מהם המחסומים הטכניים לסיליקון קרביד? Ⅱ

הקשיים הטכניים בייצור המוני יציב של פרוסות סיליקון קרביד באיכות גבוהה עם ביצועים יציבים כוללים:

1) מכיוון שגבישים צריכים לגדול בסביבה אטומה בטמפרטורה גבוהה מעל 2000 מעלות צלזיוס, דרישות בקרת הטמפרטורה גבוהות ביותר;
2) מכיוון שלסיליקון קרביד יש יותר מ-200 מבני גביש, אך רק מבנים מעטים של סיליקון קרביד חד-גבישי הם חומרי המוליכים למחצה הנדרשים, יש לשלוט במדויק ביחס הסיליקון-פחמן, בגרדיאנט טמפרטורת הגידול ובגידול הגביש במהלך תהליך גידול הגביש. פרמטרים כגון מהירות ולחץ זרימת אוויר;
3) בשיטת העברת פאזה אדים, טכנולוגיית הרחבת הקוטר של צמיחת גבישי סיליקון קרביד קשה ביותר;
4) קשיות הסיליקון קרביד קרובה לזו של היהלום, וטכניקות חיתוך, השחזה וליטוש הן קשות.

פרוסות אפיטקסיאליות SiC: מיוצרות בדרך כלל בשיטת שיקוע אדים כימי (CVD). בהתאם לסוגי הסימום השונים, הן מחולקות לפרוסות אפיטקסיאליות מסוג n וסוג p. החברות המקומיות Hantian Tiancheng ו-Dongguan Tianyu כבר יכולות לספק פרוסות אפיטקסיאליות SiC בגודל 4 אינץ'/6 אינץ'. קשה לשלוט באפיטקסיה של SiC בתחום המתח הגבוה, ולאיכות האפיטקסיה של SiC יש השפעה גדולה יותר על התקני SiC. יתר על כן, ציוד אפיטקסיאלי נמצא בשליטה של ​​ארבע החברות המובילות בתעשייה: Axitron, LPE, TEL ו-Nuflare.

סיליקון קרביד אפיטקסיאליפרוסת סיליקון קרביד מתייחסת לפרוסת סיליקון קרביד שבה גדל שכבת גביש יחידה (שכבה אפיטקסיאלית) עם דרישות מסוימות וזהות לגביש המצע על גבי מצע סיליקון קרביד המקורי. גידול אפיטקסיאלי נעשה בעיקר באמצעות ציוד CVD (Chemical Vapor Deposition) או ציוד MBE (Molecular Beam Epitaxy). מכיוון שהתקני סיליקון קרביד מיוצרים ישירות בשכבה האפיטקסיאלית, איכות השכבה האפיטקסיאלית משפיעה ישירות על הביצועים והתפוקה של המכשיר. ככל שביצועי העמידה במתח של המכשיר ממשיכים לעלות, עובי השכבה האפיטקסיאלית המתאימה הופך עבה יותר והבקרה הופכת לקשה יותר. באופן כללי, כאשר המתח הוא בסביבות 600 וולט, עובי השכבה האפיטקסיאלית הנדרש הוא כ-6 מיקרון; כאשר המתח הוא בין 1200-1700 וולט, עובי השכבה האפיטקסיאלית הנדרש מגיע ל-10-15 מיקרון. אם המתח מגיע ליותר מ-10,000 וולט, ייתכן שיידרש עובי שכבה אפיטקסיאלית של יותר מ-100 מיקרון. ככל שעובי השכבה האפיטקסיאלית ממשיך לעלות, קשה יותר ויותר לשלוט על אחידות העובי וההתנגדות וצפיפות הפגמים.

