Techniniai sunkumai, kylantys stabiliai masiškai gaminant aukštos kokybės silicio karbido plokšteles, pasižyminčias stabiliomis eksploatacinėmis savybėmis, yra šie:
1) Kadangi kristalai turi augti aukštoje temperatūroje, aukštesnėje nei 2000 °C, temperatūros kontrolės reikalavimai yra itin aukšti;
2) Kadangi silicio karbidas turi daugiau nei 200 kristalinių struktūrų, tačiau tik kelios monokristalinio silicio karbido struktūros yra reikalingos puslaidininkinės medžiagos, kristalų augimo proceso metu reikia tiksliai kontroliuoti silicio ir anglies santykį, augimo temperatūros gradientą ir kristalų augimą. Tokius parametrus kaip greitis ir oro srauto slėgis;
3) Taikant garų fazės perdavimo metodą, silicio karbido kristalų augimo skersmens išplėtimo technologija yra itin sudėtinga;
4) Silicio karbido kietumas yra artimas deimanto kietumui, todėl jį sunku pjaustyti, šlifuoti ir poliruoti.
SiC epitaksinės plokštelės: paprastai gaminamos cheminio garų nusodinimo (CVD) metodu. Pagal skirtingus legiravimo tipus jos skirstomos į n tipo ir p tipo epitaksines plokšteles. Vietinės „Hantian Tiancheng“ ir „Dongguan Tianyu“ jau gali tiekti 4 colių/6 colių SiC epitaksines plokšteles. SiC epitaksiją sunku kontroliuoti aukštos įtampos lauke, o SiC epitaksijos kokybė turi didesnę įtaką SiC įrenginiams. Be to, epitaksinę įrangą monopolizuoja keturios pirmaujančios pramonės įmonės: „Axitron“, LPE, TEL ir „Nuflare“.
Silicio karbido epitaksinisPlokštelė – tai silicio karbido plokštelė, kurioje ant pradinio silicio karbido pagrindo auginama monokristalinė plėvelė (epitaksinis sluoksnis), atitinkanti tam tikrus reikalavimus ir tuos pačius kaip ir substrato kristalas. Epitaksiniam auginimui daugiausia naudojama CVD (cheminio garų nusodinimo) įranga arba MBE (molekulinių pluoštų epitaksijos) įranga. Kadangi silicio karbido įtaisai gaminami tiesiai epitaksiniame sluoksnyje, epitaksinio sluoksnio kokybė tiesiogiai veikia įtaiso veikimą ir našumą. Didėjant įtaiso įtampos atsparumui, atitinkamo epitaksinio sluoksnio storis tampa storesnis, o jį valdyti tampa sunkiau. Paprastai, kai įtampa yra apie 600 V, reikalingas epitaksinio sluoksnio storis yra apie 6 mikronus; kai įtampa yra nuo 1200 iki 1700 V, reikalingas epitaksinio sluoksnio storis siekia 10–15 mikronų. Jei įtampa siekia daugiau nei 10 000 voltų, gali prireikti daugiau nei 100 mikronų storio epitaksinio sluoksnio. Didėjant epitaksinio sluoksnio storiui, tampa vis sunkiau kontroliuoti storio ir varžos vienodumą bei defektų tankį.
SiC įtaisai: Tarptautiniu mastu industrializuoti 600–1700 V SiC SBD ir MOSFET tranzistoriai. Pagrindiniai gaminiai veikia žemesnėje nei 1200 V įtampoje ir daugiausia naudojami TO korpusuose. Kalbant apie kainas, SiC gaminiai tarptautinėje rinkoje yra maždaug 5–6 kartus brangesni nei silicio gaminiai. Tačiau kainos mažėja 10 % metiniu tempu, per ateinančius 2–3 metus plečiantis medžiagų ir įrenginių gamybai, rinkos pasiūla didės, todėl kainos dar labiau mažės. Tikimasi, kad kai kaina pasieks 2–3 kartus didesnę nei silicio gaminių kainą, sumažėjusios sistemos sąnaudos ir pagerėjęs našumas palaipsniui paskatins SiC užimti silicio gaminių rinkos dalį.
