Tehničke poteškoće u stabilnoj masovnoj proizvodnji visokokvalitetnih silicijevih karbidnih pločica sa stabilnim performansama uključuju:
1) Budući da kristali moraju rasti u zatvorenom okruženju s visokom temperaturom iznad 2000 °C, zahtjevi za kontrolu temperature su izuzetno visoki;
2) Budući da silicijev karbid ima više od 200 kristalnih struktura, ali samo nekoliko struktura monokristalnog silicijevog karbida su potrebni poluvodički materijali, omjer silicija i ugljika, gradijent temperature rasta i rast kristala moraju se precizno kontrolirati tijekom procesa rasta kristala. Parametri poput brzine i tlaka protoka zraka;
3) Metodom prijenosa u parnoj fazi, tehnologija širenja promjera rasta kristala silicijevog karbida izuzetno je teška;
4) Tvrdoća silicijevog karbida je bliska tvrdoći dijamanta, a tehnike rezanja, brušenja i poliranja su teške.
SiC epitaksijalne pločice: obično se proizvode metodom kemijskog taloženja iz pare (CVD). Prema različitim vrstama dopiranja, dijele se na epitaksijalne pločice n-tipa i p-tipa. Domaći Hantian Tiancheng i Dongguan Tianyu već mogu isporučiti 4-inčne/6-inčne SiC epitaksijalne pločice. Za SiC epitaksiju, teško je kontrolirati u području visokog napona, a kvaliteta SiC epitaksije ima veći utjecaj na SiC uređaje. Štoviše, epitaksijalnu opremu monopoliziraju četiri vodeće tvrtke u industriji: Axitron, LPE, TEL i Nuflare.
Epitaksijalni silicijev karbidPločica se odnosi na pločicu silicij-karbida u kojoj se na originalnoj silicij-karbidnoj podlozi uzgaja monokristalni film (epitaksijalni sloj) s određenim zahtjevima, isti kao i kristal podloge. Epitaksijalni rast uglavnom se provodi CVD (kemijsko taloženje iz pare) opremom ili MBE (molekularna epitaksija snopom). Budući da se silicij-karbidni uređaji proizvode izravno u epitaksijalnom sloju, kvaliteta epitaksijalnog sloja izravno utječe na performanse i prinos uređaja. Kako se naponska otpornost uređaja nastavlja povećavati, debljina odgovarajućeg epitaksijalnog sloja postaje sve deblja, a kontrola sve teža. Općenito, kada je napon oko 600 V, potrebna debljina epitaksijalnog sloja je oko 6 mikrona; kada je napon između 1200-1700 V, potrebna debljina epitaksijalnog sloja doseže 10-15 mikrona. Ako napon dosegne više od 10 000 volti, može biti potrebna debljina epitaksijalnog sloja veća od 100 mikrona. Kako debljina epitaksijalnog sloja nastavlja rasti, sve je teže kontrolirati ujednačenost debljine i otpornosti te gustoću defekata.
SiC uređaji: Na međunarodnoj razini, industrijalizirani su SiC SBD i MOSFET od 600~1700V. Glavni proizvodi rade na naponima ispod 1200V i prvenstveno koriste TO pakiranje. Što se tiče cijena, SiC proizvodi na međunarodnom tržištu imaju cijenu od oko 5-6 puta veću od svojih Si pandana. Međutim, cijene padaju godišnjom stopom od 10%. S širenjem proizvodnje materijala i uređaja u sljedeće 2-3 godine, ponuda na tržištu će se povećati, što će dovesti do daljnjeg smanjenja cijena. Očekuje se da će, kada cijena dosegne 2-3 puta veću cijenu od Si proizvoda, prednosti koje donose smanjeni troškovi sustava i poboljšane performanse postupno dovesti SiC do zauzimanja tržišnog prostora Si uređaja.
Tradicionalno pakiranje temelji se na podlogama na bazi silicija, dok poluvodički materijali treće generacije zahtijevaju potpuno novi dizajn. Korištenje tradicionalnih struktura pakiranja na bazi silicija za uređaje za napajanje sa širokim energetskim razmakom može uvesti nove probleme i izazove vezane uz frekvenciju, upravljanje toplinom i pouzdanost. SiC uređaji za napajanje osjetljiviji su na parazitski kapacitet i induktivitet. U usporedbi sa Si uređajima, SiC čipovi za napajanje imaju veće brzine preključivanja, što može dovesti do prekoračenja, oscilacija, povećanih gubitaka pri preključivanju, pa čak i kvarova uređaja. Osim toga, SiC uređaji za napajanje rade na višim temperaturama, što zahtijeva naprednije tehnike upravljanja toplinom.
U području pakiranja poluvodičkih energetskih modula sa širokim energetskim razmakom razvijen je niz različitih struktura. Tradicionalno pakiranje energetskih modula na bazi Si više nije prikladno. Kako bi se riješili problemi visokih parazitskih parametara i slabe učinkovitosti odvođenja topline tradicionalnog pakiranja energetskih modula na bazi Si, pakiranje SiC energetskih modula u svojoj strukturi usvaja bežičnu međusobnu povezanost i tehnologiju dvostranog hlađenja, a također usvaja materijale podloge s boljom toplinskom vodljivošću, te pokušava integrirati kondenzatore za odvajanje, senzore temperature/struje i pogonske krugove u strukturu modula te razvija niz različitih tehnologija pakiranja modula. Štoviše, postoje visoke tehničke barijere za proizvodnju SiC uređaja, a troškovi proizvodnje su visoki.
