A stabil teljesítményű, kiváló minőségű szilícium-karbid ostyák stabil tömeggyártásának technikai nehézségei a következők:
1) Mivel a kristályoknak 2000°C feletti, magas hőmérsékletű, lezárt környezetben kell növekedniük, a hőmérséklet-szabályozási követelmények rendkívül magasak;
2) Mivel a szilícium-karbidnak több mint 200 kristályszerkezete van, de az egykristályos szilícium-karbid szerkezeteknek csak néhánya felel meg a szükséges félvezető anyagoknak, a szilícium-szén arányt, a növekedési hőmérsékleti gradienst és a kristálynövekedést pontosan szabályozni kell a kristálynövekedési folyamat során. Az olyan paramétereket, mint a sebesség és a légáramlási nyomás;
3) A gőzfázisú átviteli módszerrel a szilícium-karbid kristálynövekedés átmérő-tágítási technológiája rendkívül nehéz;
4) A szilícium-karbid keménysége közel áll a gyémántéhoz, és a vágási, csiszolási és polírozási technikák nehézkesek.
SiC epitaxiális ostyák: általában kémiai gőzfázisú leválasztással (CVD) készülnek. A különböző adalékolási típusok szerint n-típusú és p-típusú epitaxiális ostyákra osztják őket. A hazai Hantian Tiancheng és Dongguan Tianyu már 4/6 hüvelykes SiC epitaxiális ostyákat is tud szállítani. A SiC epitaxia nehéz szabályozni nagyfeszültségű területen, és a SiC epitaxia minősége nagyobb hatással van a SiC eszközökre. Ezenkívül az epitaxiális berendezéseket az iparág négy vezető vállalata, az Axitron, az LPE, a TEL és a Nuflare monopolizálja.
Szilícium-karbid epitaxiálisAz „ostya” olyan szilícium-karbid ostyára utal, amelyben egy bizonyos követelményeknek megfelelő és a szubsztrátkristállyal megegyező egykristályos filmet (epitaxiális réteget) növesztenek az eredeti szilícium-karbid szubsztráton. Az epitaxiális növesztéshez főként CVD (kémiai gőzfázisú leválasztás) vagy MBE (molekuláris nyalábos epitaxia) berendezéseket használnak. Mivel a szilícium-karbid eszközöket közvetlenül az epitaxiális rétegben gyártják, az epitaxiális réteg minősége közvetlenül befolyásolja az eszköz teljesítményét és hozamát. Ahogy az eszköz feszültségtűrő képessége folyamatosan növekszik, a megfelelő epitaxiális réteg vastagsága vastagabbá válik, és a szabályozása nehezebbé válik. Általában, amikor a feszültség körülbelül 600 V, a szükséges epitaxiális réteg vastagsága körülbelül 6 mikron; amikor a feszültség 1200-1700 V között van, a szükséges epitaxiális réteg vastagsága eléri a 10-15 mikront. Ha a feszültség meghaladja a 10 000 voltot, akkor 100 mikronnál nagyobb epitaxiális réteg vastagságra lehet szükség. Ahogy az epitaxiális réteg vastagsága folyamatosan növekszik, egyre nehezebbé válik a vastagság, az ellenállás egyenletességének és a hibasűrűségnek a szabályozása.
SiC eszközök: Nemzetközi szinten a 600~1700V-os SiC SBD és MOSFET iparosodott. A fő termékek 1200V alatti feszültségszinten működnek, és elsősorban TO tokozást alkalmaznak. Az árak tekintetében a SiC termékek ára a nemzetközi piacon körülbelül 5-6-szor magasabb, mint a Si megfelelőiké. Az árak azonban évi 10%-os ütemben csökkennek, a következő 2-3 évben az anyagok és az eszközök gyártásának bővülésével a piaci kínálat növekedni fog, ami további árcsökkenéshez vezet. Várható, hogy amikor az ár eléri a Si termékek árának 2-3-szorosát, a csökkent rendszerköltségek és a javuló teljesítmény előnyei fokozatosan a SiC-t a Si eszközök piaci területére kényszerítik.