התקני SiC: מבחינה בינלאומית, שבבי SBD ו-MOSFET של SiC במתח של 600~1700V עברו תהליך תיעוש. המוצרים המרכזיים פועלים ברמות מתח מתחת ל-1200V ומאמצים בעיקר אריזות TO. מבחינת תמחור, מוצרי SiC בשוק הבינלאומי מתומחרים פי 5-6 יותר ממקבילי הסיליקון. עם זאת, המחירים יורדים בקצב שנתי של 10%. עם הרחבת ייצור החומרים במעלה הזרם וייצור המכשירים ב-2-3 השנים הקרובות, היצע השוק יגדל, מה שיוביל לירידות מחירים נוספות. צפוי שכאשר המחיר יגיע לפי 2-3 מזה של מוצרי Si, היתרונות שמביאים עלויות מערכת מופחתות וביצועים משופרים ידחפו בהדרגה את ה-SiC לתפוס את שטח השוק של התקני Si.
זיווד מסורתי מבוסס על מצעים מבוססי סיליקון, בעוד שחומרי מוליכים למחצה מהדור השלישי דורשים עיצוב חדש לחלוטין. שימוש במבני אריזה מסורתיים מבוססי סיליקון עבור התקני הספק בעלי פער אנרגיה רחב יכול להציג בעיות ואתגרים חדשים הקשורים לתדר, ניהול תרמי ואמינות. התקני הספק SiC רגישים יותר לקיבול והשראות טפיליות. בהשוואה להתקני Si, לשבבי הספק SiC יש מהירויות מיתוג גבוהות יותר, מה שעלול להוביל לחריגה, תנודה, הפסדי מיתוג מוגברים ואפילו תקלות במכשיר. בנוסף, התקני הספק SiC פועלים בטמפרטורות גבוהות יותר, הדורשות טכניקות ניהול תרמי מתקדמות יותר.

מגוון מבנים שונים פותחו בתחום אריזת הספק מוליכים למחצה בעלת פער אנרגיה רחב. אריזת מודולי הספק מסורתיים מבוססי סיליקון אינם מתאימים עוד. על מנת לפתור את בעיות הפרמטרים הטפיליים הגבוהים ויעילות פיזור החום הירודה של אריזת מודולי הספק מסורתיים מבוססי סיליקון, אריזת מודולי הספק SiC מאמצת חיבור אלחוטי וטכנולוגיית קירור דו-צדדי במבנה שלה, וגם מאמצת חומרי מצע בעלי מוליכות תרמית טובה יותר, וניסתה לשלב קבלי ניתוק, חיישני טמפרטורה/זרם ומעגלי הנעה במבנה המודול, ופיתחה מגוון טכנולוגיות אריזת מודולים שונות. יתר על כן, קיימים חסמים טכניים גבוהים לייצור התקני SiC ועלויות הייצור גבוהות.

התקני סיליקון קרביד מיוצרים על ידי שקיעת שכבות אפיטקסיאליות על מצע סיליקון קרביד באמצעות CVD. התהליך כולל ניקוי, חמצון, פוטוליתוגרפיה, איכול, הסרת פוטורזיסט, השתלת יונים, שקיעת סיליקון ניטריד באדים כימיים, ליטוש, התזה ושלבי עיבוד נוספים ליצירת מבנה ההתקן על מצע גביש יחיד SiC. סוגים עיקריים של התקני כוח SiC כוללים דיודות SiC, טרנזיסטורים SiC ומודולי כוח SiC. בשל גורמים כמו מהירות ייצור איטית של חומרים במעלה הזרם ושיעורי תפוקה נמוכים, להתקני סיליקון קרביד עלויות ייצור גבוהות יחסית.

בנוסף, לייצור התקני סיליקון קרביד יש קשיים טכניים מסוימים:

1) יש צורך לפתח תהליך ספציפי התואם את המאפיינים של חומרי סיליקון קרביד. לדוגמה: ל-SiC יש נקודת התכה גבוהה, מה שהופך את הדיפוזיה התרמית המסורתית ללא יעילה. יש צורך להשתמש בשיטת סימום השתלת יונים ולשלוט במדויק בפרמטרים כגון טמפרטורה, קצב חימום, משך זמן וזרימת גז; SiC אינו פעיל בממסים כימיים. יש להשתמש בשיטות כגון איכול יבש, ויש לייעל ולפתח חומרי מסכה, תערובות גז, בקרת שיפוע דופן הצד, קצב איכול, חספוס דופן הצד וכו'.
2) ייצור אלקטרודות מתכת על פרוסות סיליקון קרביד דורש התנגדות מגע מתחת ל-10-5Ω2. חומרי האלקטרודה העומדים בדרישות, ניקל ואל-ניקל, בעלי יציבות תרמית ירודה מעל 100°C, אך ל-Al/Ni יש יציבות תרמית טובה יותר. ההתנגדות הספציפית למגע של חומר אלקטרודה מרוכב /W/Au גבוהה ב-10-3Ω2;
3) ל-SiC יש שחיקה גבוהה בחיתוך, וקשיות ה-SiC שנייה רק ​​ליהלום, מה שמציב דרישות גבוהות יותר לחיתוך, השחזה, ליטוש וטכנולוגיות אחרות.

