa, teadus- ja arendustegevuse kulud ning muud moodustavad vastavalt 47%, 23%, 19%, 6% ja 5% ränikarbiidist seadmete tootmiskuludest.
Lõpuks keskendume ränikarbiidi tööstusahelas substraatide tehniliste tõkete kõrvaldamisele.
Ränikarbiidist aluspindade tootmisprotsess on sarnane ränipõhiste aluspindade omaga, kuid keerulisem.
Ränikarbiidi aluspinna tootmisprotsess hõlmab üldiselt tooraine sünteesi, kristallide kasvatamist, valuplokkide töötlemist, valuplokkide lõikamist, vahvlite lihvimist, poleerimist, puhastamist ja muid lülisid.
Kristalli kasvu etapp on kogu protsessi tuum ja see etapp määrab ränikarbiidist aluspinna elektrilised omadused.
Ränikarbiidist materjale on tavatingimustes vedelas faasis raske kasvatada. Tänapäeval turul populaarse aurufaasi kasvumeetodi kasvutemperatuur on üle 2300 °C ja see nõuab kasvutemperatuuri täpset kontrolli. Kogu tööprotsessi on peaaegu raske jälgida. Väike viga viib toote praagini. Võrdluseks, ränimaterjalid vajavad vaid 1600 ℃, mis on palju madalam. Ränikarbiidist aluspindade ettevalmistamisel on samuti raskusi, näiteks aeglane kristallide kasv ja kõrged kristallivormi nõuded. Ränikarbiidist vahvli kasv võtab aega umbes 7–10 päeva, samas kui ränivarda tõmbamine võtab vaid 2 ja pool päeva. Lisaks on ränikarbiid materjal, mille kõvadus on teisel kohal ainult teemandi järel. See kaotab lõikamise, lihvimise ja poleerimise ajal palju kõvadust ning saagikuse suhe on vaid 60%.
Me teame, et trend on ränikarbiidist aluspindade suuruse suurendamine, kuid kuna suurus jätkuvalt suureneb, muutuvad läbimõõdu laiendamise tehnoloogia nõuded üha kõrgemaks. Kristallide iteratiivse kasvu saavutamiseks on vaja erinevate tehniliste juhtimiselementide kombinatsiooni.
Postituse aeg: 22. mai 2024