Kesulitan teknis dalam memproduksi wafer silikon karbida berkualitas tinggi secara massal dengan kinerja yang stabil meliputi:
1) Karena kristal perlu tumbuh dalam lingkungan tertutup bersuhu tinggi di atas 2000°C, persyaratan pengendalian suhunya sangat tinggi;
2) Karena silikon karbida memiliki lebih dari 200 struktur kristal, tetapi hanya beberapa struktur silikon karbida kristal tunggal yang merupakan material semikonduktor yang dibutuhkan, maka 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) Dengan metode transmisi fase uap, teknologi perluasan diameter pertumbuhan kristal silikon karbida sangatlah sulit;
4) Kekerasan silikon karbida mendekati kekerasan intan, dan teknik pemotongan, penggerindaan, dan pemolesannya sulit.
Wafer epitaksial SiC: biasanya diproduksi dengan metode pengendapan uap kimia (CVD). Berdasarkan jenis doping yang berbeda, wafer ini dibagi menjadi wafer epitaksial tipe-n dan tipe-p. Perusahaan domestik Hantian Tiancheng dan Dongguan Tianyu sudah dapat menyediakan wafer epitaksial SiC 4 inci/6 inci. Untuk epitaksi SiC, sulit untuk mengontrolnya di medan tegangan tinggi, dan kualitas epitaksi SiC memiliki dampak yang lebih besar pada perangkat SiC. Selain itu, peralatan epitaksi dimonopoli oleh empat perusahaan terkemuka di industri ini: Axitron, LPE, TEL, dan Nuflare.
Silikon karbida epitaksialWafer mengacu pada wafer silikon karbida di mana lapisan kristal tunggal (lapisan epitaksial) dengan persyaratan tertentu dan sama dengan kristal substrat ditumbuhkan 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. Seiring dengan peningkatan kinerja tahan tegangan perangkat, ketebalan lapisan epitaksial yang sesuai menjadi lebih tebal dan kontrolnya menjadi lebih sulit. Umumnya, ketika tegangan sekitar 600V, ketebalan lapisan epitaksial yang dibutuhkan sekitar 6 mikron; ketika tegangan antara 1200-1700V, ketebalan lapisan epitaksial yang dibutuhkan mencapai 10-15 mikron. Jika tegangan mencapai lebih dari 10.000 volt, ketebalan lapisan epitaksial lebih dari 100 mikron mungkin diperlukan. Seiring bertambahnya ketebalan lapisan epitaksial, semakin sulit untuk mengontrol keseragaman ketebalan dan resistivitas serta kepadatan cacat.
Perangkat SiC: Secara internasional, SBD dan MOSFET SiC 600~1700V telah diindustrialisasi. Produk utama beroperasi pada tingkat tegangan di bawah 1200V dan terutama menggunakan kemasan TO. Dari segi harga, produk SiC di pasar internasional dihargai sekitar 5-6 kali lebih tinggi daripada produk Si sejenisnya. Namun, harga terus menurun dengan laju tahunan sebesar 10%. Dengan perluasan produksi material dan perangkat hulu dalam 2-3 tahun ke depan, pasokan pasar akan meningkat, yang menyebabkan penurunan harga lebih lanjut. Diharapkan bahwa ketika harga mencapai 2-3 kali lipat harga produk Si, keuntungan yang dibawa oleh pengurangan biaya sistem dan peningkatan kinerja secara bertahap akan mendorong SiC untuk menduduki pangsa pasar perangkat Si.
Kemasan tradisional didasarkan pada substrat berbasis silikon, sedangkan material semikonduktor generasi ketiga memerlukan desain yang sepenuhnya baru. Penggunaan struktur kemasan berbasis silikon tradisional untuk perangkat daya pita lebar dapat menimbulkan masalah dan tantangan baru terkait frekuensi, manajemen termal, dan keandalan. Perangkat daya SiC lebih sensitif terhadap kapasitansi dan induktansi parasit. Dibandingkan dengan perangkat Si, chip daya SiC memiliki kecepatan switching yang lebih cepat, yang dapat menyebabkan overshoot, osilasi, peningkatan kerugian switching, dan bahkan kerusakan perangkat. Selain itu, perangkat daya SiC beroperasi pada suhu yang lebih tinggi, sehingga memerlukan teknik manajemen termal yang lebih canggih.
Berbagai struktur berbeda telah dikembangkan di bidang pengemasan daya semikonduktor celah pita lebar. Pengemasan modul daya berbasis Si tradisional tidak lagi sesuai. Untuk mengatasi masalah parameter parasitik 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, serta mengadopsi material substrat dengan konduktivitas termal yang lebih baik, dan mencoba mengintegrasikan kapasitor decoupling, sensor suhu/arus, dan sirkuit penggerak ke dalam struktur modul, serta mengembangkan berbagai teknologi pengemasan modul yang berbeda. Selain itu, terdapat hambatan teknis yang tinggi untuk pembuatan perangkat SiC dan biaya produksinya tinggi.