Silicij-karbidni uređaji proizvode se nanošenjem epitaksijalnih slojeva na silicij-karbidnu podlogu putem CVD-a. Proces uključuje čišćenje, oksidaciju, fotolitografiju, jetkanje, uklanjanje fotorezista, ionsku implantaciju, kemijsko taloženje silicij-nitrida iz parne faze, poliranje, raspršivanje i naknadne korake obrade za formiranje strukture uređaja na SiC monokristalnoj podlozi. Glavne vrste SiC energetskih uređaja uključuju SiC diode, SiC tranzistore i SiC energetske module. Zbog čimbenika kao što su spora brzina proizvodnje materijala i niske stope prinosa, silicij-karbidni uređaji imaju relativno visoke troškove proizvodnje.
Osim toga, proizvodnja uređaja od silicij-karbida ima određene tehničke poteškoće:
1) Potrebno je razviti specifičan proces koji je u skladu s karakteristikama silicij-karbidnih materijala. Na primjer: SiC ima visoku točku taljenja, što tradicionalnu toplinsku difuziju čini neučinkovitom. Potrebno je koristiti metodu dopiranja ionskom implantacijom i precizno kontrolirati parametre poput temperature, brzine zagrijavanja, trajanja i protoka plina; SiC je inertan prema kemijskim otapalima. Treba koristiti metode poput suhog jetkanja, a materijale maski, smjese plinova, kontrolu nagiba bočne stijenke, brzinu jetkanja, hrapavost bočne stijenke itd. treba optimizirati i razviti;
2) Proizvodnja metalnih elektroda na silicij-karbidnim pločicama zahtijeva kontaktni otpor ispod 10-5Ω2. Materijali elektroda koji zadovoljavaju zahtjeve, Ni i Al, imaju slabu toplinsku stabilnost iznad 100°C, ali Al/Ni ima bolju toplinsku stabilnost. Specifični kontaktni otpor kompozitnog materijala elektrode /W/Au je 10-3Ω2 veći;
3) SiC ima veliko trošenje rezanjem, a tvrdoća SiC-a je druga odmah iza dijamanta, što postavlja veće zahtjeve za rezanje, brušenje, poliranje i druge tehnologije.
Štoviše, uređaje za napajanje od silicij-karbida s rovovima je teže proizvesti. Prema različitim strukturama uređaja, uređaji za napajanje od silicij-karbida mogu se uglavnom podijeliti na planarne uređaje i uređaje s rovovima. Planarni uređaji za napajanje od silicij-karbida imaju dobru konzistentnost jedinica i jednostavan proizvodni proces, ali su skloni JFET efektu te imaju visoku parazitsku kapacitivnost i otpor u uključenom stanju. U usporedbi s planarnim uređajima, uređaji za napajanje od silicij-karbida s rovovima imaju nižu konzistentnost jedinica i složeniji proizvodni proces. Međutim, struktura rova pogoduje povećanju gustoće jedinica uređaja i manja je vjerojatnost stvaranja JFET efekta, što je korisno za rješavanje problema mobilnosti kanala. Ima izvrsna svojstva kao što su mali otpor uključenja, mala parazitska kapacitivnost i niska potrošnja energije preklapanja. Ima značajne prednosti u troškovima i performansama te je postao glavni smjer razvoja uređaja za napajanje od silicij-karbida. Prema službenoj web stranici Rohma, struktura ROHM Gen3 (struktura rova Gen1) čini samo 75% površine čipa Gen2 (Plannar2), a otpor uključenja strukture ROHM Gen3 smanjen je za 50% pri istoj veličini čipa.
Troškovi silicij-karbidne podloge, epitaksije, prednjeg dijela, istraživanja i razvoja i ostali troškovi čine 47%, 23%, 19%, 6% i 5% proizvodnih troškova silicij-karbidnih uređaja.
Konačno, usredotočit ćemo se na uklanjanje tehničkih barijera supstrata u lancu industrije silicijevog karbida.
Proces proizvodnje silicij-karbidnih supstrata sličan je procesu proizvodnje silicij-karbidnih supstrata, ali je složeniji.
Proizvodni proces silicij-karbidne podloge općenito uključuje sintezu sirovina, rast kristala, obradu ingota, rezanje ingota, brušenje pločice, poliranje, čišćenje i druge korake.
Faza rasta kristala je srž cijelog procesa i taj korak određuje električna svojstva silicij-karbidne podloge.
Silicij-karbidne materijale je teško uzgajati u tekućoj fazi pod normalnim uvjetima. Metoda rasta u parnoj fazi, popularna na tržištu danas, ima temperaturu rasta iznad 2300 °C i zahtijeva preciznu kontrolu temperature rasta. Cijeli proces rada gotovo je teško promatrati. Mala pogreška dovest će do otpada proizvoda. Za usporedbu, silicijevim materijalima je potrebno samo 1600 ℃, što je puno niže. Priprema silicij-karbidnih podloga također se suočava s poteškoćama kao što su spor rast kristala i visoki zahtjevi za kristalnim oblikom. Rast silicij-karbidne pločice traje oko 7 do 10 dana, dok izvlačenje silicijske šipke traje samo 2 i pol dana. Štoviše, silicij-karbid je materijal čija je tvrdoća druga odmah iza dijamanta. Mnogo će se izgubiti tijekom rezanja, brušenja i poliranja, a izlazni omjer je samo 60%.
Znamo da je trend povećanja veličine silicijev-karbidnih podloga, a kako se veličina nastavlja povećavati, zahtjevi za tehnologijom širenja promjera postaju sve veći. Za postizanje iterativnog rasta kristala potrebna je kombinacija različitih tehničkih kontrolnih elemenata.
Vrijeme objave: 22. svibnja 2024.