Kesukaran teknikal dalam menghasilkan wafer silikon karbida berkualiti tinggi yang stabil dan berkualiti tinggi dengan prestasi yang stabil termasuk:
1) Oleh kerana kristal perlu tumbuh dalam persekitaran tertutup suhu tinggi melebihi 2000°C, keperluan kawalan suhu adalah sangat tinggi;
2) Oleh kerana silikon karbida mempunyai lebih daripada 200 struktur kristal, tetapi hanya beberapa struktur silikon karbida kristal tunggal yang merupakan bahan semikonduktor yang diperlukan, nisbah silikon-kepada-karbon, kecerunan suhu pertumbuhan, dan pertumbuhan kristal perlu dikawal dengan tepat semasa proses pertumbuhan kristal. Parameter seperti kelajuan dan tekanan aliran udara;
3) Di bawah kaedah penghantaran fasa wap, teknologi pengembangan diameter pertumbuhan kristal silikon karbida sangat sukar;
4) Kekerasan silikon karbida hampir sama dengan berlian, dan teknik memotong, mengisar, dan menggilap adalah sukar.
Wafer epitaksi SiC: biasanya dihasilkan melalui kaedah pemendapan wap kimia (CVD). Mengikut jenis doping yang berbeza, ia dibahagikan kepada wafer epitaksi jenis-n dan jenis-p. Hantian Tiancheng dan Dongguan Tianyu domestik sudah boleh menyediakan wafer epitaksi SiC 4 inci/6 inci. Bagi epitaksi SiC, ia sukar dikawal dalam medan voltan tinggi, dan kualiti epitaksi SiC mempunyai impak yang lebih besar pada peranti SiC. Selain itu, peralatan epitaksi dimonopoli oleh empat syarikat terkemuka dalam industri: Axitron, LPE, TEL dan Nuflare.
Epitaksi silikon karbidaWafer merujuk kepada wafer silikon karbida di mana filem kristal tunggal (lapisan epitaksi) dengan keperluan tertentu dan sama seperti kristal substrat ditumbuhkan pada substrat silikon karbida asal. Pertumbuhan epitaksi terutamanya menggunakan peralatan CVD (Pemendapan Wap Kimia) atau peralatan MBE (Epitaksi Rasuk Molekul). Memandangkan peranti silikon karbida dihasilkan secara langsung dalam lapisan epitaksi, kualiti lapisan epitaksi secara langsung mempengaruhi prestasi dan hasil peranti. Apabila prestasi menahan voltan peranti terus meningkat, ketebalan lapisan epitaksi yang sepadan menjadi lebih tebal dan kawalan menjadi lebih sukar. Secara amnya, apabila voltan sekitar 600V, ketebalan lapisan epitaksi yang diperlukan adalah kira-kira 6 mikron; apabila voltan antara 1200-1700V, ketebalan lapisan epitaksi yang diperlukan mencapai 10-15 mikron. Jika voltan mencapai lebih daripada 10,000 volt, ketebalan lapisan epitaksi lebih daripada 100 mikron mungkin diperlukan. Apabila ketebalan lapisan epitaksi terus meningkat, ia menjadi semakin sukar untuk mengawal ketebalan dan keseragaman kerintangan serta ketumpatan kecacatan.
Peranti SiC: Di peringkat antarabangsa, SiC SBD dan MOSFET 600~1700V telah diindustrialisasikan. Produk arus perdana beroperasi pada tahap voltan di bawah 1200V dan terutamanya menggunakan pembungkusan TO. Dari segi harga, produk SiC di pasaran antarabangsa berharga sekitar 5-6 kali lebih tinggi daripada rakan sejawat Si mereka. Walau bagaimanapun, harga menurun pada kadar tahunan sebanyak 10%. Dengan pengembangan bahan huluan dan pengeluaran peranti dalam 2-3 tahun akan datang, bekalan pasaran akan meningkat, yang membawa kepada pengurangan harga selanjutnya. Dijangkakan bahawa apabila harga mencapai 2-3 kali ganda daripada produk Si, kelebihan yang dibawa oleh kos sistem yang berkurangan dan prestasi yang lebih baik akan secara beransur-ansur mendorong SiC untuk menduduki ruang pasaran peranti Si.