A hagyományos tokozások szilícium alapú szubsztrátokon alapulnak, míg a harmadik generációs félvezető anyagok teljesen új tervezést igényelnek. A hagyományos szilícium alapú tokozási struktúrák használata széles tiltott sávú teljesítményeszközökhöz új problémákat és kihívásokat vethet fel a frekvenciával, a hőkezeléssel és a megbízhatósággal kapcsolatban. A SiC teljesítményeszközök érzékenyebbek a parazita kapacitásra és induktivitásra. A Si eszközökhöz képest a SiC teljesítménychipek gyorsabb kapcsolási sebességgel rendelkeznek, ami túllövéshez, oszcillációhoz, megnövekedett kapcsolási veszteségekhez és akár az eszközök meghibásodásához vezethet. Ezenkívül a SiC teljesítményeszközök magasabb hőmérsékleten működnek, ami fejlettebb hőkezelési technikákat igényel.
A széles tiltott sávú félvezető teljesítménymodul-tokok területén számos különböző struktúrát fejlesztettek ki. A hagyományos Si-alapú teljesítménymodul-tokok már nem alkalmasak. A hagyományos Si-alapú teljesítménymodul-tokok magas parazita paraméterei és gyenge hőelvezetési hatékonysága okozta problémák megoldása érdekében a SiC teljesítménymodul-tokok vezeték nélküli összekapcsolási és kétoldalas hűtési technológiát alkalmaznak a szerkezetükben, valamint jobb hővezető képességű hordozóanyagokat alkalmaznak, és megpróbálnak leválasztó kondenzátorokat, hőmérséklet-/áramérzékelőket és meghajtó áramköröket integrálni a modulszerkezetbe, és különféle modultokolási technológiákat fejlesztettek ki. Ezenkívül a SiC-eszközök gyártásának jelentős technikai akadályai vannak, és a gyártási költségek magasak.
A szilícium-karbid eszközöket epitaxiális rétegek szilícium-karbid hordozóra történő leválasztásával állítják elő CVD eljárással. Az eljárás magában foglalja a tisztítást, oxidációt, fotolitográfiát, maratást, a fotoreziszt eltávolítását, ionimplantációt, szilícium-nitrid kémiai gőzfázisú leválasztását, polírozást, porlasztást és az azt követő feldolgozási lépéseket, amelyek során az eszköz szerkezetét a SiC egykristály hordozóra alakítják ki. A SiC teljesítményeszközök fő típusai a SiC diódák, SiC tranzisztorok és SiC teljesítménymodulok. Az olyan tényezők miatt, mint a lassú upstream anyaggyártási sebesség és az alacsony hozamráta, a szilícium-karbid eszközök gyártási költségei viszonylag magasak.
Ezenkívül a szilícium-karbid eszközgyártás bizonyos technikai nehézségekkel is jár:
1) Szükséges egy olyan specifikus eljárás kidolgozása, amely összhangban van a szilícium-karbid anyagok jellemzőivel. Például: a SiC magas olvadásponttal rendelkezik, ami a hagyományos termikus diffúziót hatástalanná teszi. Ionimplantációs adalékolási módszert kell alkalmazni, és pontosan szabályozni kell az olyan paramétereket, mint a hőmérséklet, a melegítési sebesség, az időtartam és a gázáramlás; a SiC inert a kémiai oldószerekkel szemben. Olyan módszereket kell alkalmazni, mint a száraz maratás, és optimalizálni és fejleszteni kell a maszkanyagokat, a gázkeverékeket, az oldalfal lejtésének, a maratási sebességnek, az oldalfal érdességének stb. szabályozását.
2) A szilícium-karbid ostyákon lévő fémelektródák gyártásához 10-5Ω2 alatti érintkezési ellenállás szükséges. Az e követelményeknek megfelelő elektródaanyagok, a Ni és az Al, 100°C felett gyenge hőstabilitással rendelkeznek, míg az Al/Ni jobb hőstabilitással rendelkezik. A /W/Au kompozit elektródaanyag érintkezési fajlagos ellenállása 10-3Ω2-vel magasabb;
3) A SiC nagy vágási kopással rendelkezik, és a SiC keménysége a második helyen áll a gyémánt után, ami magasabb követelményeket támaszt a vágás, csiszolás, polírozás és egyéb technológiákkal szemben.
