Zu den technesche Schwieregkeeten bei der stabiler Masseproduktioun vun héichwäertege Siliziumcarbidwaferen mat stabiler Leeschtung gehéieren:
1) Well Kristaller an enger versiegelter Ëmwelt mat héijer Temperatur iwwer 2000°C wuessen mussen, sinn d'Ufuerderunge fir d'Temperaturkontroll extrem héich;
2) Well Siliziumkarbid méi wéi 200 Kristallstrukturen huet, awer nëmmen e puer Strukturen aus Eenkristall-Siliziumkarbid déi néideg Hallefleedermaterialien sinn, mussen de Verhältnes vu Silizium zu Kuelestoff, de Wuesstemperaturgradient an de Kristallwuesstum während dem Kristallwuesstumsprozess präzis kontrolléiert ginn. Parameter wéi Geschwindegkeet an Loftdrock;
3) Ënnert der Gasphas-Transmissiounsmethod ass d'Duerchmiesserausdehnungstechnologie vum Siliziumcarbidkristallwuesstem extrem schwéier;
4) D'Häert vu Siliziumkarbid ass no bei där vum Diamant, an d'Schneid-, Schleif- a Poliertechnike si schwéier.
SiC Epitaxialwafer: normalerweis mat der chemescher Dampfoflagerungsmethod (CVD) hiergestallt. No de verschiddenen Dotiertypen gi se an n-Typ an p-Typ epitaxialwafer opgedeelt. Déi amerikanesch Firmen Hantian Tiancheng an Dongguan Tianyu kënnen elo schonn 4-Zoll/6-Zoll SiC Epitaxialwafer ubidden. Fir SiC Epitaxie ass et schwéier, se am Héichspannungsberäich ze kontrolléieren, an d'Qualitéit vun der SiC Epitaxie huet e gréisseren Afloss op SiC-Apparater. Ausserdeem gëtt epitaxial Ausrüstung vun de véier féierende Firmen an der Industrie monopoliséiert: Axitron, LPE, TEL an Nuflare.
Siliziumkarbid epitakteschWafer bezitt sech op e Siliziumcarbid-Wafer, an deem e Singlekristallfilm (epitaxial Schicht) mat bestëmmten Ufuerderungen an deeselwechte wéi de Substratkristall um urspréngleche Siliziumcarbid-Substrat ugebaut gëtt. Epitaxialwuesstem benotzt haaptsächlech CVD- (Chemical Vapor Deposition) Ausrüstung oder MBE- (Molecular Beam Epitaxy) Ausrüstung. Well Siliziumcarbid-Bauelementer direkt an der epitaxialer Schicht hiergestallt ginn, beaflosst d'Qualitéit vun der epitaxialer Schicht direkt d'Leeschtung an den Ausbezuelung vum Apparat. Mat der weiderer Erhéijung vun der Spannungsbeständegkeet vum Apparat gëtt d'Déckt vun der entspriechender epitaxialer Schicht méi déck an d'Kontroll gëtt méi schwéier. Am Allgemengen, wann d'Spannung ongeféier 600 V ass, ass déi erfuerderlech epitaxial Schichtdéckt ongeféier 6 Mikrometer; wann d'Spannung tëscht 1200-1700 V ass, erreecht déi erfuerderlech epitaxial Schichtdéckt 10-15 Mikrometer. Wann d'Spannung méi wéi 10.000 Volt erreecht, kann eng epitaxial Schichtdéckt vu méi wéi 100 Mikrometer erfuerderlech sinn. Mat der Déckt vun der epitaktischer Schicht gëtt et ëmmer méi schwéier, d'Déckt an d'Uniformitéit vum Widderstand an d'Defektdicht ze kontrolléieren.
SiC-Komponenten: International goufen 600~1700V SiC SBD a MOSFET industrialiséiert. Déi meescht Produkter funktionéieren op Spannungsniveauen ënner 1200V a benotzen haaptsächlech TO-Verpackungen. Wat d'Präisser ugeet, si SiC-Produkter um internationale Maart ongeféier 5-6 Mol méi deier wéi hir Si-Géigeparteien. D'Präisser falen awer ëm eng jäerlech Taux vun 10%. Mat der Expansioun vun Upstream-Materialien an der Apparatproduktioun an den nächsten 2-3 Joer wäert d'Maartangebot eropgoen, wat zu weidere Präisreduktiounen féiert. Et gëtt erwaart, datt wann de Präis 2-3 Mol méi héich ass wéi dee vu Si-Produkter, d'Virdeeler, déi duerch reduzéiert Systemkäschten an eng verbessert Leeschtung mat sech bréngen, SiC lues a lues dozou bréngen, de Maartplaz vun de Si-Komponenten anzehuelen.
