Tehniskās grūtības stabilā masveida ražošanā augstas kvalitātes silīcija karbīda plāksnēm ar stabilu veiktspēju ietver:
1) Tā kā kristāliem jāaug augstā temperatūrā, kas pārsniedz 2000°C, noslēgtā vidē, temperatūras kontroles prasības ir ārkārtīgi augstas;
2) Tā kā silīcija karbīdam ir vairāk nekā 200 kristāla struktūru, bet tikai dažas no monokristāla silīcija karbīda struktūrām ir nepieciešamie pusvadītāju materiāli, kristāla augšanas procesā ir precīzi jākontrolē silīcija un oglekļa attiecība, augšanas temperatūras gradients un kristāla augšana. Parametri, piemēram, ātrums un gaisa plūsmas spiediens;
3) Saskaņā ar tvaika fāzes pārraides metodi silīcija karbīda kristālu augšanas diametra paplašināšanas tehnoloģija ir ārkārtīgi sarežģīta;
4) Silīcija karbīda cietība ir tuvu dimanta cietībai, un griešanas, slīpēšanas un pulēšanas metodes ir sarežģītas.
SiC epitaksiālās plāksnes: parasti ražo ar ķīmiskās tvaiku uzklāšanas (CVD) metodi. Atkarībā no dažādiem dopinga veidiem tās iedala n-tipa un p-tipa epitaksiālajās plāksnēs. Vietējie uzņēmumi Hantian Tiancheng un Dongguan Tianyu jau var piegādāt 4 collu/6 collu SiC epitaksiālās plāksnes. SiC epitaksiju ir grūti kontrolēt augstsprieguma laukā, un SiC epitaksijas kvalitātei ir lielāka ietekme uz SiC ierīcēm. Turklāt epitaksiālās iekārtas monopolizē četri nozares vadošie uzņēmumi: Axitron, LPE, TEL un Nuflare.
Silīcija karbīda epitaksiālaisPlāksne ir silīcija karbīda plāksne, kurā uz sākotnējā silīcija karbīda substrāta tiek audzēta monokristāla plēve (epitaksiālais slānis) ar noteiktām prasībām un tādām pašām kā substrāta kristālam. Epitaksiālajai audzēšanai galvenokārt izmanto CVD (ķīmiskās tvaiku pārklāšanas) iekārtas vai MBE (molekulārā stara epitaksijas) iekārtas. Tā kā silīcija karbīda ierīces tiek ražotas tieši epitaksiālajā slānī, epitaksiālā slāņa kvalitāte tieši ietekmē ierīces veiktspēju un ražību. Tā kā ierīces sprieguma izturības rādītāji turpina pieaugt, atbilstošā epitaksiālā slāņa biezums kļūst biezāks un vadība kļūst sarežģītāka. Parasti, ja spriegums ir aptuveni 600 V, nepieciešamais epitaksiālā slāņa biezums ir aptuveni 6 mikroni; ja spriegums ir no 1200 līdz 1700 V, nepieciešamais epitaksiālā slāņa biezums sasniedz 10–15 mikronus. Ja spriegums sasniedz vairāk nekā 10 000 voltu, var būt nepieciešams epitaksiālā slāņa biezums, kas pārsniedz 100 mikronus. Tā kā epitaksiālā slāņa biezums turpina palielināties, kļūst arvien grūtāk kontrolēt biezuma un pretestības vienmērīgumu un defektu blīvumu.
SiC ierīces: Starptautiskā mērogā ir industrializēti 600–1700 V SiC SBD un MOSFET. Galvenie produkti darbojas ar spriegumu zem 1200 V un galvenokārt izmanto TO korpusu. Cenu ziņā SiC produkti starptautiskajā tirgū ir aptuveni 5–6 reizes dārgāki nekā to Si analogi. Tomēr cenas samazinās par 10 % gadā, paplašinoties izejvielu un ierīču ražošanai nākamo 2–3 gadu laikā, tirgus piedāvājums palielināsies, kas novedīs pie turpmāka cenu samazinājuma. Paredzams, ka, kad cena sasniegs 2–3 reizes augstāku cenu nekā Si produktiem, priekšrocības, ko sniedz samazinātas sistēmas izmaksas un uzlabota veiktspēja, pakāpeniski liks SiC ieņemt Si ierīču tirgus daļu.
