Тұрақты өнімділігі бар жоғары сапалы кремний карбидті пластиналарды тұрақты түрде жаппай өндірудегі техникалық қиындықтарға мыналар жатады:
1) Кристалдар 2000°C-тан жоғары температуралы жабық ортада өсуі қажет болғандықтан, температураны бақылау талаптары өте жоғары;
2) Кремний карбидінде 200-ден астам кристалдық құрылым болғандықтан, бірақ монокристалды кремний карбидінің бірнеше құрылымы ғана қажетті жартылай өткізгіш материалдар болып табылады, сондықтан кристалдардың өсу процесінде кремний-көміртегі қатынасын, өсу температурасының градиентін және кристалдардың өсуін дәл бақылау қажет. Жылдамдық және ауа ағынының қысымы сияқты параметрлер;
3) Бу фазасын беру әдісі бойынша кремний карбиді кристалдарының өсуінің диаметрін кеңейту технологиясы өте қиын;
4) Кремний карбидінің қаттылығы алмастың қаттылығына жақын, ал кесу, тегістеу және жылтырату әдістері қиын.
SiC эпитаксиалды пластиналары: әдетте химиялық бу тұндыру (CVD) әдісімен жасалады. Әртүрлі легирлеу түрлеріне сәйкес, олар n-типті және p-типті эпитаксиалды пластиналарға бөлінеді. Отандық Hantian Tiancheng және Dongguan Tianyu компаниялары қазірдің өзінде 4 дюймдік/6 дюймдік SiC эпитаксиалды пластиналарын ұсына алады. SiC эпитаксиасын жоғары вольтты өрісте басқару қиын, ал SiC эпитаксиінің сапасы SiC құрылғыларына үлкен әсер етеді. Сонымен қатар, эпитаксиалды жабдықты саланың төрт жетекші компаниясы: Axitron, LPE, TEL және Nuflare монополиялайды.
Кремний карбиді эпитаксиалдыВафли дегеніміз - бастапқы кремний карбидінің негізінде белгілі бір талаптарға сай және субстрат кристалымен бірдей монокристалды пленка (эпитаксиалды қабат) өсірілетін кремний карбидінен жасалған вафли. Эпитаксиалды өсіру негізінен CVD (Химиялық бу тұндыру) жабдығын немесе MBE (Молекулалық сәулелік эпитакси) жабдығын пайдаланады. Кремний карбидті құрылғылары тікелей эпитаксиалды қабатта өндірілетіндіктен, эпитаксиалды қабаттың сапасы құрылғының өнімділігі мен өнімділігіне тікелей әсер етеді. Құрылғының кернеуге төзімділігі артып келе жатқанда, тиісті эпитаксиалды қабаттың қалыңдығы қалыңдайды және басқару қиындай түседі. Әдетте, кернеу шамамен 600 В болғанда, қажетті эпитаксиалды қабат қалыңдығы шамамен 6 микронды құрайды; кернеу 1200-1700 В аралығында болғанда, қажетті эпитаксиалды қабат қалыңдығы 10-15 микронға жетеді. Егер кернеу 10 000 вольттан асса, 100 микроннан асатын эпитаксиалды қабат қалыңдығы қажет болуы мүмкін. Эпитаксиалды қабаттың қалыңдығы артып келе жатқандықтан, қалыңдық пен кедергінің біркелкілігін және ақау тығыздығын бақылау қиындай түседі.
SiC құрылғылары: Халықаралық деңгейде 600~1700V SiC SBD және MOSFET индустрияландырылған. Негізгі өнімдер 1200В-тан төмен кернеу деңгейінде жұмыс істейді және негізінен TO қаптамасын қабылдайды. Баға тұрғысынан алғанда, халықаралық нарықтағы SiC өнімдерінің бағасы Si аналогтарына қарағанда шамамен 5-6 есе жоғары. Дегенмен, бағалар жыл сайын 10% төмендейді. Алдағы 2-3 жылда бастапқы материалдар мен құрылғылар өндірісінің кеңеюімен нарықтық ұсыныс артады, бұл бағаның одан әрі төмендеуіне әкеледі. Баға Si өнімдерінің бағасынан 2-3 есеге жеткенде, жүйелік шығындардың төмендеуі және өнімділіктің жақсаруы SiC-ті Si құрылғыларының нарықтық кеңістігін біртіндеп иеленуге итермелейді деп күтілуде.