Traditionell Verpackungsstrukture baséieren op Siliziumbaséierte Substrater, während Hallefleedermaterialien vun der drëtter Generatioun en komplett neien Design erfuerderen. D'Benotzung vun traditionelle Siliziumbaséierte Verpackungsstrukturen fir Breetbandlücke-Stroumversuergungsgeräter kann nei Problemer an Erausfuerderungen am Zesummenhang mat der Frequenz, dem Wärmemanagement an der Zouverlässegkeet mat sech bréngen. SiC-Stroumversuergungsgeräter si méi empfindlech op parasitär Kapazitéit an Induktivitéit. Am Verglach mat Si-Geräter hunn SiC-Stroumchips méi séier Schaltgeschwindegkeeten, wat zu Iwwerschwemmungen, Oszillatiounen, erhéichte Schaltverloschter a souguer Stéierunge vun den Apparater féiere kann. Zousätzlech funktionéieren SiC-Stroumversuergungsgeräter bei méi héijen Temperaturen a brauchen dofir méi fortgeschratt Wärmemanagementtechniken.
Eng ganz Rei vu verschiddene Strukturen goufen am Beräich vun der Breitbandlücke-Hallefleeder-Energieverpackung entwéckelt. Traditionell Si-baséiert Energiemodulverpackung ass net méi gëeegent. Fir d'Problemer vun héije parasitäre Parameteren an der schlechter Wärmeofgangseffizienz vun der traditioneller Si-baséierter Energiemodulverpackung ze léisen, benotzt d'SiC-Energiemodulverpackung drahtlos Verbindung an Duebelkühltechnologie an hirer Struktur, a benotzt och Substratmaterialien mat enger besserer Wärmeleitfäegkeet, a probéiert Entkopplungskondensatoren, Temperatur-/Stroumsensoren an Undriffsschaltkreesser an d'Modulstruktur z'integréieren, an entwéckelt eng Rei vu verschiddene Modulverpackungstechnologien. Ausserdeem gëtt et héich technesch Barrièren fir d'Produktioun vu SiC-Apparater an d'Produktiounskäschte si héich.
Siliziumcarbid-Komponente ginn hiergestallt andeems epitaktesch Schichten duerch CVD op engem Siliziumcarbid-Substrat ofgesat ginn. De Prozess ëmfaasst d'Botzen, d'Oxidatioun, d'Photolithographie, d'Ätzen, d'Ofschafe vum Photoresist, d'Ionenimplantatioun, d'chemesch Gasoflagerung vu Siliziumnitrid, d'Poléieren, d'Sputteren an déi folgend Veraarbechtungsschrëtt fir d'Komponentstruktur um SiC-Eenkristall-Substrat ze bilden. Haaptzorte vu SiC-Energiekomponenten sinn SiC-Dioden, SiC-Transistoren a SiC-Energiemoduler. Wéinst Faktoren wéi der lueser Upstream-Materialproduktiounsgeschwindegkeet an der niddreger Ausbezungsquote hunn Siliziumcarbid-Komponenten relativ héich Produktiounskäschten.
Zousätzlech huet d'Produktioun vu Siliziumkarbid-Apparater verschidde technesch Schwieregkeeten:
1) Et ass néideg, e spezifesche Prozess z'entwéckelen, deen mat de Charakteristike vu Siliziumkarbidmaterialien iwwereneestëmmt. Zum Beispill: SiC huet en héije Schmelzpunkt, wat déi traditionell thermesch Diffusioun ineffektiv mécht. Et ass néideg, d'Ionenimplantatiounsdotiermethod ze benotzen a Parameteren wéi Temperatur, Heizgeschwindegkeet, Dauer a Gasfloss präzis ze kontrolléieren; SiC ass inert géintiwwer chemesche Léisungsmëttel. Methode wéi dréchen Ätzen solle benotzt ginn, a Maskmaterialien, Gasmëschungen, Kontroll vun der Säitewandsteigung, Ätzgeschwindegkeet, Säitewandrauheet, etc. solle optimiséiert an entwéckelt ginn;
2) D'Fabrikatioun vu Metallelektroden op Siliziumkarbidwaferen erfuerdert e Kontaktwidderstand ënner 10-5Ω2. D'Elektrodematerialien, déi d'Ufuerderunge erfëllen, Ni an Al, hunn eng schlecht thermesch Stabilitéit iwwer 100°C, awer Al/Ni huet eng besser thermesch Stabilitéit. De kontaktspezifesche Widderstand vum /W/Au-Kompositelektrodematerial ass 10-3Ω2 méi héich;
3) SiC huet en héije Schnëttverschleiss, an d'Häert vum SiC ass nëmmen no Diamant iwwer der zweeter, wat méi héich Ufuerderunge fir Schneiden, Schleifen, Polieren an aner Technologien stellt.