Tradicionālie iepakojumi ir balstīti uz silīcija bāzes substrātiem, savukārt trešās paaudzes pusvadītāju materiāliem ir nepieciešams pilnīgi jauns dizains. Izmantojot tradicionālās silīcija bāzes iepakojuma struktūras platjoslas spraugas barošanas ierīcēm, var rasties jaunas problēmas un izaicinājumi, kas saistīti ar frekvenci, termisko pārvaldību un uzticamību. SiC barošanas ierīces ir jutīgākas pret parazītisko kapacitāti un induktivitāti. Salīdzinot ar Si ierīcēm, SiC barošanas mikroshēmām ir lielāks komutācijas ātrums, kas var izraisīt pārsniegumu, svārstības, palielinātus komutācijas zudumus un pat ierīču darbības traucējumus. Turklāt SiC barošanas ierīces darbojas augstākā temperatūrā, tāpēc ir nepieciešamas modernākas termiskās pārvaldības metodes.
Platjoslas spraugas pusvadītāju jaudas iepakojuma jomā ir izstrādātas dažādas struktūras. Tradicionālais Si bāzes jaudas moduļu iepakojums vairs nav piemērots. Lai atrisinātu problēmas, kas saistītas ar augstiem parazitāriem parametriem un slikto siltuma izkliedes efektivitāti tradicionālajam Si bāzes jaudas moduļu iepakojumam, SiC jaudas moduļu iepakojums savā struktūrā izmanto bezvadu savienojumu un divpusēju dzesēšanas tehnoloģiju, kā arī izmanto substrāta materiālus ar labāku siltumvadītspēju, un moduļa struktūrā ir mēģināts integrēt atvienošanas kondensatorus, temperatūras/strāvas sensorus un piedziņas shēmas, kā arī ir izstrādātas dažādas moduļu iepakojuma tehnoloģijas. Turklāt SiC ierīču ražošanā ir augsti tehniski šķēršļi, un ražošanas izmaksas ir augstas.
Silīcija karbīda ierīces tiek ražotas, uzklājot epitaksiālus slāņus uz silīcija karbīda substrāta, izmantojot CVD metodi. Process ietver tīrīšanu, oksidēšanu, fotolitogrāfiju, kodināšanu, fotorezista noņemšanu, jonu implantāciju, silīcija nitrīda ķīmisko tvaiku pārklāšanu, pulēšanu, izsmidzināšanu un sekojošus apstrādes soļus, lai izveidotu ierīces struktūru uz SiC monokristāla substrāta. Galvenie SiC barošanas ierīču veidi ir SiC diodes, SiC tranzistori un SiC barošanas moduļi. Tādu faktoru dēļ kā lēns augšupējais materiāla ražošanas ātrums un zema ražība, silīcija karbīda ierīcēm ir salīdzinoši augstas ražošanas izmaksas.
Turklāt silīcija karbīda ierīču ražošanai ir noteiktas tehniskas grūtības:
1) Ir jāizstrādā īpašs process, kas atbilst silīcija karbīda materiālu īpašībām. Piemēram: SiC ir augsta kušanas temperatūra, kas padara tradicionālo termisko difūziju neefektīvu. Ir jāizmanto jonu implantācijas dopinga metode un precīzi jākontrolē tādi parametri kā temperatūra, sildīšanas ātrums, ilgums un gāzes plūsma; SiC ir inerts pret ķīmiskajiem šķīdinātājiem. Jāizmanto tādas metodes kā sausā kodināšana, kā arī jāoptimizē un jāattīsta masku materiāli, gāzu maisījumi, sānu sienu slīpuma, kodināšanas ātruma, sānu sienu raupjuma kontrole utt.;
2) Metāla elektrodu ražošanai uz silīcija karbīda plāksnēm ir nepieciešama kontakta pretestība zem 10-5Ω2. Elektrodu materiāliem, kas atbilst prasībām, Ni un Al, ir slikta termiskā stabilitāte virs 100°C, bet Al/Ni ir labāka termiskā stabilitāte. /W/Au kompozītmateriāla kontakta īpatnējā pretestība ir par 10-3Ω2 augstāka;
3) SiC ir augsts griešanas nodilums, un SiC cietība ir otrajā vietā aiz dimanta, kas izvirza augstākas prasības griešanai, slīpēšanai, pulēšanai un citām tehnoloģijām.