Ráadásul az árokszerkezetű szilícium-karbid teljesítményeszközöket nehezebb gyártani. A különböző eszközstruktúrák szerint a szilícium-karbid teljesítményeszközök főként síkeszközökre és árokszerkezetű eszközökre oszthatók. A síkeszközök jó egységsűrűséggel és egyszerű gyártási folyamattal rendelkeznek, de hajlamosak a JFET-effektusra, és nagy a parazita kapacitásuk és a bekapcsolt állapot ellenállásuk. A síkeszközökhöz képest az árokszerkezetű szilícium-karbid teljesítményeszközök alacsonyabb egységsűrűséggel rendelkeznek, és összetettebb gyártási folyamattal rendelkeznek. Az árokszerkezet azonban elősegíti az eszközegység sűrűségének növelését, és kisebb valószínűséggel okoz JFET-effektust, ami előnyös a csatornamobilitás problémájának megoldásában. Kiváló tulajdonságokkal rendelkezik, mint például a kis bekapcsolt ellenállás, a kis parazita kapacitás és az alacsony kapcsolási energiafogyasztás. Jelentős költség- és teljesítményelőnnyel rendelkezik, és a szilícium-karbid teljesítményeszközök fejlesztésének fő irányává vált. A Rohm hivatalos weboldala szerint a ROHM Gen3 struktúra (Gen1 Trench struktúra) a Gen2 (Plannar2) chip területének mindössze 75%-át teszi ki, és a ROHM Gen3 struktúra bekapcsolt állapot ellenállása 50%-kal csökken azonos chipméret mellett.
A szilícium-karbid eszközök gyártási költségének 47%-át, 23%-át, 19%-át, 6%-át és 5%-át a szilícium-karbid hordozó, az epitaxia, az elő- és a K+F költségek, valamint egyéb költségek teszik ki.
Végül a szilícium-karbid iparági láncban az aljzatok technikai akadályainak lebontására fogunk összpontosítani.
A szilícium-karbid szubsztrátok gyártási folyamata hasonló a szilícium alapú szubsztrátokéhoz, de nehezebb.
A szilícium-karbid szubsztrát gyártási folyamata általában magában foglalja a nyersanyag szintézisét, a kristálynövekedést, a tuskófeldolgozást, a tuskóvágást, az ostyacsiszolást, a polírozást, a tisztítást és egyéb láncszemeket.
A kristálynövekedési szakasz a teljes folyamat lelke, és ez a lépés határozza meg a szilícium-karbid hordozó elektromos tulajdonságait.
A szilícium-karbid anyagokat nehéz folyékony fázisban normál körülmények között növeszteni. A piacon ma népszerű gőzfázisú növekedési módszer 2300°C feletti növekedési hőmérsékletet alkalmaz, és a növekedési hőmérséklet pontos szabályozását igényli. A teljes működési folyamat szinte nehezen megfigyelhető. Egy kis hiba is a termék selejtezéséhez vezet. Összehasonlításképpen, a szilícium-karbid anyagoknak csak 1600℃-ra van szükségük, ami jóval alacsonyabb. A szilícium-karbid szubsztrátok előkészítése olyan nehézségekkel is küzd, mint a lassú kristálynövekedés és a magas kristályformai követelmények. A szilícium-karbid ostya növekedése körülbelül 7-10 napot vesz igénybe, míg a szilíciumrúd húzása mindössze 2 és fél napot vesz igénybe. Ezenkívül a szilícium-karbid olyan anyag, amelynek keménysége a gyémánt után a második. A vágás, csiszolás és polírozás során sokat veszít, és a kihozatali arány mindössze 60%.
Tudjuk, hogy a szilícium-karbid szubsztrátok méretének növelése a trend, és ahogy a méret folyamatosan növekszik, az átmérő-tágítási technológiával szembeni követelmények is egyre magasabbak. A kristályok iteratív növekedésének eléréséhez különféle műszaki vezérlőelemek kombinációjára van szükség.
Közzététel ideje: 2024. május 22.