De technische moeilijkheden bij de stabiele massaproductie van hoogwaardige siliciumcarbide wafers met constante prestaties omvatten:
1) Omdat kristallen moeten groeien in een afgesloten omgeving met een hoge temperatuur van meer dan 2000 °C, zijn de eisen aan de temperatuurregeling extreem hoog;
2) Omdat siliciumcarbide meer dan 200 kristalstructuren kent, maar slechts enkele structuren van eenkristallijn siliciumcarbide de gewenste halfgeleidermaterialen zijn, moeten de silicium-koolstofverhouding, de temperatuurgradiënt tijdens de groei en de kristalgroei nauwkeurig worden gecontroleerd tijdens het kristalgroeiproces. Parameters zoals snelheid en luchtdruk spelen hierbij een belangrijke rol.
3) Onder de dampfasetransmissiemethode is de technologie voor diametervergroting van siliciumcarbidekristallen extreem moeilijk;
4) De hardheid van siliciumcarbide ligt dicht bij die van diamant, waardoor snij-, slijp- en polijsttechnieken lastig zijn.
SiC-epitaxiale wafers: worden doorgaans geproduceerd met behulp van de chemische dampafzettingsmethode (CVD). Afhankelijk van het type dotering worden ze onderverdeeld in n-type en p-type epitaxiale wafers. De Chinese bedrijven Hantian Tiancheng en Dongguan Tianyu kunnen al 4-inch/6-inch SiC-epitaxiale wafers leveren. Voor SiC-epitaxie is de controle in het hoogspanningsgebied lastig, en de kwaliteit van de epitaxie heeft een grote invloed op de SiC-componenten. Bovendien wordt de epitaxiale productie gedomineerd door vier toonaangevende bedrijven in de sector: Axitron, LPE, TEL en Nuflare.
Epitaxiaal siliciumcarbideEen wafer verwijst naar een siliciumcarbide wafer waarop een enkelkristallijne film (epitaxiale laag) met specifieke eigenschappen, gelijk aan het substraatkristal, is gegroeid op het oorspronkelijke siliciumcarbide substraat. Epitaxiale groei vindt hoofdzakelijk plaats met behulp van CVD-apparatuur (Chemical Vapor Deposition) of MBE-apparatuur (Molecular Beam Epitaxy). Omdat siliciumcarbide componenten rechtstreeks in de epitaxiale laag worden vervaardigd, heeft de kwaliteit van de epitaxiale laag een directe invloed op de prestaties en de opbrengst van het component. Naarmate de spanningsbestendigheid van het component toeneemt, wordt de dikte van de bijbehorende epitaxiale laag groter en de controle ervan moeilijker. Over het algemeen is bij een spanning van ongeveer 600 V een epitaxiale laagdikte van ongeveer 6 micron vereist; bij een spanning tussen 1200 en 1700 V bedraagt de vereiste epitaxiale laagdikte 10 tot 15 micron. Bij een spanning van meer dan 10.000 volt kan een epitaxiale laagdikte van meer dan 100 micron nodig zijn. Naarmate de dikte van de epitaxiale laag toeneemt, wordt het steeds moeilijker om de dikte en de uniformiteit van de soortelijke weerstand, evenals de defectdichtheid, te beheersen.
SiC-componenten: Internationaal zijn SiC SBD's en MOSFET's voor 600-1700V al in de industrie verkrijgbaar. De gangbare producten werken op spanningsniveaus onder de 1200V en maken voornamelijk gebruik van TO-behuizingen. Qua prijs liggen SiC-producten op de internationale markt ongeveer 5-6 keer hoger dan hun Si-tegenhangers. De prijzen dalen echter met een jaarlijks tempo van 10%. Door de uitbreiding van de upstream-materialen en de productie van componenten in de komende 2-3 jaar zal het aanbod op de markt toenemen, wat zal leiden tot verdere prijsdalingen. Naar verwachting zullen de voordelen van lagere systeemkosten en verbeterde prestaties, wanneer de prijs 2-3 keer zo hoog is als die van Si-producten, ervoor zorgen dat SiC geleidelijk aan de markt van Si-componenten zal overnemen.
