Do trudności technicznych utrudniających stabilną masową produkcję wysokiej jakości płytek z węglika krzemu o stabilnej wydajności należą:
1) Ponieważ kryształy muszą rosnąć w szczelnym środowisku o wysokiej temperaturze powyżej 2000°C, wymagania dotyczące kontroli temperatury są niezwykle wysokie;
2) Ponieważ węglik krzemu ma ponad 200 struktur krystalicznych, ale tylko kilka struktur monokrystalicznego węglika krzemu to wymagane materiały półprzewodnikowe, stosunek krzemu do węgla, gradient temperatury wzrostu i wzrost kryształu muszą być precyzyjnie kontrolowane podczas procesu wzrostu kryształu. Parametry takie jak prędkość i ciśnienie przepływu powietrza;
3) W przypadku metody transmisji w fazie gazowej technologia rozszerzania średnicy wzrostu kryształów węglika krzemu jest niezwykle trudna;
4) Twardość węglika krzemu jest zbliżona do twardości diamentu, a techniki cięcia, szlifowania i polerowania są trudne.
Płytki epitaksjalne SiC: zwykle wytwarzane metodą chemicznego osadzania z fazy gazowej (CVD). Ze względu na różne rodzaje domieszek dzielą się na płytki epitaksjalne typu n i typu p. Krajowe Hantian Tiancheng i Dongguan Tianyu mogą już dostarczać płytki epitaksjalne SiC o średnicy 4/6 cali. W przypadku epitaksji SiC trudno jest kontrolować ją w polu wysokiego napięcia, a jakość epitaksji SiC ma większy wpływ na urządzenia SiC. Ponadto sprzęt epitaksjalny jest zmonopolizowany przez cztery wiodące firmy w branży: Axitron, LPE, TEL i Nuflare.
Epitaksjalny węglik krzemuwafer odnosi się do wafla z węglika krzemu, w którym na oryginalnym podłożu z węglika krzemu hodowana jest pojedyncza warstwa kryształu (warstwa epitaksjalna) o określonych wymaganiach i takich samych jak kryształ podłoża. Wzrost epitaksjalny wykorzystuje głównie urządzenia CVD (chemiczne osadzanie z fazy gazowej) lub MBE (epitaksja wiązką molekularną). Ponieważ urządzenia z węglika krzemu są wytwarzane bezpośrednio w warstwie epitaksjalnej, jakość warstwy epitaksjalnej bezpośrednio wpływa na wydajność i wydajność urządzenia. W miarę jak wytrzymałość napięciowa urządzenia nadal rośnie, grubość odpowiadającej jej warstwy epitaksjalnej staje się grubsza, a kontrola staje się trudniejsza. Ogólnie rzecz biorąc, gdy napięcie wynosi około 600 V, wymagana grubość warstwy epitaksjalnej wynosi około 6 mikronów; gdy napięcie wynosi od 1200 do 1700 V, wymagana grubość warstwy epitaksjalnej osiąga 10-15 mikronów. Jeśli napięcie przekroczy 10 000 woltów, może być wymagana grubość warstwy epitaksjalnej większa niż 100 mikronów. W miarę jak grubość warstwy epitaksjalnej nadal rośnie, coraz trudniej jest kontrolować jednorodność grubości i rezystywności oraz gęstość defektów.
Urządzenia SiC: Na arenie międzynarodowej 600~1700V SiC SBD i MOSFET zostały uprzemysłowione. Główne produkty działają przy poziomach napięcia poniżej 1200V i głównie przyjmują obudowy TO. Jeśli chodzi o ceny, produkty SiC na rynku międzynarodowym są wyceniane około 5-6 razy wyżej niż ich odpowiedniki Si. Jednak ceny spadają w tempie rocznym o 10%. Wraz z ekspansją materiałów w górnym biegu i produkcją urządzeń w ciągu najbliższych 2-3 lat, podaż na rynku wzrośnie, co doprowadzi do dalszych obniżek cen. Oczekuje się, że gdy cena osiągnie 2-3 razy wyższą cenę niż produkty Si, korzyści wynikające z obniżonych kosztów systemu i lepszej wydajności stopniowo doprowadzą do zajęcia przez SiC przestrzeni rynkowej urządzeń Si.