Turklāt tranšejas silīcija karbīda barošanas ierīces ir grūtāk izgatavot. Atkarībā no dažādām ierīču konstrukcijām silīcija karbīda barošanas ierīces galvenokārt var iedalīt plaknēs un tranšejas ierīcēs. Plaknēs silīcija karbīda barošanas ierīcēm ir laba vienības konsekvence un vienkāršs ražošanas process, taču tām ir tendence uz JFET efektu un augsta parazītiskā kapacitāte un pretestība ieslēgtā stāvoklī. Salīdzinot ar plaknēm, tranšejas silīcija karbīda barošanas ierīcēm ir zemāka vienības konsekvence un sarežģītāks ražošanas process. Tomēr tranšejas struktūra veicina ierīces vienības blīvuma palielināšanos un mazāk ticams, ka radīs JFET efektu, kas ir noderīgi kanālu mobilitātes problēmas risināšanā. Tai ir izcilas īpašības, piemēram, maza ieslēgšanās pretestība, maza parazītiskā kapacitāte un zems komutācijas enerģijas patēriņš. Tai ir ievērojamas izmaksu un veiktspējas priekšrocības, un tā ir kļuvusi par galveno silīcija karbīda barošanas ierīču attīstības virzienu. Saskaņā ar Rohm oficiālo tīmekļa vietni, ROHM Gen3 struktūra (Gen1 Trench struktūra) ir tikai 75% no Gen2 (Plannar2) mikroshēmas laukuma, un ROHM Gen3 struktūras ieslēgšanās pretestība ir samazināta par 50% pie tāda paša mikroshēmas izmēra.
Silīcija karbīda substrāta, epitaksijas, priekšējās daļas, pētniecības un attīstības izdevumi un citi veido attiecīgi 47%, 23%, 19%, 6% un 5% no silīcija karbīda ierīču ražošanas izmaksām.
Visbeidzot, mēs pievērsīsimies substrātu tehnisko šķēršļu nojaukšanai silīcija karbīda rūpniecības ķēdē.
Silīcija karbīda substrātu ražošanas process ir līdzīgs silīcija bāzes substrātu ražošanas procesam, bet sarežģītāks.
Silīcija karbīda substrāta ražošanas process parasti ietver izejvielu sintēzi, kristālu audzēšanu, lietņu apstrādi, lietņu griešanu, vafeļu slīpēšanu, pulēšanu, tīrīšanu un citas darbības.
Kristāla augšanas stadija ir visa procesa kodols, un šis solis nosaka silīcija karbīda substrāta elektriskās īpašības.
Silīcija karbīda materiālus normālos apstākļos ir grūti audzēt šķidrā fāzē. Pašlaik tirgū populārā tvaika fāzes audzēšanas metode ar augšanas temperatūru virs 2300 °C prasa precīzu augšanas temperatūras kontroli. Visu darbības procesu ir gandrīz grūti novērot. Neliela kļūda novedīs pie produkta utilizācijas. Salīdzinājumam, silīcija materiāliem nepieciešama tikai 1600 ℃, kas ir daudz zemāka temperatūra. Silīcija karbīda substrātu sagatavošana saskaras arī ar tādām grūtībām kā lēna kristālu augšana un augstas kristālu formas prasības. Silīcija karbīda plātņu audzēšana aizņem apmēram 7 līdz 10 dienas, savukārt silīcija stieņu vilkšana aizņem tikai divarpus dienas. Turklāt silīcija karbīds ir materiāls, kura cietība ir otrajā vietā aiz dimanta. Griešanas, slīpēšanas un pulēšanas laikā tas ievērojami zaudē cietību, un izlaides attiecība ir tikai 60%.
Mēs zinām, ka tendence ir palielināt silīcija karbīda substrātu izmērus, un, tā kā izmērs turpina pieaugt, prasības diametra paplašināšanas tehnoloģijai kļūst arvien augstākas. Lai panāktu kristālu iteratīvu augšanu, ir nepieciešama dažādu tehnisko vadības elementu kombinācija.
Publicēšanas laiks: 2024. gada 22. maijs