Traditionele verpakkingen zijn gebaseerd op siliciumsubstraten, terwijl halfgeleidermaterialen van de derde generatie een volledig nieuw ontwerp vereisen. Het gebruik van traditionele siliciumgebaseerde verpakkingsstructuren voor vermogenscomponenten met een brede bandgap kan nieuwe problemen en uitdagingen met zich meebrengen op het gebied van frequentie, thermisch beheer en betrouwbaarheid. SiC-vermogenscomponenten zijn gevoeliger voor parasitaire capaciteit en inductantie. Vergeleken met Si-componenten hebben SiC-vermogenschips hogere schakelsnelheden, wat kan leiden tot overshoot, oscillatie, verhoogde schakelverliezen en zelfs defecten aan het apparaat. Bovendien werken SiC-vermogenscomponenten bij hogere temperaturen, waardoor geavanceerdere technieken voor thermisch beheer nodig zijn.
In de wereld van halfgeleidervermogensverpakkingen met een brede bandgap zijn diverse structuren ontwikkeld. Traditionele Si-gebaseerde vermogensmoduleverpakkingen voldoen niet langer. Om de problemen van hoge parasitaire parameters en een slechte warmteafvoer van traditionele Si-gebaseerde vermogensmoduleverpakkingen op te lossen, maakt SiC-vermogensmoduleverpakking gebruik van draadloze interconnectie en dubbelzijdige koelingstechnologie. Daarnaast worden substraatmaterialen met een betere thermische geleidbaarheid gebruikt en wordt geprobeerd ontkoppelingscondensatoren, temperatuur-/stroomsensoren en aansturingscircuits in de modulestructuur te integreren. Dit heeft geleid tot de ontwikkeling van diverse moduleverpakkingstechnologieën. De productie van SiC-componenten kent echter hoge technische drempels en de productiekosten zijn hoog.
Siliciumcarbidecomponenten worden geproduceerd door epitaxiale lagen af te zetten op een siliciumcarbidesubstraat via CVD (Chemical Vapor Deposition). Het proces omvat reinigen, oxideren, fotolithografie, etsen, verwijderen van fotolak, ionenimplantatie, chemische dampafzetting van siliciumnitride, polijsten, sputteren en daaropvolgende verwerkingsstappen om de componentstructuur op het SiC-eenkristalsubstraat te vormen. De belangrijkste typen SiC-vermogenscomponenten zijn SiC-diodes, SiC-transistoren en SiC-vermogensmodules. Door factoren zoals de trage productiesnelheid van de grondstoffen en de lage opbrengstpercentages hebben siliciumcarbidecomponenten relatief hoge productiekosten.
Daarnaast kent de productie van siliciumcarbide-apparaten bepaalde technische moeilijkheden:
1) Het is noodzakelijk een specifiek proces te ontwikkelen dat consistent is met de eigenschappen van siliciumcarbide. Bijvoorbeeld: SiC heeft een hoog smeltpunt, waardoor traditionele thermische diffusie niet effectief is. Het is daarom nodig om de ionenimplantatiemethode te gebruiken en parameters zoals temperatuur, verwarmingssnelheid, duur en gasstroom nauwkeurig te controleren. SiC is inert ten opzichte van chemische oplosmiddelen. Methoden zoals droog etsen moeten worden gebruikt, en maskeringsmaterialen, gasmengsels, controle van de helling van de zijwand, etssnelheid, ruwheid van de zijwand, enz. moeten worden geoptimaliseerd en ontwikkeld.
2) Voor de fabricage van metalen elektroden op siliciumcarbide wafers is een contactweerstand van minder dan 10⁻⁵ Ω² vereist. De elektrodematerialen die aan deze eisen voldoen, Ni en Al, hebben een slechte thermische stabiliteit boven 100 °C, maar Al/Ni heeft een betere thermische stabiliteit. De contactspecifieke weerstand van het composietelektrodemateriaal /W/Au is 10⁻³ Ω² hoger;
3) SiC heeft een hoge snijslijtage en de hardheid van SiC is na diamant de hoogste, wat hogere eisen stelt aan snij-, slijp-, polijst- en andere technologieën.
