As dificultades técnicas para producir en masa obleas de carburo de silicio de alta calidade e cun rendemento estable inclúen:
1) Dado que os cristais necesitan crecer nun ambiente selado a alta temperatura por riba dos 2000 °C, os requisitos de control da temperatura son extremadamente altos;
2) Dado que o carburo de silicio ten máis de 200 estruturas cristalinas, pero só unhas poucas estruturas de carburo de silicio monocristalino son os materiais semicondutores necesarios, a proporción silicio-carbono, o gradiente de temperatura de crecemento e o crecemento do cristal deben controlarse con precisión durante o proceso de crecemento do cristal. Parámetros como a velocidade e a presión do fluxo de aire;
3) Baixo o método de transmisión en fase de vapor, a tecnoloxía de expansión do diámetro do crecemento de cristais de carburo de silicio é extremadamente difícil;
4) A dureza do carburo de silicio é próxima á do diamante, e as técnicas de corte, moenda e pulido son difíciles.
Obleas epitaxiais de SiC: normalmente fabrícanse mediante o método de deposición química de vapor (CVD). Segundo os diferentes tipos de dopaxe, divídense en obleas epitaxiais de tipo n e de tipo p. As empresas nacionais Hantian Tiancheng e Dongguan Tianyu xa poden subministrar obleas epitaxiais de SiC de 4/6 polgadas. Para a epitaxia de SiC, é difícil de controlar no campo da alta tensión e a calidade da epitaxia de SiC ten un maior impacto nos dispositivos de SiC. Ademais, os equipos epitaxiais están monopolizados polas catro empresas líderes da industria: Axitron, LPE, TEL e Nuflare.
epitaxial de carburo de silicioUnha oblea refírese a unha oblea de carburo de silicio na que se cultiva unha película de monocristal (capa epitaxial) con certos requisitos e os mesmos que os do substrato sobre o substrato orixinal de carburo de silicio. O crecemento epitaxial utiliza principalmente equipos CVD (deposición química de vapor) ou equipos MBE (epitaxial de feixe molecular). Dado que os dispositivos de carburo de silicio se fabrican directamente na capa epitaxial, a calidade da capa epitaxial afecta directamente o rendemento do dispositivo. A medida que o rendemento de resistencia á tensión do dispositivo continúa a aumentar, o grosor da capa epitaxial correspondente faise máis groso e o control faise máis difícil. Xeralmente, cando a tensión é duns 600 V, o grosor da capa epitaxial requirido é duns 6 micras; cando a tensión está entre 1200 e 1700 V, o grosor da capa epitaxial requirido alcanza os 10-15 micras. Se a tensión alcanza máis de 10.000 voltios, pode ser necesario un grosor da capa epitaxial de máis de 100 micras. A medida que o grosor da capa epitaxial continúa a aumentar, faise cada vez máis difícil controlar a uniformidade do grosor e da resistividade e a densidade de defectos.
Dispositivos SiC: A nivel internacional, industrializáronse os SBD e MOSFET de SiC de 600~1700 V. Os produtos principais funcionan a niveis de tensión inferiores a 1200 V e adoptan principalmente empaquetado TO. En termos de prezos, os produtos de SiC no mercado internacional teñen un prezo entre 5 e 6 veces superior ao dos seus homólogos de Si. Non obstante, os prezos están a diminuír a unha taxa anual do 10 %. Coa expansión dos materiais de fabricación e a produción de dispositivos nos próximos 2 ou 3 anos, a oferta do mercado aumentará, o que levará a novas reducións de prezos. Espérase que cando o prezo alcance o dobre ou o triplo do dos produtos de Si, as vantaxes que traen a redución dos custos do sistema e a mellora do rendemento impulsen gradualmente o SiC a ocupar o espazo de mercado dos dispositivos de Si.
Os encapsulados tradicionais baséanse en substratos de silicio, mentres que os materiais semicondutores de terceira xeración requiren un deseño completamente novo. O uso de estruturas de encapsulado tradicionais baseadas en silicio para dispositivos de alimentación de banda ancha pode introducir novos problemas e desafíos relacionados coa frecuencia, a xestión térmica e a fiabilidade. Os dispositivos de alimentación de SiC son máis sensibles á capacitancia e á inductancia parasitarias. En comparación cos dispositivos de Si, os chips de alimentación de SiC teñen velocidades de conmutación máis rápidas, o que pode levar a sobrecargas, oscilacións, aumento das perdas de conmutación e mesmo avarías do dispositivo. Ademais, os dispositivos de alimentación de SiC funcionan a temperaturas máis altas, o que require técnicas de xestión térmica máis avanzadas.
Desenvolveronse diversas estruturas no campo da empaquetadura de potencia de semicondutores de banda ancha. A empaquetadura tradicional dos módulos de potencia baseada en Si xa non é axeitada. Para resolver os problemas de altos parámetros parasitarios e baixa eficiencia de disipación de calor da empaquetadura tradicional dos módulos de potencia baseada en Si, a empaquetadura dos módulos de potencia de SiC adopta interconexión sen fíos e tecnoloxía de refrixeración de dobre cara na súa estrutura, e tamén adopta materiais de substrato con mellor condutividade térmica, e intentou integrar condensadores de desacoplamento, sensores de temperatura/corrente e circuítos de accionamento na estrutura do módulo, e desenvolveu unha variedade de tecnoloxías de empaquetadura de módulos diferentes. Ademais, existen altas barreiras técnicas para a fabricación de dispositivos SiC e os custos de produción son elevados.
