Tæknilegir erfiðleikar við stöðuga fjöldaframleiðslu á hágæða kísilkarbíðskífum með stöðugri afköstum eru meðal annars:
1) Þar sem kristallar þurfa að vaxa í lokuðu umhverfi við háan hita, yfir 2000°C, eru kröfur um hitastýringu afar miklar;
2) Þar sem kísillkarbíð hefur meira en 200 kristalbyggingar, en aðeins fáar byggingar úr einkristalla kísillkarbíði eru nauðsynleg hálfleiðaraefni, þarf að stjórna kísill-til-kolefnishlutfallinu, vaxtarhitastiglinum og kristalvextinum nákvæmlega meðan á kristalvexti stendur. Breytur eins og hraði og loftþrýstingur;
3) Með gufufasaflutningsaðferðinni er þvermálsþenslutækni kísillkarbíðkristallavaxtar afar erfið;
4) Hörku kísilkarbíðs er svipað og hörku demants og því er erfitt að klippa, slípa og fægja það.
SiC epitaxial skífur: Venjulega framleiddar með efnafræðilegri gufuútfellingu (CVD). Samkvæmt mismunandi gerðum íblöndunar eru þær flokkaðar í n-gerð og p-gerð epitaxial skífur. Innlendu fyrirtækin Hantian Tiancheng og Dongguan Tianyu geta nú þegar útvegað 4 tommu/6 tommu SiC epitaxial skífur. Erfitt er að stjórna SiC epitaxial vinnslu á háspennusviði og gæði SiC epitaxial vinnslunnar hafa meiri áhrif á SiC tæki. Þar að auki eru fjögur leiðandi fyrirtæki í greininni einokuð í epitaxial búnaði: Axitron, LPE, TEL og Nuflare.
Epítaksískt kísillkarbíðSkífa vísar til kísilkarbíðskífu þar sem einkristallafilma (epitaxial lag) með ákveðnum kröfum og sömu og undirlagskristallinn er ræktuð ofan á upprunalega kísilkarbíð undirlaginu. Epitaxial vöxtur notar aðallega CVD (Chemical Vapor Deposition) búnað eða MBE (Molecular Beam Epitaxy) búnað. Þar sem kísilkarbíð tæki eru framleidd beint í epitaxial laginu hefur gæði epitaxial lagsins bein áhrif á afköst og afköst tækisins. Þegar spennuþol tækisins heldur áfram að aukast verður þykkt samsvarandi epitaxial lagsins þykkari og stjórnunin verður erfiðari. Almennt, þegar spennan er í kringum 600V, er nauðsynleg þykkt epitaxial lagsins um 6 míkron; þegar spennan er á milli 1200-1700V, nær nauðsynleg þykkt epitaxial lagsins 10-15 míkron. Ef spennan nær meira en 10.000 volt, gæti verið krafist þykktar epitaxial lagsins sem er meira en 100 míkron. Þegar þykkt epitaxiallagsins heldur áfram að aukast verður sífellt erfiðara að stjórna þykkt og einsleitni viðnáms og gallaþéttleika.
SiC tæki: Á alþjóðavettvangi hafa 600~1700V SiC SBD og MOSFET verið iðnvædd. Algengustu vörurnar starfa við spennu undir 1200V og nota aðallega TO-umbúðir. Hvað varðar verðlagningu eru SiC vörur á alþjóðamarkaði um 5-6 sinnum dýrari en Si hliðstæður þeirra. Hins vegar er verðið að lækka um 10% á ári. Með aukinni framleiðslu á efnum og tækjaframleiðslu á næstu 2-3 árum mun framboð á markaði aukast, sem leiðir til frekari verðlækkunar. Gert er ráð fyrir að þegar verðið nær 2-3 sinnum hærra en á Si vörum, muni kostirnir sem fylgja lægri kerfiskostnaði og bættri afköst smám saman knýja Si til að taka yfir markaðsrýmið fyrir Si tækja.