Perangkat silikon karbida diproduksi dengan cara pengendapan lapisan epitaksial pada substrat silikon karbida melalui CVD (Chemical Vapor Deposition). Proses ini melibatkan pembersihan, oksidasi, fotolitografi, etsa, pengupasan photoresist, implantasi ion, pengendapan uap kimia silikon nitrida, pemolesan, sputtering, dan langkah-langkah pemrosesan selanjutnya 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 manufaktur yang relatif tinggi.
Selain itu, pembuatan perangkat silikon karbida memiliki beberapa kesulitan teknis tertentu:
1) Perlu dikembangkan proses spesifik yang sesuai dengan karakteristik material silikon karbida. Misalnya: SiC memiliki titik leleh yang tinggi, yang membuat difusi termal tradisional tidak efektif. Perlu menggunakan metode doping implantasi ion dan mengontrol parameter secara akurat seperti suhu, laju pemanasan, durasi, dan aliran gas; SiC bersifat inert terhadap pelarut kimia. Metode seperti etsa kering harus digunakan, dan material 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. Material elektroda yang memenuhi persyaratan tersebut, Ni dan Al, memiliki stabilitas termal yang buruk di atas 100°C, tetapi Al/Ni memiliki stabilitas termal yang lebih baik. Resistansi spesifik kontak material elektroda komposit /W/Au adalah 10-3Ω2 lebih tinggi;
3) SiC memiliki ketahanan aus pemotongan yang tinggi, dan kekerasan SiC hanya kalah dari intan, yang menuntut persyaratan lebih tinggi untuk pemotongan, penggerindaan, pemolesan, dan teknologi lainnya.
Selain itu, perangkat daya silikon karbida tipe trench lebih sulit diproduksi. Berdasarkan struktur perangkat yang berbeda, perangkat daya silikon karbida dapat dibagi menjadi perangkat planar dan perangkat trench. Perangkat daya silikon karbida planar memiliki konsistensi unit yang baik dan proses manufaktur yang sederhana, tetapi rentan terhadap efek JFET dan memiliki kapasitansi parasitik dan resistansi on-state yang tinggi. Dibandingkan dengan perangkat planar, perangkat daya silikon karbida tipe trench memiliki konsistensi unit yang lebih rendah dan proses manufaktur yang lebih kompleks. Namun, struktur trench kondusif untuk meningkatkan kepadatan unit perangkat dan cenderung tidak menghasilkan efek JFET, yang bermanfaat untuk mengatasi masalah mobilitas kanal. Perangkat ini memiliki sifat-sifat unggul seperti resistansi on-state yang kecil, kapasitansi parasitik yang kecil, dan konsumsi energi switching yang rendah. Perangkat 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 Trench Gen1) hanya memiliki luas 75% dari luas chip Gen2 (Plannar2), dan resistansi on-state struktur ROHM Gen3 berkurang 50% dengan ukuran chip yang sama.
Substrat silikon karbida, epitaksi, front-end, biaya R&D, dan lainnya masing-masing menyumbang 47%, 23%, 19%, 6%, dan 5% dari biaya produksi perangkat silikon karbida.
Terakhir, kita akan fokus pada upaya mengatasi hambatan teknis substrat dalam rantai industri silikon karbida.
Proses produksi substrat silikon karbida mirip dengan proses produksi substrat berbasis silikon, tetapi lebih sulit.
Proses manufaktur substrat silikon karbida umumnya meliputi sintesis bahan baku, pertumbuhan kristal, pemrosesan ingot, pemotongan ingot, penggilingan wafer, pemolesan, pembersihan, dan tahapan lainnya.
Tahap pertumbuhan kristal merupakan inti dari keseluruhan proses, dan langkah ini menentukan sifat kelistrikan substrat silikon karbida.
Material silikon karbida sulit ditumbuhkan dalam fase cair pada kondisi normal. Metode pertumbuhan fase uap yang populer di pasaran saat ini memiliki suhu pertumbuhan di atas 2300°C dan membutuhkan kontrol suhu pertumbuhan yang tepat. Seluruh proses operasinya hampir sulit diamati. Kesalahan kecil akan menyebabkan produk tidak dapat digunakan. Sebagai perbandingan, material silikon hanya membutuhkan suhu 1600℃, yang jauh lebih rendah. Persiapan 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 2,5 hari. Selain itu, silikon karbida adalah material yang kekerasannya hanya kalah dari intan. Material ini akan banyak mengalami kehilangan kekerasan selama pemotongan, penggerindaan, dan pemolesan, dan rasio outputnya hanya 60%.
Kita tahu bahwa trennya adalah meningkatkan ukuran substrat silikon karbida, dan seiring dengan terus bertambahnya ukuran, persyaratan untuk teknologi perluasan diameter menjadi semakin tinggi. Hal ini membutuhkan kombinasi berbagai elemen kontrol teknis untuk mencapai pertumbuhan kristal secara iteratif.
Waktu posting: 22 Mei 2024