Os dispositivos de carburo de silicio prodúcense depositando capas epitaxiais sobre un substrato de carburo de silicio mediante CVD. O proceso implica a limpeza, oxidación, fotolitografía, gravado, eliminación de fotorresina, implantación de ións, deposición química de vapor de nitruro de silicio, pulido, pulverización catódica e pasos de procesamento posteriores para formar a estrutura do dispositivo no substrato monocristalino de SiC. Os principais tipos de dispositivos de alimentación de SiC inclúen díodos de SiC, transistores de SiC e módulos de alimentación de SiC. Debido a factores como a lenta velocidade de produción de material augas arriba e as baixas taxas de rendemento, os dispositivos de carburo de silicio teñen custos de fabricación relativamente altos.
Ademais, a fabricación de dispositivos de carburo de silicio presenta certas dificultades técnicas:
1) É necesario desenvolver un proceso específico que sexa coherente coas características dos materiais de carburo de silicio. Por exemplo: o SiC ten un punto de fusión alto, o que fai que a difusión térmica tradicional sexa ineficaz. É necesario usar o método de dopaxe por implantación iónica e controlar con precisión parámetros como a temperatura, a velocidade de quecemento, a duración e o fluxo de gas; o SiC é inerte aos solventes químicos. Débense usar métodos como o gravado en seco e débense optimizar e desenvolver materiais de máscara, mesturas de gases, control da pendente da parede lateral, velocidade de gravado, rugosidade da parede lateral, etc.;
2) A fabricación de eléctrodos metálicos en obleas de carburo de silicio require unha resistencia de contacto inferior a 10-5 Ω2. Os materiais de eléctrodos que cumpren os requisitos, Ni e Al, teñen unha estabilidade térmica deficiente por riba dos 100 °C, pero Al/Ni ten unha mellor estabilidade térmica. A resistencia específica de contacto do material de eléctrodos composto /W/Au é 10-3 Ω2 maior;
3) O SiC ten un alto desgaste por corte e a dureza do SiC só é superada polo diamante, o que supón uns requisitos máis elevados para o corte, a moenda, o pulido e outras tecnoloxías.
Ademais, os dispositivos de potencia de carburo de silicio de trincheira son máis difíciles de fabricar. Segundo as diferentes estruturas dos dispositivos, os dispositivos de potencia de carburo de silicio pódense dividir principalmente en dispositivos planares e dispositivos de trincheira. Os dispositivos de potencia de carburo de silicio planares teñen unha boa consistencia unitaria e un proceso de fabricación sinxelo, pero son propensos ao efecto JFET e teñen unha alta capacitancia parasitaria e resistencia no estado de activación. En comparación cos dispositivos planares, os dispositivos de potencia de carburo de silicio de trincheira teñen unha menor consistencia unitaria e un proceso de fabricación máis complexo. Non obstante, a estrutura de trincheira favorece o aumento da densidade de unidades do dispositivo e é menos probable que produza o efecto JFET, o que é beneficioso para resolver o problema da mobilidade dos canais. Ten excelentes propiedades, como unha pequena resistencia de activación, unha pequena capacitancia parasitaria e un baixo consumo de enerxía de conmutación. Ten vantaxes significativas de custo e rendemento e converteuse na dirección principal do desenvolvemento de dispositivos de potencia de carburo de silicio. Segundo o sitio web oficial de Rohm, a estrutura ROHM Gen3 (estrutura de trincheira Gen1) é só o 75 % da área do chip Gen2 (Plannar2), e a resistencia de activación da estrutura ROHM Gen3 redúcese nun 50 % co mesmo tamaño de chip.
O substrato de carburo de silicio, a epitaxia, os gastos front-end, en I+D e outros representan o 47 %, 23 %, 19 %, 6 % e 5 % do custo de fabricación dos dispositivos de carburo de silicio, respectivamente.
Finalmente, centrarémonos en eliminar as barreiras técnicas dos substratos na cadea industrial do carburo de silicio.
O proceso de produción de substratos de carburo de silicio é similar ao dos substratos a base de silicio, pero máis difícil.
O proceso de fabricación do substrato de carburo de silicio xeralmente inclúe a síntese de materias primas, o crecemento de cristais, o procesamento de lingotes, o corte de lingotes, a moenda de obleas, o pulido, a limpeza e outras conexións.
A etapa de crecemento cristalino é o núcleo de todo o proceso e determina as propiedades eléctricas do substrato de carburo de silicio.
Os materiais de carburo de silicio son difíciles de cultivar en fase líquida en condicións normais. O método de crecemento en fase de vapor popular no mercado actual ten unha temperatura de crecemento superior a 2300 °C e require un control preciso da temperatura de crecemento. Todo o proceso de operación é case difícil de observar. Un pequeno erro levará ao desguace do produto. En comparación, os materiais de silicio só requiren 1600 ℃, que é moito máis baixo. A preparación de substratos de carburo de silicio tamén se enfronta a dificultades como o crecemento lento dos cristais e os altos requisitos de forma cristalina. O crecemento das obleas de carburo de silicio leva uns 7 a 10 días, mentres que a extracción das varas de silicio só leva 2 días e medio. Ademais, o carburo de silicio é un material cuxa dureza só é superada polo diamante. Perderá moito durante o corte, a moenda e o pulido, e a taxa de saída é só do 60 %.
Sabemos que a tendencia é aumentar o tamaño dos substratos de carburo de silicio, a medida que o tamaño continúa a aumentar, os requisitos para a tecnoloxía de expansión do diámetro son cada vez maiores. Require unha combinación de varios elementos de control técnico para lograr o crecemento iterativo dos cristais.
Data de publicación: 22 de maio de 2024