Tradicinis korpusas yra pagrįstas silicio pagrindo substratais, o trečios kartos puslaidininkinėms medžiagoms reikalingas visiškai naujas dizainas. Naudojant tradicines silicio pagrindo korpuso struktūras plataus draudžiamojo tarpo galios įtaisuose, gali kilti naujų problemų ir iššūkių, susijusių su dažniu, šilumos valdymu ir patikimumu. SiC galios įtaisai yra jautresni parazitinei talpai ir induktyvumui. Palyginti su Si įtaisais, SiC galios lustai turi didesnį perjungimo greitį, o tai gali sukelti viršijimą, svyravimus, padidėjusius perjungimo nuostolius ir net įtaiso gedimus. Be to, SiC galios įtaisai veikia aukštesnėje temperatūroje, todėl reikalingi pažangesni šilumos valdymo metodai.
Plačiajuosčio tarpo puslaidininkinių galios modulių korpusų srityje sukurta daug skirtingų struktūrų. Tradicinis silicio pagrindu pagamintas galios modulių korpusas nebetinka. Siekiant išspręsti tradicinių silicio pagrindu pagamintų galios modulių korpusų didelių parazitinių parametrų ir prasto šilumos išsklaidymo efektyvumo problemas, silicio karbido (SiC) galios modulių korpusuose naudojama belaidžio sujungimo ir dvipusio aušinimo technologija, taip pat naudojamos geresnio šilumos laidumo substrato medžiagos, į modulio struktūrą bandyta integruoti atsiejimo kondensatorius, temperatūros / srovės jutiklius ir pavaros grandines, taip sukuriant įvairias modulių korpusų technologijas. Be to, SiC įrenginių gamybai kyla didelių techninių kliūčių, o gamybos sąnaudos yra didelės.
Silicio karbido įtaisai gaminami nusodinant epitaksinius sluoksnius ant silicio karbido pagrindo naudojant CVD metodą. Procesas apima valymą, oksidaciją, fotolitografiją, ėsdinimą, fotorezisto nuėmimą, jonų implantaciją, silicio nitrido cheminį garų nusodinimą, poliravimą, purškimą ir vėlesnius apdorojimo etapus, siekiant suformuoti įtaiso struktūrą ant SiC monokristalo pagrindo. Pagrindiniai SiC galios įtaisų tipai yra SiC diodai, SiC tranzistoriai ir SiC galios moduliai. Dėl tokių veiksnių kaip lėtas medžiagų gamybos greitis ir mažas išeiga, silicio karbido įtaisų gamybos sąnaudos yra gana didelės.
Be to, silicio karbido įtaisų gamyba turi tam tikrų techninių sunkumų:
1) Būtina sukurti specifinį procesą, kuris atitiktų silicio karbido medžiagų savybes. Pavyzdžiui: SiC turi aukštą lydymosi temperatūrą, todėl tradicinė terminė difuzija yra neefektyvi. Būtina naudoti jonų implantacijos legiravimo metodą ir tiksliai kontroliuoti tokius parametrus kaip temperatūra, kaitinimo greitis, trukmė ir dujų srautas; SiC yra inertiškas cheminiams tirpikliams. Reikėtų naudoti tokius metodus kaip sausas ėsdinimas, optimizuoti ir plėtoti kaukių medžiagas, dujų mišinius, šoninės sienelės nuolydžio, ėsdinimo greičio, šoninės sienelės šiurkštumo ir kt. valdymą.
2) Metalinių elektrodų gamybai ant silicio karbido plokštelių reikalinga kontaktinė varža, mažesnė nei 10⁻⁶ Ω₂. Šiuos reikalavimus atitinkančios elektrodų medžiagos (Ni ir Al) pasižymi prastu terminiu stabilumu aukštesnėje nei 100 °C temperatūroje, tačiau Al/Ni turi geresnį terminį stabilumą. /W/Au kompozicinės elektrodų medžiagos kontaktinė savitoji varža yra 10⁻⁶ Ω₂ didesnė;
3) SiC pasižymi dideliu pjovimo atsparumu, o kietumu SiC nusileidžia tik deimantui, todėl pjovimo, šlifavimo, poliravimo ir kitoms technologijoms keliami aukštesni reikalavimai.
