Do trudności technicznych utrudniających stabilną masową produkcję wysokiej jakości płytek z węglika krzemu o stabilnych parametrach 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, a tylko kilka struktur monokrystalicznego węglika krzemu jest wymaganymi materiałami półprzewodnikowymi, 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: zazwyczaj wytwarzane metodą chemicznego osadzania z fazy gazowej (CVD). W zależności od rodzaju domieszkowania, dzielą się one na płytki epitaksjalne typu n i typu p. Krajowe firmy Hantian Tiancheng i Dongguan Tianyu mogą już dostarczać 4-/6-calowe płytki epitaksjalne SiC. W przypadku epitaksji SiC kontrola w polu wysokiego napięcia jest trudna, a jakość epitaksji SiC ma duży wpływ na jakość urządzeń SiC. Ponadto, sprzęt epitaksjalny jest zmonopolizowany przez cztery wiodące firmy w branży: Axitron, LPE, TEL i Nuflare.
Epitaksjalny węglik krzemuTermin „wafer” odnosi się do płytki z węglika krzemu, w której na oryginalnym podłożu z węglika krzemu wyrasta pojedyncza warstwa krystaliczna (warstwa epitaksjalna) o określonych wymaganiach, takich samych jak kryształ podłoża. Wzrost epitaksjalny odbywa się głównie za pomocą urządzeń CVD (chemiczne osadzanie z fazy gazowej) lub MBE (epitaksja z wiązek molekularnych). Ponieważ urządzenia z węglika krzemu są wytwarzane bezpośrednio w warstwie epitaksjalnej, jakość warstwy epitaksjalnej bezpośrednio wpływa na wydajność i wydajność urządzenia. Wraz ze wzrostem wytrzymałości na napięcie urządzenia, grubość odpowiadającej jej warstwy epitaksjalnej staje się grubsza, a sterowanie staje się trudniejsze. Ogólnie rzecz biorąc, przy napięciu około 600 V wymagana grubość warstwy epitaksjalnej wynosi około 6 mikronów; przy napięciu między 1200 a 1700 V wymagana grubość warstwy epitaksjalnej osiąga 10–15 mikronów. Jeśli napięcie przekroczy 10 000 woltów, może być wymagana grubość warstwy epitaksjalnej przekraczająca 100 mikronów. Wraz ze wzrostem grubości warstwy epitaksjalnej, coraz trudniej jest kontrolować jednorodność grubości i rezystywności oraz gęstość defektów.
Urządzenia SiC: Na całym świecie tranzystory SiC SBD i MOSFET o napięciu 600–1700 V zostały uprzemysłowione. Produkty głównego nurtu działają przy napięciu poniżej 1200 V i są w większości stosowane w obudowach TO. Jeśli chodzi o ceny, produkty SiC na rynku międzynarodowym są około 5–6 razy droższe niż ich odpowiedniki krzemowe. Jednak ceny będą spadać w tempie 10% rocznie, wraz z rozwojem materiałów 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-krotność cen produktów SiC, korzyści wynikające z niższych kosztów systemu i lepszej wydajności stopniowo doprowadzą do tego, że SiC zajmie miejsce na rynku urządzeń SiC.
Tradycyjne obudowy oparte są na podłożach krzemowych, podczas gdy materiały półprzewodnikowe trzeciej generacji wymagają zupełnie nowej konstrukcji. Zastosowanie tradycyjnych obudów krzemowych w przypadku układów zasilania o szerokiej przerwie energetycznej może wiązać się z nowymi problemami i wyzwaniami związanymi z częstotliwością, zarządzaniem temperaturą i niezawodnością. Układy zasilania SiC są bardziej wrażliwe na pasożytnicze pojemności i indukcyjności. W porównaniu z układami SiC, układy zasilania SiC charakteryzują się szybszymi prędkościami przełączania, co może prowadzić do przeregulowania, oscylacji, zwiększonych strat przełączania, a nawet awarii urządzenia. Ponadto układy zasilania SiC pracują w wyższych temperaturach, co wymaga bardziej zaawansowanych technik zarządzania temperaturą.
W dziedzinie obudów półprzewodnikowych o szerokim paśmie energetycznym opracowano wiele różnych struktur. Tradycyjne obudowy modułów mocy na bazie krzemu nie są już odpowiednie. Aby rozwiązać problemy związane z wysokimi parametrami pasożytniczymi i niską wydajnością odprowadzania ciepła w tradycyjnych obudowach modułów mocy na bazie krzemu, obudowy modułów mocy SiC wykorzystują technologię bezprzewodowej łączności i chłodzenia dwustronnego, a także materiały podłoża o lepszej przewodności cieplnej. Podjęto również próby zintegrowania kondensatorów odsprzęgających, czujników temperatury/prądu i obwodów sterujących w strukturze modułu, opracowując szereg różnych technologii obudów modułów. Ponadto istnieją wysokie bariery techniczne utrudniające produkcję urządzeń SiC, a koszty produkcji są wysokie.