יתר על כן, התקני כוח מסיליקון קרביד תעלה קשים יותר לייצור. בהתאם למבני התקנים שונים, ניתן לחלק את התקני הכוח מסיליקון קרביד בעיקר להתקני מישוריים והתקני תעלה. להתקני כוח מסיליקון קרביד מישוריים יש עקביות יחידה טובה ותהליך ייצור פשוט, אך הם נוטים לאפקט JFET ובעלי קיבול טפילי גבוה ועמידות במצב פעיל. בהשוואה להתקני מישוריים, להתקני כוח מסיליקון קרביד תעלה יש עקביות יחידה נמוכה יותר ותהליך ייצור מורכב יותר. עם זאת, מבנה התעלה תורם להגדלת צפיפות יחידת ההתקן ופחות סביר לייצר את אפקט JFET, דבר המועיל לפתרון בעיית ניידות הערוצים. יש לו תכונות מצוינות כגון התנגדות פעילה קטנה, קיבול טפילי קטן וצריכת אנרגיה נמוכה של מיתוג. יש לו יתרונות משמעותיים מבחינת עלות וביצועים והוא הפך לכיוון המרכזי בפיתוח התקני כוח מסיליקון קרביד. לפי האתר הרשמי של Rohm, מבנה ROHM Gen3 (מבנה Gen1 Trench) מהווה רק 75% משטח השבב Gen2 (Plannar2), והתנגדות ההפעלה של מבנה ROHM Gen3 מצטמצמת ב-50% תחת אותו גודל שבב.

הוצאות על מצע סיליקון קרביד, אפיטקסיה, חזית ייצור, מחקר ופיתוח ואחרות מהוות 47%, 23%, 19%, 6% ו-5% מעלות הייצור של התקני סיליקון קרביד בהתאמה.

לבסוף, נתמקד בפירוק המחסומים הטכניים של מצעים בשרשרת תעשיית הסיליקון קרביד.

תהליך הייצור של מצעים מסיליקון קרביד דומה לזה של מצעים מבוססי סיליקון, אך קשה יותר.
תהליך הייצור של מצע סיליקון קרביד כולל בדרך כלל סינתזת חומרי גלם, גידול גבישים, עיבוד מטילי סיליקון, חיתוך מטילי סיליקון, טחינת פרוסות סיליקון, ליטוש, ניקוי וקישורים אחרים.
שלב גידול הגביש הוא ליבת התהליך כולו, ושלב זה קובע את התכונות החשמליות של מצע הסיליקון קרביד.

קשה לגדל חומרי סיליקון קרביד בשלב נוזלי בתנאים רגילים. שיטת הגידול בשלב האדים הפופולרית בשוק כיום בעלת טמפרטורת גידול מעל 2300 מעלות צלזיוס ודורשת שליטה מדויקת בטמפרטורת הגידול. תהליך הפעולה כולו כמעט קשה לצפייה. שגיאה קלה תוביל לגריטה של ​​המוצר. לשם השוואה, חומרי סיליקון דורשים רק 1600 מעלות צלזיוס, טמפרטורה נמוכה בהרבה. הכנת מצעים של סיליקון קרביד מתמודדת גם עם קשיים כמו גידול גבישים איטי ודרישות גבוהות לצורת גביש. גידול פרוסות סיליקון קרביד אורך כ-7 עד 10 ימים, בעוד שמשיכת מוט סיליקון אורכת רק יומיים וחצי. יתר על כן, סיליקון קרביד הוא חומר שקשיותו שנייה רק ​​ליהלום. הוא יאבד הרבה במהלך חיתוך, השחזה וליטוש, ויחס התפוקה הוא רק 60%.

אנו יודעים שהמגמה היא להגדיל את גודל מצעי הסיליקון קרביד, וככל שהגודל ממשיך לגדול, הדרישות לטכנולוגיית הרחבת הקוטר הולכות וגדלות. זה דורש שילוב של אלמנטים טכניים שונים כדי להשיג צמיחה איטרטיבית של גבישים.