Ausserdeem si Trench-Siliciumcarbid-Energiegeräter méi schwéier ze fabrizéieren. Jee no de verschiddene Strukturen vun den Apparater kënnen d'Siliciumcarbid-Energiegeräter haaptsächlech a planar Apparater an Trench-Apparater opgedeelt ginn. Planar Siliciumcarbid-Energiegeräter hunn eng gutt Eenheetskonsistenz an e einfache Fabrikatiounsprozess, awer si si ufälleg fir de JFET-Effekt an hunn eng héich parasitär Kapazitéit an en On-State-Widderstand. Am Verglach mat planaren Apparater hunn Trench-Siliciumcarbid-Energiegeräter eng méi niddreg Eenheetskonsistenz an e méi komplexe Fabrikatiounsprozess. D'Trench-Struktur ass awer förderlech fir d'Eenheetsdicht vun den Apparater ze erhéijen an huet manner Wahrscheinlechkeet, de JFET-Effekt ze produzéieren, wat virdeelhaft ass fir d'Problem vun der Kanalmobilitéit ze léisen. Si huet exzellent Eegeschafte wéi e klenge On-Widderstand, eng kleng parasitär Kapazitéit an e niddrege Schaltenergieverbrauch. Si huet bedeitend Käschten- a Leeschtungsvirdeeler an ass zu der Mainstream-Richtung vun der Entwécklung vu Siliciumcarbid-Energiegeräter ginn. Laut der offizieller Websäit vu Rohm mécht d'ROHM Gen3 Struktur (Gen1 Trench Struktur) nëmmen 75% vun der Gen2 (Plannar2) Chipfläch aus, an den On-Resistenz vun der ROHM Gen3 Struktur gëtt ënner der selwechter Chipgréisst ëm 50% reduzéiert.
Siliziumcarbid-Substrat, Epitaxie, Frontend, Fuerschungs- an Entwécklungskäschten an aner Ausgaben maachen 47%, 23%, 19%, 6% a 5% vun de Produktiounskäschte vu Siliziumcarbid-Komponenten aus.
Schlussendlech wäerte mir eis op d'Ofbriechen vun den technesche Barrièren vu Substrater an der Siliziumcarbidindustriekette konzentréieren.
De Produktiounsprozess vu Siliziumcarbid-Substrater ass ähnlech wéi dee vu Siliziumbaséierte Substrater, awer méi schwéier.
De Fabrikatiounsprozess vu Siliziumcarbid-Substrater ëmfaasst allgemeng d'Synthese vu Rohmaterialien, d'Kristallwuesstum, d'Barrenveraarbechtung, d'Barrenschneiden, d'Waferschleifen, d'Poléieren, d'Botzen an aner Verbindungen.
D'Kristallwuesstumsphase ass de Kär vum ganze Prozess, an dëse Schrëtt bestëmmt déi elektresch Eegeschafte vum Siliziumcarbidsubstrat.
Siliziumcarbidmaterialien si schwéier ënner normalen Bedéngungen an der flësseger Phas ze wuessen. D'Dampphas-Wuesstumsmethod, déi haut um Maart populär ass, huet eng Wuesstemperatur iwwer 2300°C a verlaangt eng präzis Kontroll vun der Wuesstemperatur. De ganze Prozess ass bal schwéier ze beobachten. E klenge Feeler féiert zu Produktverschrottung. Am Verglach brauche Siliziummaterialien nëmmen 1600℃, wat vill méi niddreg ass. D'Virbereedung vu Siliziumcarbidsubstrater huet och Schwieregkeeten, wéi e luese Kristallwuesstum an héije Ufuerderungen un d'Kristallform. De Wuesstum vu Siliziumcarbid-Wafers dauert ongeféier 7 bis 10 Deeg, während d'Zéie vu Siliziumstangen nëmmen 2,5 Deeg dauert. Ausserdeem ass Siliziumcarbid e Material, deem seng Häert nëmmen no Diamanten déi zweetgréisst ass. Et verléiert vill beim Schneiden, Schleifen a Polieren, an d'Ausgabverhältnis ass nëmmen 60%.
Mir wëssen, datt den Trend doranner besteet, d'Gréisst vu Siliziumkarbid-Substrater ze erhéijen, an well d'Gréisst weider eropgeet, ginn d'Ufuerderungen un d'Duerchmiessererweiderungstechnologie ëmmer méi héich. Et erfuerdert eng Kombinatioun vu verschiddenen technesche Kontrollelementer fir en iterativen Kristallwuesstum z'erreechen.
Zäitpunkt vun der Verëffentlechung: 22. Mee 2024