Tradycyjne opakowania bazują na podłożach krzemowych, podczas gdy materiały półprzewodnikowe trzeciej generacji wymagają zupełnie nowego projektu. Stosowanie tradycyjnych struktur opakowań krzemowych dla urządzeń mocy o szerokim paśmie może wprowadzać nowe problemy i wyzwania związane z częstotliwością, zarządzaniem termicznym i niezawodnością. Urządzenia mocy SiC są bardziej wrażliwe na pojemność pasożytniczą i indukcyjność. W porównaniu do urządzeń Si, układy mocy SiC mają szybsze prędkości przełączania, co może prowadzić do przeregulowania, oscylacji, zwiększonych strat przełączania, a nawet awarii urządzeń. Ponadto urządzenia mocy SiC działają w wyższych temperaturach, co wymaga bardziej zaawansowanych technik zarządzania termicznego.
W dziedzinie obudów półprzewodnikowych o szerokim paśmie pasmowym opracowano wiele różnych struktur. Tradycyjne obudowy modułów mocy na bazie Si nie są już odpowiednie. Aby rozwiązać problemy wysokich parametrów pasożytniczych i niskiej wydajności rozpraszania ciepła tradycyjnych obudów modułów mocy na bazie Si, obudowy modułów mocy SiC przyjmują w swojej strukturze technologię bezprzewodowego połączenia i dwustronnego chłodzenia, a także przyjmują materiały podłoża o lepszej przewodności cieplnej i próbowali zintegrować kondensatory odsprzęgające, czujniki temperatury/prądu i obwody sterujące w strukturze modułu, i opracowali wiele różnych technologii obudów modułów. Ponadto istnieją wysokie bariery techniczne dla produkcji urządzeń SiC, a koszty produkcji są wysokie.
Urządzenia z węglika krzemu są produkowane przez osadzanie warstw epitaksjalnych na podłożu z węglika krzemu za pomocą CVD. Proces obejmuje czyszczenie, utlenianie, fotolitografię, trawienie, usuwanie fotorezystu, implantację jonów, chemiczne osadzanie z fazy gazowej azotku krzemu, polerowanie, rozpylanie i późniejsze etapy przetwarzania w celu utworzenia struktury urządzenia na podłożu z monokryształu SiC. Główne typy urządzeń mocy SiC obejmują diody SiC, tranzystory SiC i moduły mocy SiC. Ze względu na takie czynniki, jak powolna prędkość produkcji materiałów w górę strumienia i niskie wskaźniki wydajności, urządzenia z węglika krzemu mają stosunkowo wysokie koszty produkcji.
Ponadto produkcja urządzeń z węglika krzemu wiąże się z pewnymi trudnościami technicznymi:
1) Konieczne jest opracowanie konkretnego procesu, który jest zgodny z charakterystyką materiałów z węglika krzemu. Na przykład: SiC ma wysoką temperaturę topnienia, co sprawia, że tradycyjna dyfuzja cieplna jest nieskuteczna. Konieczne jest zastosowanie metody domieszkowania implantacją jonów i dokładne kontrolowanie parametrów, takich jak temperatura, szybkość nagrzewania, czas trwania i przepływ gazu; SiC jest obojętny na rozpuszczalniki chemiczne. Należy stosować metody takie jak trawienie na sucho, a materiały masek, mieszanki gazowe, kontrola nachylenia ścian bocznych, szybkości trawienia, chropowatości ścian bocznych itp. powinny być optymalizowane i rozwijane;
2) Produkcja elektrod metalowych na płytkach z węglika krzemu wymaga rezystancji styku poniżej 10-5Ω2. Materiały elektrodowe spełniające wymagania, Ni i Al, mają słabą stabilność termiczną powyżej 100°C, ale Al/Ni ma lepszą stabilność termiczną. Rezystancja właściwa styku kompozytowego materiału elektrodowego /W/Au jest o 10-3Ω2 wyższa;
3) SiC charakteryzuje się dużą odpornością na ścieranie, a twardością SiC ustępuje jedynie diamentowi, co stawia wyższe wymagania w zakresie cięcia, szlifowania, polerowania i innych technologii.