Be to, tranšėjinius silicio karbido maitinimo įtaisus sunkiau pagaminti. Pagal skirtingas įtaisų struktūras, silicio karbido maitinimo įtaisus daugiausia galima suskirstyti į planarinius ir tranšėjinius. Plokštuminiai silicio karbido maitinimo įtaisai pasižymi gera vieneto konsistencija ir paprastu gamybos procesu, tačiau yra linkę į JFET efektą ir turi didelę parazitinę talpą bei įjungimo varžą. Palyginti su planariniais įtaisais, tranšėjiniai silicio karbido maitinimo įtaisai turi mažesnę vieneto konsistenciją ir sudėtingesnį gamybos procesą. Tačiau tranšėjinė struktūra padeda didinti įtaiso vieneto tankį ir yra mažiau linkusi sukelti JFET efektą, o tai yra naudinga sprendžiant kanalų mobilumo problemą. Ji pasižymi puikiomis savybėmis, tokiomis kaip maža įjungimo varža, maža parazitinė talpa ir mažas perjungimo energijos suvartojimas. Ji turi didelių kainos ir našumo pranašumų ir tapo pagrindine silicio karbido maitinimo įtaisų kūrimo kryptimi. Remiantis oficialia „Rohm“ svetaine, ROHM Gen3 struktūra („Gen1 Trench“ struktūra) sudaro tik 75 % „Gen2“ („Plannar2“) lusto ploto, o ROHM Gen3 struktūros įjungimo varža, esant tokiam pačiam lusto dydžiui, sumažėja 50 %.
Silicio karbido substrato, epitaksijos, priekinės dalies, mokslinių tyrimų ir plėtros išlaidos ir kitos sudaro atitinkamai 47 %, 23 %, 19 %, 6 % ir 5 % silicio karbido įtaisų gamybos sąnaudų.
Galiausiai, daugiausia dėmesio skirsime techninių kliūčių, susijusių su silicio karbido pramonės grandinės substratais, šalinimui.
Silicio karbido substratų gamybos procesas yra panašus į silicio pagrindo substratų gamybos procesą, tačiau yra sudėtingesnis.
Silicio karbido substrato gamybos procesas paprastai apima žaliavų sintezę, kristalų auginimą, luitų apdorojimą, luitų pjovimą, plokštelių šlifavimą, poliravimą, valymą ir kitas grandis.
Kristalų augimo etapas yra viso proceso pagrindas, ir šis žingsnis lemia silicio karbido substrato elektrines savybes.
Silicio karbido medžiagas normaliomis sąlygomis sunku auginti skystoje fazėje. Šiandien rinkoje populiarus garų fazės auginimo metodas, kurio augimo temperatūra viršija 2300 °C, reikalauja tikslaus augimo temperatūros valdymo. Visą darbo procesą beveik sunku stebėti. Maža paklaida gali sukelti produkto broką. Palyginimui, silicio medžiagoms reikia tik 1600 ℃ temperatūros, kuri yra daug mažesnė. Silicio karbido substratų paruošimas taip pat susiduria su tokiais sunkumais kaip lėtas kristalų augimas ir aukšti kristalų formos reikalavimai. Silicio karbido plokštelių augimas trunka apie 7–10 dienų, o silicio strypo tempimas – tik 2 su puse dienos. Be to, silicio karbidas yra medžiaga, kurios kietumas nusileidžia tik deimantui. Pjaunant, šlifuojant ir poliruojant, jis daug praranda, o išeigos santykis yra tik 60 %.
Žinome, kad tendencija yra didinti silicio karbido substratų dydį, nes, didėjant dydžiui, reikalavimai skersmens didinimo technologijai tampa vis didesni. Norint pasiekti iteracinį kristalų augimą, reikia derinti įvairius techninius valdymo elementus.
Įrašo laikas: 2024 m. gegužės 22 d.