Bovendien is de productie van siliciumcarbide-vermogenscomponenten met sleufstructuren complexer. Afhankelijk van de componentstructuur kunnen siliciumcarbide-vermogenscomponenten grofweg worden onderverdeeld in planaire en sleufstructuren. Planaire siliciumcarbide-vermogenscomponenten hebben een goede eenheidsconsistentie en een eenvoudig productieproces, maar zijn gevoelig voor het JFET-effect en hebben een hoge parasitaire capaciteit en geleidende weerstand. Vergeleken met planaire componenten hebben siliciumcarbide-vermogenscomponenten met sleufstructuren een lagere eenheidsconsistentie en een complexer productieproces. De sleufstructuur is echter gunstig voor het verhogen van de componentdichtheid en de kans op het JFET-effect is kleiner, wat bijdraagt aan het oplossen van het probleem van de kanaalmobiliteit. Het heeft uitstekende eigenschappen zoals een lage geleidende weerstand, een lage parasitaire capaciteit en een laag energieverbruik tijdens het schakelen. Het biedt aanzienlijke kosten- en prestatievoordelen en is uitgegroeid tot de belangrijkste ontwikkelingsrichting voor siliciumcarbide-vermogenscomponenten. Volgens de officiële website van Rohm beslaat de ROHM Gen3-structuur (Gen1 Trench-structuur) slechts 75% van het chipoppervlak van de Gen2 (Plannar2)-structuur, en is de aanweerstand van de ROHM Gen3-structuur met 50% verlaagd bij dezelfde chipgrootte.
Het siliciumcarbidesubstraat, epitaxie, front-end, R&D-uitgaven en overige kosten zijn respectievelijk goed voor 47%, 23%, 19%, 6% en 5% van de productiekosten van siliciumcarbidecomponenten.
Tot slot zullen we ons richten op het wegnemen van de technische barrières van substraten in de industriële keten van siliciumcarbide.
Het productieproces van siliciumcarbidesubstraten is vergelijkbaar met dat van siliciumsubstraten, maar complexer.
Het productieproces van siliciumcarbidesubstraten omvat over het algemeen de synthese van grondstoffen, kristalgroei, verwerking van staven, snijden van staven, slijpen van wafers, polijsten, reinigen en andere stappen.
De kristalgroeifase vormt de kern van het hele proces en bepaalt de elektrische eigenschappen van het siliciumcarbidesubstraat.
Siliciumcarbide is onder normale omstandigheden moeilijk te produceren in de vloeibare fase. De dampfase-groeimethode die tegenwoordig op de markt populair is, vereist een groeitemperatuur van meer dan 2300 °C en een nauwkeurige temperatuurregeling. Het gehele proces is vrijwel onzichtbaar. Een kleine fout kan leiden tot afkeuring van het product. Ter vergelijking: siliciummaterialen vereisen slechts 1600 °C, wat veel lager is. Ook de voorbereiding van siliciumcarbidesubstraten kent moeilijkheden, zoals de trage kristalgroei en de hoge eisen aan de kristalvorm. De groei van siliciumcarbidewafers duurt ongeveer 7 tot 10 dagen, terwijl het trekken van siliciumstaven slechts 2,5 dagen in beslag neemt. Bovendien is siliciumcarbide na diamant het hardste materiaal. Het verliest veel materiaal tijdens het snijden, slijpen en polijsten, waardoor het rendement slechts 60% bedraagt.
We weten dat de trend is om de afmetingen van siliciumcarbidesubstraten te vergroten. Naarmate de afmetingen toenemen, worden de eisen aan de technologie voor diametervergroting steeds hoger. Het vereist een combinatie van verschillende technische controle-elementen om iteratieve kristalgroei te realiseren.
Geplaatst op: 22 mei 2024