Дәстүрлі қаптама кремний негізіндегі субстраттарға негізделген, ал үшінші буын жартылай өткізгіш материалдары мүлдем жаңа дизайнды қажет етеді. Кең жолақты қуат құрылғылары үшін дәстүрлі кремний негізіндегі қаптама құрылымдарын пайдалану жиілікке, жылуды басқаруға және сенімділікке байланысты жаңа мәселелер мен қиындықтар тудыруы мүмкін. SiC қуат құрылғылары паразиттік сыйымдылық пен индуктивтілікке сезімталырақ. Si құрылғыларымен салыстырғанда, SiC қуат чиптерінің ауысу жылдамдығы жоғарырақ, бұл шамадан тыс жұмыс істеуге, тербеліске, ауысу шығындарының артуына және тіпті құрылғының ақауларына әкелуі мүмкін. Сонымен қатар, SiC қуат құрылғылары жоғары температурада жұмыс істейді, бұл жылуды басқарудың озық әдістерін қажет етеді.
Кең жолақты жартылай өткізгіш қуатты қаптама саласында әртүрлі құрылымдар жасалды. Дәстүрлі Si негізіндегі қуат модулін қаптамалау енді жарамсыз. Дәстүрлі Si негізіндегі қуат модулін қаптамалаудың жоғары паразиттік параметрлері мен жылуды тарату тиімділігінің төмен мәселелерін шешу үшін SiC қуат модулін қаптамалау құрылымында сымсыз байланыс және екі жақты салқындату технологиясын қолданады, сондай-ақ жылу өткізгіштігі жақсырақ субстрат материалдарын қолданады, ажыратқыш конденсаторларды, температура/ток сенсорларын және жетек тізбектерін модуль құрылымына біріктіруге тырысты және әртүрлі модульді қаптамалау технологияларын әзірледі. Сонымен қатар, SiC құрылғыларын өндіруде жоғары техникалық кедергілер бар және өндіріс шығындары жоғары.
Кремний карбидті құрылғылары кремний карбидті субстратқа эпитаксиалды қабаттарды CVD арқылы жағу арқылы жасалады. Процесс тазалауды, тотығуды, фотолитографияны, оюды, фоторезистті алуды, иондық имплантацияны, кремний нитридін химиялық бумен жағуды, жылтыратуды, шашыратуды және SiC монокристалды субстратында құрылғы құрылымын қалыптастыру үшін кейінгі өңдеу қадамдарын қамтиды. SiC қуат құрылғыларының негізгі түрлеріне SiC диодтары, SiC транзисторлары және SiC қуат модульдері жатады. Материалды өндірудің баяу жылдамдығы және өнімділіктің төмен деңгейі сияқты факторларға байланысты кремний карбидті құрылғылардың өндірістік шығындары салыстырмалы түрде жоғары.
Сонымен қатар, кремний карбиді құрылғысын өндіруде белгілі бір техникалық қиындықтар бар:
1) Кремний карбиді материалдарының сипаттамаларына сәйкес келетін нақты процесті әзірлеу қажет. Мысалы: SiC жоғары балқу температурасына ие, бұл дәстүрлі термиялық диффузияны тиімсіз етеді. Иондық имплантациялық легирлеу әдісін қолдану және температура, қыздыру жылдамдығы, ұзақтығы және газ ағыны сияқты параметрлерді дәл бақылау қажет; SiC химиялық еріткіштерге инертті. Құрғақ ою сияқты әдістерді қолдану керек, сондай-ақ маска материалдарын, газ қоспаларын, бүйір қабырғасының көлбеуін, ою жылдамдығын, бүйір қабырғасының кедір-бұдырлығын және т.б. бақылауды оңтайландыру және әзірлеу қажет;
2) Кремний карбидті пластиналарында металл электродтарды өндіру үшін 10-5Ω2-ден төмен жанасу кедергісі қажет. Ni және Al талаптарына сай келетін электрод материалдарының 100°C-тан жоғары температурада термиялық тұрақтылығы нашар, бірақ Al/Ni термиялық тұрақтылығы жақсырақ. /W/Au композиттік электрод материалының жанасу меншікті кедергісі 10-3Ω2 жоғары;
3) SiC жоғары кесу тозуына ие, ал SiC қаттылығы алмаздан кейінгі екінші орында, бұл кесу, тегістеу, жылтырату және басқа технологияларға жоғары талаптар қояды.
