Kesulitan teknis dalam memproduksi wafer silikon karbida berkualitas tinggi secara massal dan stabil dengan kinerja yang stabil meliputi:
1) Karena kristal perlu tumbuh dalam lingkungan tertutup bersuhu tinggi di atas 2000°C, persyaratan pengendalian suhu sangat tinggi;
2) Karena silikon karbida memiliki lebih dari 200 struktur kristal, tetapi hanya beberapa struktur silikon karbida kristal tunggal yang merupakan bahan semikonduktor yang dibutuhkan, rasio silikon terhadap karbon, gradien suhu pertumbuhan, dan pertumbuhan kristal perlu dikontrol secara tepat selama proses pertumbuhan kristal. Parameter seperti kecepatan dan tekanan aliran udara;
3) Di bawah metode transmisi fase uap, teknologi perluasan diameter pertumbuhan kristal silikon karbida sangat sulit;
4) Kekerasan silikon karbida mendekati kekerasan berlian, dan teknik pemotongan, penggilingan, dan pemolesannya sulit.
Wafer epitaksial SiC: biasanya diproduksi dengan metode deposisi uap kimia (CVD). Berdasarkan jenis doping yang berbeda, wafer ini dibagi menjadi wafer epitaksial tipe-n dan tipe-p. Hantian Tiancheng dan Dongguan Tianyu dalam negeri sudah dapat menyediakan wafer epitaksial SiC berukuran 4 inci/6 inci. Untuk epitaksi SiC, sulit untuk dikendalikan di bidang tegangan tinggi, dan kualitas epitaksi SiC memiliki dampak yang lebih besar pada perangkat SiC. Selain itu, peralatan epitaksi dimonopoli oleh empat perusahaan terkemuka dalam industri ini: Axitron, LPE, TEL, dan Nuflare.
Karbida silikon epitaksialWafer mengacu pada wafer silikon karbida di mana film kristal tunggal (lapisan epitaksial) dengan persyaratan tertentu dan sama dengan kristal substrat tumbuh pada substrat silikon karbida asli. Pertumbuhan epitaksial terutama menggunakan peralatan CVD (Chemical Vapor Deposition, ) atau peralatan MBE (Molecular Beam Epitaxy). Karena perangkat silikon karbida diproduksi langsung di lapisan epitaksial, kualitas lapisan epitaksial secara langsung memengaruhi kinerja dan hasil perangkat. Karena kinerja ketahanan tegangan perangkat terus meningkat, ketebalan lapisan epitaksial yang sesuai menjadi lebih tebal dan kontrol menjadi lebih sulit. Umumnya, ketika tegangan sekitar 600V, ketebalan lapisan epitaksial yang diperlukan sekitar 6 mikron; ketika tegangan antara 1200-1700V, ketebalan lapisan epitaksial yang diperlukan mencapai 10-15 mikron. Jika tegangan mencapai lebih dari 10.000 volt, ketebalan lapisan epitaksial lebih dari 100 mikron mungkin diperlukan. Karena ketebalan lapisan epitaksial terus meningkat, semakin sulit untuk mengendalikan keseragaman ketebalan dan resistivitas serta kerapatan cacat.
Perangkat SiC: Secara internasional, SBD dan MOSFET SiC 600~1700V telah diindustrialisasi. Produk-produk utama beroperasi pada level tegangan di bawah 1200V dan terutama mengadopsi kemasan TO. Dalam hal harga, produk-produk SiC di pasar internasional dihargai sekitar 5-6 kali lebih tinggi daripada produk-produk Si. Akan tetapi, harga-harga menurun pada tingkat tahunan sebesar 10%. Dengan perluasan bahan-bahan hulu dan produksi perangkat dalam 2-3 tahun ke depan, pasokan pasar akan meningkat, yang mengarah pada penurunan harga lebih lanjut. Diharapkan ketika harga mencapai 2-3 kali lipat dari produk-produk Si, keuntungan-keuntungan yang dibawa oleh biaya sistem yang lebih rendah dan peningkatan kinerja secara bertahap akan mendorong SiC untuk menempati ruang pasar perangkat-perangkat Si.