Hefðbundnar umbúðir eru byggðar á kísilundirlögum, en þriðju kynslóðar hálfleiðaraefna krefjast alveg nýrrar hönnunar. Notkun hefðbundinna kísilundirlagðra umbúða fyrir aflgjafa með breitt bandbil getur skapað ný vandamál og áskoranir sem tengjast tíðni, hitastjórnun og áreiðanleika. SiC aflgjafartæki eru viðkvæmari fyrir sníkjudýraafkastagetu og spanstuðli. Í samanburði við Si-tæki hafa SiC aflgjafaflísar hraðari rofahraða, sem getur leitt til ofskots, sveiflna, aukins rofataps og jafnvel bilana í tækjum. Að auki starfa SiC aflgjafartæki við hærra hitastig, sem krefst flóknari hitastjórnunartækni.
Ýmsar mismunandi uppbyggingar hafa verið þróaðar á sviði breiðbandsbils hálfleiðaraaflsumbúða. Hefðbundnar Si-byggðar aflgjafareiningaumbúðir henta ekki lengur. Til að leysa vandamál hefðbundinna Si-byggðra aflgjafareininga með háum sníkjudýrabreytum og lélegri varmadreifingu, nota SiC aflgjafareiningaumbúðir þráðlausa tengingu og tvíhliða kælitækni í uppbyggingu sinni, og nota einnig undirlagsefni með betri varmaleiðni, og reynt er að samþætta aftengingarþétta, hita-/straumskynjara og drifrásir í einingarbyggingu, og þróa fjölbreyttar mismunandi einingareiningaumbúðatækni. Þar að auki eru miklar tæknilegar hindranir við framleiðslu SiC tækja og framleiðslukostnaðurinn er hár.
Kísilkarbíðtæki eru framleidd með því að setja epitaxial lög á kísilkarbíð undirlag með CVD. Ferlið felur í sér hreinsun, oxun, ljósritun, etsun, fjarlægingu ljósþols, jónaígræðslu, efnafræðilega gufuútfellingu kísilnítríðs, fægingu, spútrun og síðari vinnsluskref til að mynda tækisbyggingu á SiC einkristall undirlaginu. Helstu gerðir SiC afltækja eru SiC díóður, SiC smárar og SiC aflgjafareiningar. Vegna þátta eins og hægs uppstreymis framleiðsluhraða efnis og lágs afkastahlutfalls hafa kísilkarbíðtæki tiltölulega háan framleiðslukostnað.
Að auki fylgir framleiðsla á kísilkarbíði ákveðnir tæknilegir erfiðleikar:
1) Nauðsynlegt er að þróa sérstakt ferli sem er í samræmi við eiginleika kísilkarbíðefna. Til dæmis: SiC hefur hátt bræðslumark, sem gerir hefðbundna varmadreifingu óvirka. Nauðsynlegt er að nota jónaígræðsluaðferð og stjórna nákvæmlega breytum eins og hitastigi, upphitunarhraða, tímalengd og gasflæði; SiC er óvirkt gagnvart efnafræðilegum leysum. Nota ætti aðferðir eins og þurretsun og fínstilla og þróa grímuefni, gasblöndur, stjórnun á halla hliðarveggja, etsunarhraða, ójöfnum hliðarveggja o.s.frv.
2) Framleiðsla málmrafskauta á kísilkarbíðskífum krefst snertiviðnáms undir 10-5Ω2. Rafskautsefnin sem uppfylla kröfurnar, Ni og Al, hafa lélega hitastöðugleika yfir 100°C, en Al/Ni hefur betri hitastöðugleika. Snertiviðnám samsetts rafskautsefnis úr /W/Au er 10-3Ω2 hærra;
3) SiC hefur mikið slitþol og hörku SiC er næst á eftir demanti, sem setur hærri kröfur til skurðar, slípunar, fægingar og annarra tækni.