Pembungkusan tradisional adalah berdasarkan substrat berasaskan silikon, manakala bahan semikonduktor generasi ketiga memerlukan reka bentuk yang baharu sepenuhnya. Menggunakan struktur pembungkusan berasaskan silikon tradisional untuk peranti kuasa jurang jalur lebar boleh memperkenalkan isu dan cabaran baharu yang berkaitan dengan frekuensi, pengurusan haba dan kebolehpercayaan. Peranti kuasa SiC lebih sensitif terhadap kapasitans dan induktans parasit. Berbanding dengan peranti Si, cip kuasa SiC mempunyai kelajuan pensuisan yang lebih pantas, yang boleh menyebabkan overshoot, ayunan, peningkatan kehilangan pensuisan dan juga kerosakan peranti. Selain itu, peranti kuasa SiC beroperasi pada suhu yang lebih tinggi, memerlukan teknik pengurusan haba yang lebih maju.
Pelbagai struktur berbeza telah dibangunkan dalam bidang pembungkusan kuasa semikonduktor jurang jalur lebar. Pembungkusan modul kuasa berasaskan Si tradisional tidak lagi sesuai. Untuk menyelesaikan masalah parameter parasit yang tinggi dan kecekapan pelesapan haba yang lemah bagi pembungkusan modul kuasa berasaskan Si tradisional, pembungkusan modul kuasa SiC menggunakan teknologi sambungan tanpa wayar dan penyejukan dua sisi dalam strukturnya, dan juga menggunakan bahan substrat dengan kekonduksian terma yang lebih baik, dan cuba mengintegrasikan kapasitor penyahgandingan, sensor suhu/arus, dan litar pemacu ke dalam struktur modul, dan membangunkan pelbagai teknologi pembungkusan modul yang berbeza. Selain itu, terdapat halangan teknikal yang tinggi terhadap pembuatan peranti SiC dan kos pengeluaran yang tinggi.
Peranti silikon karbida dihasilkan dengan memendapkan lapisan epitaksi pada substrat silikon karbida melalui CVD. Proses ini melibatkan pembersihan, pengoksidaan, fotolitografi, pengetsaan, pelucutan fotoresis, implantasi ion, pemendapan wap kimia silikon nitrida, penggilapan, percikan dan langkah pemprosesan seterusnya untuk membentuk struktur peranti pada substrat kristal tunggal SiC. Jenis utama peranti kuasa SiC termasuk diod SiC, transistor SiC dan modul kuasa SiC. Disebabkan oleh faktor-faktor seperti kelajuan pengeluaran bahan huluan yang perlahan dan kadar hasil yang rendah, peranti silikon karbida mempunyai kos pengeluaran yang agak tinggi.
Di samping itu, pembuatan peranti silikon karbida mempunyai beberapa masalah teknikal:
1) Adalah perlu untuk membangunkan proses khusus yang selaras dengan ciri-ciri bahan silikon karbida. Contohnya: SiC mempunyai takat lebur yang tinggi, yang menjadikan resapan haba tradisional tidak berkesan. Adalah perlu untuk menggunakan kaedah doping implantasi ion dan mengawal parameter seperti suhu, kadar pemanasan, tempoh dan aliran gas dengan tepat; SiC adalah lengai terhadap pelarut kimia. Kaedah seperti etsa kering harus digunakan, dan bahan topeng, campuran gas, kawalan cerun dinding sisi, kadar etsa, kekasaran dinding sisi, dan sebagainya harus dioptimumkan dan dibangunkan;
2) Pembuatan elektrod logam pada wafer silikon karbida memerlukan rintangan sentuhan di bawah 10-5Ω2. Bahan elektrod yang memenuhi keperluan, Ni dan Al, mempunyai kestabilan terma yang lemah melebihi 100°C, tetapi Al/Ni mempunyai kestabilan terma yang lebih baik. Rintangan khusus sentuhan bahan elektrod komposit /W/Au adalah 10-3Ω2 lebih tinggi;
3) SiC mempunyai haus pemotongan yang tinggi, dan kekerasan SiC adalah kedua selepas berlian, yang mengemukakan keperluan yang lebih tinggi untuk pemotongan, pengisaran, penggilapan dan teknologi lain.
