Техничките тешкотии во стабилно масовно производство на висококвалитетни силициум карбидни плочки со стабилни перформанси вклучуваат:
1) Бидејќи кристалите треба да растат во затворена средина со висока температура над 2000°C, барањата за контрола на температурата се екстремно високи;
2) Бидејќи силициум карбидот има повеќе од 200 кристални структури, но само неколку структури на монокристален силициум карбид се потребни полупроводнички материјали, односот силициум-јаглерод, градиентот на температурата на раст и растот на кристалите треба прецизно да се контролираат за време на процесот на раст на кристалите. Параметри како што се брзината и притисокот на протокот на воздух;
3) Според методот на пренос во парна фаза, технологијата на проширување на дијаметарот на растот на кристалите од силициум карбид е исклучително тешка;
4) Тврдоста на силициум карбидот е блиска до тврдоста на дијамантот, а техниките на сечење, брусење и полирање се тешки.
SiC епитаксијални плочки: обично се произведуваат со метод на хемиско таложење на пареа (CVD). Според различните типови на допирање, тие се поделени на n-тип и p-тип епитаксијални плочки. Домашните Hantian Tiancheng и Dongguan Tianyu веќе можат да обезбедат 4-инчни/6-инчни SiC епитаксијални плочки. За SiC епитаксија, тешко е да се контролира во високонапонско поле, а квалитетот на SiC епитаксија има поголемо влијание врз SiC уредите. Покрај тоа, епитаксијалната опрема е монополизирана од четирите водечки компании во индустријата: Axitron, LPE, TEL и Nuflare.
Силициум карбид епитаксијаленПоимот „плоча“ се однесува на силициум карбидна плочка во која на оригиналниот силициум карбиден супстрат се одгледува монокристален филм (епитаксијален слој) со одредени барања и исти како и кристалот на подлогата. Епитаксијалниот раст главно користи CVD (хемиско таложење на пареа) опрема или MBE (молекуларна зрачна епитаксија) опрема. Бидејќи силициум карбидните уреди се произведуваат директно во епитаксијалниот слој, квалитетот на епитаксијалниот слој директно влијае на перформансите и приносот на уредот. Како што перформансите на отпорност на напон на уредот продолжуваат да се зголемуваат, дебелината на соодветниот епитаксијален слој станува подебела и контролата станува потешка. Општо земено, кога напонот е околу 600 V, потребната дебелина на епитаксијалниот слој е околу 6 микрони; кога напонот е помеѓу 1200-1700 V, потребната дебелина на епитаксијалниот слој достигнува 10-15 микрони. Ако напонот достигне повеќе од 10.000 волти, може да биде потребна дебелина на епитаксијалниот слој од повеќе од 100 микрони. Како што дебелината на епитаксијалниот слој продолжува да се зголемува, станува сè потешко да се контролира униформноста на дебелината и отпорноста, како и густината на дефектите.
SiC уреди: На меѓународно ниво, 600~1700V SiC SBD и MOSFET се индустријализирани. Главните производи работат на напонски нивоа под 1200V и првенствено користат TO пакување. Во однос на цените, SiC производите на меѓународниот пазар се со цена од околу 5-6 пати повисока од нивните Si еквиваленти. Сепак, цените се намалуваат со годишна стапка од 10%. Со проширувањето на производството на материјали и уреди во наредните 2-3 години, понудата на пазарот ќе се зголеми, што ќе доведе до понатамошно намалување на цените. Се очекува дека кога цената ќе достигне 2-3 пати поголема од онаа на Si производите, предностите што ги носат намалените системски трошоци и подобрените перформанси постепено ќе го поттикнат SiC да го заземе пазарниот простор на Si уреди.
Традиционалното пакување се базира на подлоги базирани на силициум, додека полупроводничките материјали од третата генерација бараат сосема нов дизајн. Користењето на традиционални структури на пакување базирани на силициум за уреди со широк енергетски јаз може да воведе нови проблеми и предизвици поврзани со фреквенцијата, термичкото управување и сигурноста. SiC уредите за напојување се почувствителни на паразитски капацитет и индуктивност. Во споредба со Si уредите, SiC чиповите за напојување имаат побрзи брзини на префрлување, што може да доведе до пречекорување, осцилации, зголемени загуби при префрлување, па дури и дефекти на уредот. Дополнително, SiC уредите за напојување работат на повисоки температури, што бара понапредни техники за термичко управување.
Различни структури се развиени во областа на пакување на полупроводници за енергија со широк енергетски јаз. Традиционалното пакување на модули за енергија базирано на Si повеќе не е соодветно. За да се решат проблемите со високите паразитски параметри и слабата ефикасност на дисипација на топлина на традиционалното пакување на модули за енергија базирано на Si, пакувањето на модулите за енергија од SiC користи безжична меѓусебна поврзаност и технологија за двострано ладење во својата структура, а исто така користи и материјали за подлога со подобра топлинска спроводливост, и се обиде да интегрира кондензатори за одвојување, сензори за температура/струја и погонски кола во структурата на модулот, и разви различни технологии за пакување на модули. Покрај тоа, постојат високи технички бариери за производство на SiC уреди, а трошоците за производство се високи.