Urządzenia z węglika krzemu są wytwarzane poprzez osadzanie warstw epitaksjalnych na podłożu z węglika krzemu metodą CVD. Proces obejmuje czyszczenie, utlenianie, fotolitografię, trawienie, usuwanie fotorezystu, implantację jonów, chemiczne osadzanie azotku krzemu z fazy gazowej, polerowanie, napylanie i kolejne etapy przetwarzania w celu utworzenia struktury urządzenia na podłożu monokrystalicznym SiC. Główne typy urządzeń mocy SiC obejmują diody SiC, tranzystory SiC i moduły mocy SiC. Ze względu na takie czynniki, jak powolna produkcja materiałów i niska wydajność, urządzenia z węglika krzemu charakteryzują się stosunkowo wysokimi kosztami produkcji.
Ponadto produkcja urządzeń z węglika krzemu wiąże się z pewnymi trudnościami technicznymi:
1) Konieczne jest opracowanie specyficznego procesu, który będzie zgodny z charakterystyką materiałów z węglika krzemu. Na przykład: SiC ma wysoką temperaturę topnienia, co sprawia, że tradycyjna dyfuzja termiczna jest nieskuteczna. Konieczne jest zastosowanie metody implantacji jonowej i precyzyjna kontrola parametrów, takich jak temperatura, szybkość nagrzewania, czas trwania i przepływ gazu; SiC jest obojętny na rozpuszczalniki chemiczne. Należy stosować metody takie jak suche trawienie, a także optymalizować i rozwijać materiały maskowe, mieszanki gazowe, kontrolować nachylenie ścianek bocznych, szybkość trawienia, chropowatość ścianek bocznych itp.
2) Produkcja elektrod metalowych na płytkach z węglika krzemu wymaga rezystancji styku poniżej 10-5Ω². Materiały elektrodowe spełniające te wymagania, Ni i Al, charakteryzują się słabą stabilnością termiczną powyżej 100°C, natomiast Al/Ni charakteryzuje się lepszą stabilnością termiczną. Rezystancja styku kompozytowego materiału elektrodowego /W/Au jest o 10-3Ω² wyższa;
3) SiC charakteryzuje się dużą odpornością na zużycie podczas cięcia, a jego twardość ustępuje jedynie diamentowi, co stawia wyższe wymagania w zakresie cięcia, szlifowania, polerowania i innych technologii.
Ponadto, tranzystory mocy z węglika krzemu o konstrukcji rowkowej są trudniejsze w produkcji. Ze względu na różne struktury, tranzystory mocy z węglika krzemu można podzielić głównie na planarne i rowkowe. Planarne tranzystory mocy z węglika krzemu charakteryzują się dobrą spójnością jednostkową i prostym procesem produkcji, ale są podatne na efekt JFET oraz charakteryzują się wysoką pojemnością pasożytniczą i rezystancją w stanie włączenia. W porównaniu z tranzystorami planarnymi, tranzystory mocy z węglika krzemu o konstrukcji rowkowej charakteryzują się niższą spójnością jednostkową i bardziej złożonym procesem produkcji. Struktura rowkowa sprzyja jednak zwiększeniu gęstości jednostkowej i jest mniej podatna na efekt JFET, co jest korzystne dla rozwiązania problemu ruchliwości kanałów. Tranzystor ten charakteryzuje się doskonałymi właściwościami, takimi jak mała rezystancja w stanie włączenia, mała pojemność pasożytnicza i niskie zużycie energii przełączania. Charakteryzuje się znacznymi zaletami pod względem kosztów i wydajności i stał się głównym kierunkiem rozwoju tranzystorów mocy 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, front-end, wydatki na 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 surowca, wzrost kryształów, obróbkę wlewków, cięcie wlewków, szlifowanie płytek, polerowanie, czyszczenie i inne etapy.
Etap wzrostu kryształów stanowi podstawę całego procesu. 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 charakteryzuje się temperaturą wzrostu powyżej 2300°C i wymaga precyzyjnej kontroli temperatury wzrostu. Cały proces jest praktycznie niemożliwy do zaobserwowania. Niewielki błąd prowadzi do złomowania produktu. Dla porównania, materiały krzemowe wymagają jedynie temperatury 1600°C, która jest znacznie niższa. Przygotowanie podłoży z węglika krzemu również wiąże się z trudnościami, takimi jak powolny wzrost kryształów i wysokie wymagania dotyczące formy kryształu. Wzrost płytek z węglika krzemu trwa około 7 do 10 dni, podczas gdy wyciąganie prętów krzemowych zajmuje tylko 2,5 dnia. Co więcej, węglik krzemu to materiał, którego twardość ustępuje jedynie diamentowi. Podczas cięcia, szlifowania i polerowania traci on dużo na twardości, a współczynnik wydajności wynosi zaledwie 60%.
Wiemy, że trendem jest zwiększanie rozmiarów podłoży z węglika krzemu, ponieważ wraz ze wzrostem ich rozmiaru rosną wymagania dotyczące technologii rozszerzania średnicy. Wymaga to połączenia różnych elementów sterowania technicznego, aby osiągnąć iteracyjny wzrost kryształów.
Czas publikacji: 22 maja 2024 r.