Kemasan tradisional didasarkan pada substrat berbasis silikon, sementara bahan semikonduktor generasi ketiga memerlukan desain yang benar-benar baru. Penggunaan struktur kemasan berbasis silikon tradisional untuk perangkat daya dengan celah pita lebar dapat menimbulkan masalah dan tantangan baru yang terkait dengan frekuensi, manajemen termal, dan keandalan. Perangkat daya SiC lebih sensitif terhadap kapasitansi dan induktansi parasit. Dibandingkan dengan perangkat Si, chip daya SiC memiliki kecepatan pengalihan yang lebih cepat, yang dapat menyebabkan overshoot, osilasi, peningkatan kerugian pengalihan, dan bahkan kegagalan fungsi perangkat. Selain itu, perangkat daya SiC beroperasi pada suhu yang lebih tinggi, yang memerlukan teknik manajemen termal yang lebih canggih.
Berbagai struktur berbeda telah dikembangkan di bidang pengemasan daya semikonduktor dengan celah pita lebar. Pengemasan modul daya berbasis Si tradisional tidak lagi sesuai. Untuk mengatasi masalah parameter parasit yang tinggi dan efisiensi pembuangan panas yang buruk dari pengemasan modul daya berbasis Si tradisional, pengemasan modul daya SiC mengadopsi interkoneksi nirkabel dan teknologi pendinginan dua sisi dalam strukturnya, dan juga mengadopsi bahan substrat dengan konduktivitas termal yang lebih baik, dan mencoba mengintegrasikan kapasitor decoupling, sensor suhu/arus, dan sirkuit penggerak ke dalam struktur modul, dan mengembangkan berbagai teknologi pengemasan modul yang berbeda. Selain itu, terdapat hambatan teknis yang tinggi untuk pembuatan perangkat SiC dan biaya produksi yang tinggi.
Perangkat silikon karbida diproduksi dengan cara mengendapkan lapisan epitaksial pada substrat silikon karbida melalui CVD. Proses ini meliputi pembersihan, oksidasi, fotolitografi, pengetsaan, pelepasan fotoresist, implantasi ion, pengendapan uap kimia silikon nitrida, pemolesan, penyemprotan, dan langkah-langkah pemrosesan berikutnya untuk membentuk struktur perangkat pada substrat kristal tunggal SiC. Jenis utama perangkat daya SiC meliputi dioda SiC, transistor SiC, dan modul daya SiC. Karena faktor-faktor seperti kecepatan produksi material hulu yang lambat dan tingkat hasil yang rendah, perangkat silikon karbida memiliki biaya produksi yang relatif tinggi.
Selain itu, pembuatan perangkat silikon karbida memiliki kesulitan teknis tertentu:
1) Perlu dikembangkan proses khusus yang konsisten dengan karakteristik bahan silikon karbida. Misalnya: SiC memiliki titik leleh yang tinggi, yang membuat difusi termal tradisional tidak efektif. Perlu menggunakan metode doping implantasi ion dan mengontrol secara akurat parameter seperti suhu, laju pemanasan, durasi, dan aliran gas; SiC bersifat inert terhadap pelarut kimia. Metode seperti etsa kering harus digunakan, dan bahan masker, campuran gas, kontrol kemiringan dinding samping, laju etsa, kekasaran dinding samping, dll. harus dioptimalkan dan dikembangkan;
2) Pembuatan elektroda logam pada wafer silikon karbida memerlukan resistansi kontak di bawah 10-5Ω2. Bahan elektroda yang memenuhi persyaratan, Ni dan Al, memiliki stabilitas termal yang buruk di atas 100°C, tetapi Al/Ni memiliki stabilitas termal yang lebih baik. Resistansi spesifik kontak bahan elektroda komposit /W/Au 10-3Ω2 lebih tinggi;
3) SiC memiliki keausan pemotongan yang tinggi, dan kekerasan SiC hanya kalah dari berlian, yang mengajukan persyaratan lebih tinggi untuk pemotongan, penggilingan, pemolesan, dan teknologi lainnya.