Уредите од силициум карбид се произведуваат со таложење на епитаксијални слоеви на супстрат од силициум карбид преку CVD. Процесот вклучува чистење, оксидација, фотолитографија, јонизирање, отстранување на фоторезист, јонска имплантација, хемиско таложење на силициум нитрид со пареа, полирање, распрскување и последователни чекори на обработка за да се формира структурата на уредот на супстратот од SiC монокристал. Главните типови на уреди за напојување од SiC вклучуваат SiC диоди, SiC транзистори и SiC модули за напојување. Поради фактори како што се бавната брзина на производство на материјал и ниските стапки на принос, уредите од силициум карбид имаат релативно високи трошоци за производство.
Покрај тоа, производството на уреди од силициум карбид има одредени технички тешкотии:
1) Потребно е да се развие специфичен процес кој е во согласност со карактеристиките на силициум карбидните материјали. На пример: SiC има висока точка на топење, што ја прави традиционалната термичка дифузија неефикасна. Потребно е да се користи метод на допирање со јонска имплантација и прецизно да се контролираат параметрите како што се температурата, брзината на загревање, времетраењето и протокот на гас; SiC е инертен на хемиски растворувачи. Треба да се користат методи како што се суво јоргање, а треба да се оптимизираат и развијат материјали за маска, мешавини од гас, контрола на наклонот на страничните ѕидови, брзината на јоргање, грубоста на страничните ѕидови итн.;
2) Производството на метални електроди на силициум карбидни плочки бара контактен отпор под 10-5Ω2. Материјалите на електродите што ги исполнуваат барањата, Ni и Al, имаат слаба термичка стабилност над 100°C, но Al/Ni има подобра термичка стабилност. Специфичниот контактен отпор на композитниот електроден материјал /W/Au е за 10-3Ω2 повисок;
3) SiC има големо абење при сечење, а тврдоста на SiC е втора по тврдоста по дијамантот, што поставува повисоки барања за сечење, брусење, полирање и други технологии.
Покрај тоа, уредите за напојување од силициум карбид се потешки за производство. Според различните структури на уредите, уредите за напојување од силициум карбид може главно да се поделат на планарни уреди и уреди за напојување од ров. Планарните уреди за напојување од силициум карбид имаат добра конзистентност на единиците и едноставен процес на производство, но се склони кон JFET ефект и имаат висок паразитски капацитет и отпор при вклучување. Во споредба со планарните уреди, уредите за напојување од силициум карбид имаат помала конзистентност на единиците и имаат посложен процес на производство. Сепак, структурата на ровот е погодна за зголемување на густината на единиците на уредот и е помала веројатноста да произведе JFET ефект, што е корисно за решавање на проблемот со мобилноста на каналите. Има одлични својства како што се мал отпор при вклучување, мал паразитски капацитет и ниска потрошувачка на енергија при префрлување. Има значителни предности во трошоците и перформансите и стана главна насока на развојот на уреди за напојување од силициум карбид. Според официјалната веб-страница на Rohm, структурата ROHM Gen3 (структура на ровот Gen1) е само 75% од површината на чипот Gen2 (Plannar2), а отпорот на вклучување на структурата ROHM Gen3 е намален за 50% под истата големина на чипот.
Трошоците за супстрат од силициум карбид, епитаксија, преден дел, трошоци за истражување и развој и други сочинуваат 47%, 23%, 19%, 6% и 5% од трошоците за производство на уреди од силициум карбид, соодветно.
Конечно, ќе се фокусираме на рушење на техничките бариери на подлогите во индустрискиот синџир на силициум карбид.
Процесот на производство на супстрати од силициум карбид е сличен на оној на супстрати базирани на силициум, но е потежок.
Процесот на производство на супстрат од силициум карбид генерално вклучува синтеза на суровини, раст на кристали, обработка на инготи, сечење на инготи, мелење на плочка, полирање, чистење и други врски.
Фазата на раст на кристалите е јадрото на целиот процес, а овој чекор ги одредува електричните својства на подлогата од силициум карбид.
Силициум карбидните материјали тешко се одгледуваат во течна фаза под нормални услови. Методот на раст во парна фаза, популарен на пазарот денес, има температура на раст над 2300°C и бара прецизна контрола на температурата на раст. Целиот процес на работа е речиси тешко да се забележи. Мала грешка ќе доведе до отстранување на производот. За споредба, силициумските материјали бараат само 1600℃, што е многу пониско. Подготовката на силициум карбидни супстрати, исто така, се соочува со тешкотии како што се бавниот раст на кристалите и високите барања за кристална форма. Растот на силициум карбидните плочки трае околу 7 до 10 дена, додека влечењето на силициумските прачки трае само 2 и пол дена. Покрај тоа, силициум карбидот е материјал чија тврдост е втора по тврдост веднаш по дијамантот. Ќе изгуби многу за време на сечењето, брусењето и полирањето, а соодносот на излез е само 60%.
Знаеме дека трендот е да се зголеми големината на силициум карбидните супстрати, како што големината продолжува да се зголемува, барањата за технологија за проширување на дијаметарот стануваат сè поголеми и поголеми. Потребна е комбинација од различни технички контролни елементи за да се постигне итеративен раст на кристалите.
Време на објавување: 22 мај 2024 година