Ponadto, urządzenia zasilające z węglika krzemu w układzie rowkowym są trudniejsze w produkcji. Zgodnie z różnymi strukturami urządzeń, urządzenia zasilające z węglika krzemu można podzielić głównie na urządzenia planarne i urządzenia wykopowe. Planarne urządzenia zasilające z węglika krzemu mają dobrą spójność jednostkową i prosty proces produkcyjny, ale są podatne na efekt JFET i mają wysoką pojemność pasożytniczą i rezystancję w stanie włączonym. W porównaniu z urządzeniami planarnymi, urządzenia zasilające z węglika krzemu w układzie rowkowym mają niższą spójność jednostkową i bardziej złożony proces produkcyjny. Jednak struktura wykopowa sprzyja zwiększeniu gęstości jednostek urządzenia i jest mniej prawdopodobne, że wywoła efekt JFET, co jest korzystne dla rozwiązania problemu ruchliwości kanału. Ma doskonałe właściwości, takie jak mała rezystancja włączona, mała pojemność pasożytnicza i niskie zużycie energii przełączania. Ma znaczące zalety pod względem kosztów i wydajności i stała się głównym kierunkiem rozwoju urządzeń zasilających z węglika krzemu. Według oficjalnej strony internetowej firmy Rohm, struktura ROHM Gen3 (struktura Gen1 Trench) stanowi tylko 75% powierzchni układu scalonego Gen2 (Plannar2), a rezystancja w stanie przewodzenia struktury ROHM Gen3 została zmniejszona o 50% przy takim samym rozmiarze układu scalonego.
Podłoże z węglika krzemu, epitaksja, koszty front-end, prace badawczo-rozwojowe i inne stanowią odpowiednio 47%, 23%, 19%, 6% i 5% kosztów produkcji urządzeń z węglika krzemu.
Na koniec skupimy się na przełamywaniu barier technicznych podłoży w łańcuchu przemysłowym węglika krzemu.
Proces produkcji podłoży z węglika krzemu jest podobny do procesu produkcji podłoży na bazie krzemu, jednak jest trudniejszy.
Proces produkcyjny podłoża z węglika krzemu obejmuje zazwyczaj syntezę surowców, wzrost kryształów, obróbkę wlewków, cięcie wlewków, szlifowanie płytek, polerowanie, czyszczenie i inne etapy.
Etap wzrostu kryształów stanowi sedno całego procesu. To właśnie ten krok decyduje o właściwościach elektrycznych podłoża z węglika krzemu.
Materiały z węglika krzemu są trudne do wzrostu w fazie ciekłej w normalnych warunkach. Popularna obecnie na rynku metoda wzrostu w fazie gazowej ma temperaturę wzrostu powyżej 2300°C i wymaga precyzyjnej kontroli temperatury wzrostu. Cały proces operacyjny jest prawie trudny do zaobserwowania. Niewielki błąd doprowadzi do złomowania produktu. Dla porównania, materiały krzemowe wymagają tylko 1600℃, co jest znacznie mniej. Przygotowanie podłoży z węglika krzemu również napotyka trudności, takie jak powolny wzrost kryształów i wysokie wymagania dotyczące formy kryształu. Wzrost płytek z węglika krzemu trwa około 7 do 10 dni, podczas gdy wyciąganie pręta krzemowego trwa tylko 2 i pół dnia. Ponadto węglik krzemu jest materiałem, którego twardość ustępuje jedynie diamentowi. Straci wiele podczas cięcia, szlifowania i polerowania, a współczynnik wyjściowy wynosi tylko 60%.
Wiemy, że trendem jest zwiększanie rozmiaru podłoży z węglika krzemu, ponieważ wraz ze wzrostem rozmiaru wymagania dotyczące technologii rozszerzania średnicy stają się coraz wyższe. Wymaga to połączenia różnych elementów kontroli technicznej, aby osiągnąć iteracyjny wzrost kryształów.
Czas publikacji: 22-05-2024