Tambahan pula, peranti kuasa silikon karbida parit lebih sukar untuk dihasilkan. Mengikut struktur peranti yang berbeza, peranti kuasa silikon karbida boleh dibahagikan terutamanya kepada peranti satah dan peranti parit. Peranti kuasa silikon karbida satah mempunyai konsistensi unit yang baik dan proses pembuatan yang mudah, tetapi terdedah kepada kesan JFET dan mempunyai kapasitans parasit yang tinggi dan rintangan keadaan hidup. Berbanding dengan peranti satah, peranti kuasa silikon karbida parit mempunyai konsistensi unit yang lebih rendah dan mempunyai proses pembuatan yang lebih kompleks. Walau bagaimanapun, struktur parit kondusif untuk meningkatkan ketumpatan unit peranti dan kurang berkemungkinan menghasilkan kesan JFET, yang bermanfaat untuk menyelesaikan masalah mobiliti saluran. Ia mempunyai sifat yang sangat baik seperti rintangan hidup yang kecil, kapasitans parasit yang kecil, dan penggunaan tenaga pensuisan yang rendah. Ia mempunyai kelebihan kos dan prestasi yang ketara dan telah menjadi hala tuju arus perdana pembangunan peranti kuasa silikon karbida. Menurut laman web rasmi Rohm, struktur ROHM Gen3 (struktur Parit Gen1) hanya 75% daripada kawasan cip Gen2 (Plannar2), dan rintangan hidup struktur ROHM Gen3 dikurangkan sebanyak 50% di bawah saiz cip yang sama.
Substrat silikon karbida, epitaksi, bahagian hadapan, perbelanjaan R&D dan lain-lain masing-masing menyumbang 47%, 23%, 19%, 6% dan 5% daripada kos pembuatan peranti silikon karbida.
Akhir sekali, kami akan memberi tumpuan kepada memecahkan halangan teknikal substrat dalam rantaian industri silikon karbida.
Proses pengeluaran substrat silikon karbida adalah serupa dengan substrat berasaskan silikon, tetapi lebih sukar.
Proses pembuatan substrat silikon karbida secara amnya merangkumi sintesis bahan mentah, pertumbuhan kristal, pemprosesan jongkong, pemotongan jongkong, pengisaran wafer, penggilapan, pembersihan dan pautan lain.
Peringkat pertumbuhan kristal merupakan teras keseluruhan proses, dan langkah ini menentukan sifat elektrik substrat silikon karbida.
Bahan silikon karbida sukar ditumbuhkan dalam fasa cecair dalam keadaan biasa. Kaedah pertumbuhan fasa wap yang popular di pasaran hari ini mempunyai suhu pertumbuhan melebihi 2300°C dan memerlukan kawalan suhu pertumbuhan yang tepat. Keseluruhan proses operasi hampir sukar untuk diperhatikan. Sedikit ralat akan menyebabkan pengikisan produk. Sebagai perbandingan, bahan silikon hanya memerlukan 1600℃, yang jauh lebih rendah. Menyediakan substrat silikon karbida juga menghadapi kesukaran seperti pertumbuhan kristal yang perlahan dan keperluan bentuk kristal yang tinggi. Pertumbuhan wafer silikon karbida mengambil masa kira-kira 7 hingga 10 hari, manakala penarikan rod silikon hanya mengambil masa 2 setengah hari. Selain itu, silikon karbida adalah bahan yang kekerasannya kedua selepas berlian. Ia akan kehilangan banyak semasa memotong, mengisar dan menggilap, dan nisbah output hanya 60%.
Kita tahu bahawa trendnya adalah untuk meningkatkan saiz substrat silikon karbida, dan apabila saiznya terus meningkat, keperluan untuk teknologi pengembangan diameter semakin tinggi. Ia memerlukan gabungan pelbagai elemen kawalan teknikal untuk mencapai pertumbuhan berulang kristal.
Masa siaran: 22 Mei 2024