Þar að auki eru skurðarkísilkarbíð aflgjafartæki erfiðari í framleiðslu. Samkvæmt mismunandi uppbyggingu tækja má aðallega skipta kísilkarbíð aflgjöfum í planar tæki og trench tæki. Planar kísilkarbíð aflgjafartæki hafa góða einingarsamkvæmni og einfalt framleiðsluferli, en eru viðkvæm fyrir JFET áhrifum og hafa mikla sníkjudýraafkastagetu og á-ástandsþol. Í samanburði við planar tæki hafa trench kísilkarbíð aflgjafartæki lægri einingarsamkvæmni og flóknari framleiðsluferli. Hins vegar eykur skurðaruppbyggingin einingaþéttleika tækjanna og er ólíklegri til að framleiða JFET áhrif, sem er gagnlegt til að leysa vandamálið með rásarhreyfanleika. Það hefur framúrskarandi eiginleika eins og litla á-ástandsþol, litla sníkjudýraafkastagetu og litla orkunotkun rofa. Það hefur verulega kostnaðar- og afköstakosti og hefur orðið aðal stefna þróunar kísilkarbíð aflgjafatækja. Samkvæmt opinberu vefsíðu Rohm er ROHM Gen3 uppbyggingin (Gen1 Trench uppbygging) aðeins 75% af Gen2 (Plannar2) flísarflatarmáli og kveikjuviðnám ROHM Gen3 uppbyggingarinnar minnkar um 50% miðað við sömu flísarstærð.
Kostnaður vegna kísilkarbíðs undirlags, epitaxis, framhliðar, rannsókna og þróunar og annað nemur 47%, 23%, 19%, 6% og 5% af framleiðslukostnaði kísilkarbíðs tækja, talið í sömu röð.
Að lokum munum við einbeita okkur að því að brjóta niður tæknilegar hindranir undirlaga í iðnaðarkeðjunni fyrir kísilkarbíð.
Framleiðsluferlið á kísilkarbíði undirlögum er svipað og á kísilbundnum undirlögum, en erfiðara.
Framleiðsluferlið á kísilkarbíði undirlagi felur almennt í sér hráefnismyndun, kristalvöxt, vinnslu á götum, skurð á götum, slípun á skífum, fægingu, hreinsun og aðra þætti.
Kristallavaxtarstigið er kjarninn í öllu ferlinu og þetta skref ákvarðar rafmagnseiginleika kísilkarbíðs undirlagsins.
Kísilkarbíð efni eru erfið í ræktun í fljótandi fasa við venjulegar aðstæður. Gufufasa vaxtaraðferðin, sem er vinsæl á markaðnum í dag, hefur vaxtarhita yfir 2300°C og krefst nákvæmrar stjórnunar á vaxtarhitanum. Allt ferlið er næstum erfitt að fylgjast með. Lítilsháttar villa mun leiða til þess að varan verði farin. Til samanburðar þurfa kísilefni aðeins 1600°C, sem er mun lægra hitastig. Undirbúningur kísilkarbíð undirlags stendur einnig frammi fyrir erfiðleikum eins og hægum kristallavexti og miklum kröfum um kristalform. Vaxtur kísilkarbíðflögu tekur um 7 til 10 daga, en að draga kísilstöngur tekur aðeins 2 og hálfan dag. Ennfremur er kísilkarbíð efni sem er næst hörkuefni á eftir demöntum. Það tapar miklu við skurð, slípun og fægingu og framleiðsluhlutfallið er aðeins 60%.
Við vitum að þróunin er í átt að því að auka stærð kísilkarbíðs undirlags, og eftir því sem stærðin heldur áfram að aukast, verða kröfur um tækni til að auka þvermál hærri og hærri. Það krefst samsetningar ýmissa tæknilegra stjórnþátta til að ná fram endurteknum vexti kristalla.
Birtingartími: 22. maí 2024