Сонымен қатар, траншея кремнийі карбиді қуат құрылғыларын өндіру қиынырақ. Әр түрлі құрылғы құрылымдарына сәйкес, кремний карбиді қуат құрылғыларын негізінен жазық құрылғылар және траншея құрылғылары деп бөлуге болады. Жазық кремний карбиді қуат құрылғылары жақсы бірлік консистенциясына және қарапайым өндіріс процесіне ие, бірақ JFET әсеріне бейім және жоғары паразиттік сыйымдылыққа және күйге төзімділікке ие. Жазық құрылғылармен салыстырғанда, траншея кремнийі карбиді қуат құрылғылары төмен бірлік консистенциясына ие және күрделі өндіріс процесіне ие. Дегенмен, траншея құрылымы құрылғы бірлігінің тығыздығын арттыруға ықпал етеді және JFET әсерін тудыруы ықтималдығы аз, бұл арна қозғалғыштығы мәселесін шешуге пайдалы. Оның кіші қарсылық, кіші паразиттік сыйымдылық және төмен коммутациялық энергия тұтынуы сияқты тамаша қасиеттері бар. Оның айтарлықтай құны мен өнімділігі артықшылықтары бар және кремний карбиді қуат құрылғыларын дамытудың негізгі бағытына айналды. Rohm ресми веб-сайтына сәйкес, ROHM Gen3 құрылымы (Gen1 Trench құрылымы) Gen2 (Plannar2) чип ауданының тек 75%-ын құрайды, ал ROHM Gen3 құрылымының қарсыласуы сол чип өлшемінде 50%-ға төмендейді.
Кремний карбидті негіз, эпитакси, алдыңғы жағы, ғылыми-зерттеу және тәжірибелік-конструкторлық жұмыстарға жұмсалатын шығындар және басқалары кремний карбидті құрылғыларды өндіру құнының сәйкесінше 47%, 23%, 19%, 6% және 5% құрайды.
Соңында, біз кремний карбиді өнеркәсібі тізбегіндегі субстраттардың техникалық кедергілерін жоюға назар аударамыз.
Кремний карбидті негіздерін өндіру процесі кремний негізіндегі негіздерге ұқсас, бірақ қиынырақ.
Кремний карбиді субстратын өндіру процесі әдетте шикізат синтезін, кристалды өсіруді, құйманы өңдеуді, құйманы кесуді, пластинаны ұнтақтауды, жылтыратуды, тазалауды және басқа да байланысты қамтиды.
Кристалл өсу кезеңі бүкіл процестің өзегі болып табылады және бұл қадам кремний карбиді субстратының электрлік қасиеттерін анықтайды.
Кремний карбидті материалдарын қалыпты жағдайда сұйық фазада өсіру қиын. Бүгінгі таңда нарықта кең таралған бу фазасының өсу әдісінің өсу температурасы 2300°C-тан жоғары және өсу температурасын дәл бақылауды қажет етеді. Барлық жұмыс процесін байқау қиынға соғады. Кішкентай қателік өнімді қалдықтарға айналдырады. Салыстырмалы түрде, кремний материалдары тек 1600℃ температураны қажет етеді, бұл әлдеқайда төмен. Кремний карбидті негіздерін дайындау кристалдардың баяу өсуі және кристалл пішініне жоғары талаптар сияқты қиындықтарға тап болады. Кремний карбидті пластинаның өсуі шамамен 7-10 күнді алады, ал кремний шыбығын тарту тек 2 жарым күнді алады. Сонымен қатар, кремний карбиді - қаттылығы тек гауһардан кейінгі материал. Кесу, тегістеу және жылтырату кезінде ол көп жоғалтады, ал шығыс коэффициенті тек 60% құрайды.
Біз кремний карбидті негіздердің өлшемін ұлғайту үрдісі бар екенін білеміз, өлшемі ұлғая берген сайын диаметрді кеңейту технологиясына қойылатын талаптар да артып келеді. Кристалдардың итеративті өсуіне қол жеткізу үшін әртүрлі техникалық басқару элементтерінің үйлесімін қажет етеді.
Жарияланған уақыты: 2024 жылғы 22 мамыр