Selain itu, perangkat daya silikon karbida parit lebih sulit diproduksi. Menurut struktur perangkat yang berbeda, perangkat daya silikon karbida terutama dapat dibagi menjadi perangkat planar dan perangkat parit. Perangkat daya silikon karbida planar memiliki konsistensi unit yang baik dan proses manufaktur yang sederhana, tetapi rentan terhadap efek JFET dan memiliki kapasitansi parasit dan resistansi on-state yang tinggi. Dibandingkan dengan perangkat planar, perangkat daya silikon karbida parit memiliki konsistensi unit yang lebih rendah dan memiliki proses manufaktur yang lebih kompleks. Namun, struktur parit kondusif untuk meningkatkan kepadatan unit perangkat dan cenderung tidak menghasilkan efek JFET, yang bermanfaat untuk memecahkan masalah mobilitas saluran. Ini memiliki sifat-sifat yang sangat baik seperti resistansi on kecil, kapasitansi parasit kecil, dan konsumsi energi switching yang rendah. Ini memiliki keunggulan biaya dan kinerja yang signifikan dan telah menjadi arah utama pengembangan perangkat daya silikon karbida. Menurut situs web resmi Rohm, struktur ROHM Gen3 (struktur Gen1 Trench) hanya 75% dari luas chip Gen2 (Plannar2), dan resistansi struktur ROHM Gen3 berkurang hingga 50% dengan ukuran chip yang sama.
Substrat silikon karbida, epitaksi, front-end, biaya R&D dan lain-lain masing-masing menyumbang 47%, 23%, 19%, 6% dan 5% dari biaya produksi perangkat silikon karbida.
Terakhir, kami akan fokus pada pemecahan hambatan teknis substrat dalam rantai industri silikon karbida.
Proses produksi substrat silikon karbida mirip dengan substrat berbasis silikon, tetapi lebih sulit.
Proses pembuatan substrat silikon karbida secara umum meliputi sintesis bahan baku, pertumbuhan kristal, pemrosesan ingot, pemotongan ingot, penggilingan wafer, pemolesan, pembersihan dan hubungan lainnya.
Tahap pertumbuhan kristal adalah inti dari seluruh proses, dan langkah ini menentukan sifat listrik substrat silikon karbida.
Bahan silikon karbida sulit tumbuh dalam fase cair dalam kondisi normal. Metode pertumbuhan fase uap yang populer di pasaran saat ini memiliki suhu pertumbuhan di atas 2300°C dan memerlukan kontrol suhu pertumbuhan yang tepat. Seluruh proses operasi hampir sulit diamati. Sedikit kesalahan akan menyebabkan produk terbuang. Sebagai perbandingan, bahan silikon hanya membutuhkan 1600℃, yang jauh lebih rendah. Mempersiapkan substrat silikon karbida juga menghadapi kesulitan seperti pertumbuhan kristal yang lambat dan persyaratan bentuk kristal yang tinggi. Pertumbuhan wafer silikon karbida membutuhkan waktu sekitar 7 hingga 10 hari, sedangkan penarikan batang silikon hanya membutuhkan waktu 2 setengah hari. Selain itu, silikon karbida adalah bahan yang kekerasannya hanya kedua setelah berlian. Ini akan kehilangan banyak selama pemotongan, penggilingan, dan pemolesan, dan rasio output hanya 60%.
Kita tahu bahwa trennya adalah meningkatkan ukuran substrat silikon karbida, karena ukurannya terus meningkat, persyaratan untuk teknologi perluasan diameter menjadi semakin tinggi. Diperlukan kombinasi berbagai elemen kontrol teknis untuk mencapai pertumbuhan kristal yang berulang.
Waktu posting: 22-Mei-2024