Tot de technische moeilijkheden bij de stabiele massaproductie van hoogwaardige siliciumcarbidewafers met stabiele prestaties behoren:
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 heeft, maar slechts enkele structuren van monokristallijn siliciumcarbide de vereiste halfgeleidermaterialen zijn, moeten de silicium-koolstofverhouding, de groeitemperatuurgradiënt en de kristalgroei nauwkeurig worden gecontroleerd tijdens het kristalgroeiproces. Parameters zoals snelheid en luchtdruk;
3) Bij de dampfasetransmissiemethode is de technologie voor diameteruitbreiding van de groei van siliciumcarbidekristallen buitengewoon moeilijk;
4) De hardheid van siliciumcarbide ligt dicht bij die van diamant en de snij-, slijp- en polijsttechnieken zijn moeilijk.
SiC epitaxiale wafers: meestal vervaardigd met behulp van chemische dampdepositie (CVD). Afhankelijk van de doteringsmethode worden ze onderverdeeld in n-type en p-type epitaxiale wafers. De binnenlandse bedrijven Hantian Tiancheng en Dongguan Tianyu kunnen al 4-inch/6-inch SiC epitaxiale wafers leveren. SiC epitaxie is moeilijk te controleren in het hoogspanningsveld en de kwaliteit van SiC epitaxie heeft een grotere impact op SiC-componenten. Bovendien wordt epitaxiale apparatuur gemonopoliseerd door de vier toonaangevende bedrijven in de industrie: Axitron, LPE, TEL en Nuflare.
Epitaxiaal siliciumcarbideWafer verwijst naar een siliciumcarbidewafer waarin een monokristalfilm (epitaxiale laag) met bepaalde vereisten en dezelfde als het substraatkristal wordt gegroeid op het oorspronkelijke siliciumcarbidesubstraat. Epitaxiale groei maakt voornamelijk gebruik van CVD-apparatuur (Chemical Vapor Deposition) of MBE-apparatuur (Molecular Beam Epitaxy). Omdat siliciumcarbideapparaten direct in de epitaxiale laag worden vervaardigd, heeft de kwaliteit van de epitaxiale laag direct invloed op de prestaties en opbrengst van het apparaat. Naarmate de spanningsbestendigheid van het apparaat blijft toenemen, wordt de dikte van de corresponderende epitaxiale laag dikker en wordt de controle moeilijker. Over het algemeen is de vereiste epitaxiale laagdikte ongeveer 6 micron wanneer de spanning rond de 600 V ligt; wanneer de spanning tussen 1200 en 1700 V ligt, bereikt de vereiste epitaxiale laagdikte 10 tot 15 micron. Als de spanning meer dan 10.000 volt bereikt, kan een epitaxiale laagdikte van meer dan 100 micron vereist zijn. Naarmate de dikte van de epitaxiale laag toeneemt, wordt het steeds moeilijker om de dikte, de soortelijke weerstand en de defectdichtheid te regelen.
SiC-componenten: Internationaal zijn 600~1700V SiC SBD's en MOSFET's geïndustrialiseerd. De mainstream producten werken op spanningsniveaus onder 1200V en maken voornamelijk gebruik van TO-behuizing. Qua prijs liggen SiC-producten op de internationale markt ongeveer 5-6 keer hoger dan hun Si-tegenhangers. De prijzen dalen echter met 10% per jaar. Door de uitbreiding van upstream materialen en de productie van componenten in de komende 2-3 jaar zal het marktaanbod toenemen, wat zal leiden tot verdere prijsdalingen. De verwachting is dat wanneer de prijs 2-3 keer hoger is dan die van Si-producten, de voordelen van lagere systeemkosten en verbeterde prestaties ervoor zullen zorgen dat SiC geleidelijk de marktpositie van Si-componenten zal veroveren.
Traditionele behuizingen zijn gebaseerd op substraten op siliciumbasis, terwijl halfgeleidermaterialen van de derde generatie een volledig nieuw ontwerp vereisen. Het gebruik van traditionele behuizingen op siliciumbasis voor vermogenscomponenten met een brede bandgap kan nieuwe problemen en uitdagingen met zich meebrengen met betrekking tot frequentie, thermisch beheer en betrouwbaarheid. SiC-vermogenscomponenten zijn gevoeliger voor parasitaire capaciteit en inductie. Vergeleken met SiC-componenten hebben SiC-vermogenschips hogere schakelsnelheden, wat kan leiden tot overshoot, oscillatie, verhoogde schakelverliezen en zelfs storingen. Bovendien werken SiC-vermogenscomponenten bij hogere temperaturen, wat geavanceerdere thermische beheertechnieken vereist.
Er zijn diverse structuren ontwikkeld op het gebied van halfgeleidervoedingsbehuizingen met brede bandgap. Traditionele SiC-voedingsmodulebehuizingen zijn niet langer geschikt. Om de problemen van hoge parasitaire parameters en een slechte warmteafvoer van traditionele SiC-voedingsmodulebehuizingen op te lossen, maakt SiC-voedingsmodulebehuizingen gebruik van draadloze verbinding en dubbelzijdige koeling. Daarnaast worden substraatmaterialen met een betere thermische geleidbaarheid gebruikt. Er is geprobeerd ontkoppelingscondensatoren, temperatuur-/stroomsensoren en aandrijfcircuits in de modulestructuur te integreren en diverse modulebehuizingstechnologieën te ontwikkelen. Bovendien zijn er hoge technische belemmeringen voor de productie van SiC-componenten en zijn de productiekosten hoog.
Siliciumcarbide-apparaten worden geproduceerd door epitaxiale lagen af te zetten op een siliciumcarbidesubstraat door middel van CVD. Het proces omvat reiniging, oxidatie, fotolithografie, etsen, strippen van de fotoresist, ionenimplantatie, chemische dampdepositie van siliciumnitride, polijsten, sputteren en daaropvolgende verwerkingsstappen om de apparaatstructuur op het SiC monokristallijne substraat te vormen. De belangrijkste typen SiC-voedingsapparaten zijn SiC-diodes, SiC-transistors en SiC-voedingsmodules. Door factoren zoals een lage upstream materiaalproductiesnelheid en lage opbrengsten, hebben siliciumcarbide-apparaten relatief hoge productiekosten.
Bovendien kent de productie van siliciumcarbide-apparaten bepaalde technische moeilijkheden:
1) Het is noodzakelijk om een specifiek proces te ontwikkelen dat consistent is met de eigenschappen van siliciumcarbidematerialen. Bijvoorbeeld: SiC heeft een hoog smeltpunt, waardoor traditionele thermische diffusie niet effectief is. Het is noodzakelijk om de ionenimplantatiedopingmethode te gebruiken en parameters zoals temperatuur, verwarmingssnelheid, -duur en gasstroom nauwkeurig te regelen; SiC is inert voor chemische oplosmiddelen. Methoden zoals droog etsen moeten worden gebruikt en maskermaterialen, gasmengsels, controle van de helling van de zijwand, etssnelheid, ruwheid van de zijwand, enz. moeten worden geoptimaliseerd en ontwikkeld;
2) De productie van metalen elektroden op siliciumcarbidewafers vereist een contactweerstand lager dan 10-5 Ω². De elektrodematerialen die aan de 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 /W/Au-composietelektrodemateriaal is 10-3 Ω² hoger;
3) SiC kent een hoge snijslijtage en de hardheid van SiC is alleen te vergelijken met die van diamant. Hierdoor worden er hogere eisen gesteld aan snij-, slijp-, polijst- en andere technologieën.
Bovendien zijn sleufvormige siliciumcarbide-voedingen moeilijker te produceren. Afhankelijk van de structuur van de apparaten kunnen siliciumcarbide-voedingen hoofdzakelijk worden onderverdeeld in planaire apparaten en sleufvormige apparaten. Planaire siliciumcarbide-voedingen hebben een goede eenheidsconsistentie en een eenvoudig productieproces, maar zijn gevoelig voor het JFET-effect en hebben een hoge parasitaire capaciteit en aan-toestandsweerstand. Vergeleken met planaire apparaten hebben sleufvormige siliciumcarbide-voedingen een lagere eenheidsconsistentie en een complexer productieproces. De sleufstructuur bevordert echter de eenheidsdichtheid van het apparaat en veroorzaakt minder snel het JFET-effect, wat gunstig is voor het oplossen van het probleem van kanaalmobiliteit. Het heeft uitstekende eigenschappen zoals een lage aan-weerstand, een lage parasitaire capaciteit en een laag schakelenergieverbruik. Het heeft aanzienlijke kosten- en prestatievoordelen en is de belangrijkste richting geworden in de ontwikkeling van siliciumcarbide-voedingen. Volgens de officiële website van Rohm beslaat de ROHM Gen3-structuur (Gen1 Trench-structuur) slechts 75% van het Gen2 (Plannar2) chipoppervlak, en wordt de aan-weerstand van de ROHM Gen3-structuur met 50% verminderd bij dezelfde chipgrootte.
Siliciumcarbidesubstraat, epitaxie, front-end, R&D-uitgaven en andere kosten bedragen respectievelijk 47%, 23%, 19%, 6% en 5% van de productiekosten van siliciumcarbide-apparaten.
Tot slot richten we ons op het doorbreken van de technische barrières van substraten in de siliciumcarbide-industrieketen.
Het productieproces van siliciumcarbidesubstraten lijkt op dat van siliciumgebaseerde substraten, maar is lastiger.
Het productieproces van siliciumcarbidesubstraat omvat over het algemeen de synthese van grondstoffen, kristalgroei, verwerking van de ingots, snijden van de ingots, slijpen van wafers, polijsten, reinigen en andere schakels.
De kristalgroeifase vormt de kern van het hele proces. Deze stap bepaalt de elektrische eigenschappen van het siliciumcarbidesubstraat.
Siliciumcarbidematerialen zijn onder normale omstandigheden moeilijk te kweken in de vloeibare fase. De populaire groeimethode in de dampfase heeft een groeitemperatuur boven de 2300 °C en vereist een nauwkeurige controle van de groeitemperatuur. Het hele proces is bijna moeilijk te observeren. Een kleine fout leidt tot productafval. Ter vergelijking: siliciummaterialen vereisen slechts 1600 °C, wat veel lager is. De voorbereiding van siliciumcarbidesubstraten kent ook problemen zoals langzame kristalgroei en hoge kristalvormvereisten. De groei van siliciumcarbidewafers duurt ongeveer 7 tot 10 dagen, terwijl het trekken van siliciumstaven slechts 2,5 dag duurt. Bovendien is siliciumcarbide een materiaal waarvan de hardheid alleen onderdoet voor diamant. Het verliest veel tijdens het snijden, slijpen en polijsten, en de outputratio is slechts 60%.
We weten dat de trend is om de grootte van siliciumcarbidesubstraten te vergroten. Naarmate de grootte toeneemt, worden de eisen aan de technologie voor diametervergroting steeds hoger. Een combinatie van verschillende technische regelelementen is vereist om iteratieve kristalgroei te bereiken.
Geplaatst op: 22 mei 2024