As dificuldades técnicas na produção em massa e estável de wafers de carbeto de silício de alta qualidade e com desempenho estável incluem:
1) Como os cristais precisam crescer em um ambiente selado de alta temperatura acima de 2000°C, os requisitos de controle de temperatura são extremamente elevados;
2) Como o carbeto de silício possui mais de 200 estruturas cristalinas, mas apenas algumas estruturas de carbeto de silício monocristalino são necessárias para materiais semicondutores, a proporção silício-carbono, o gradiente de temperatura de crescimento e o crescimento cristalino precisam ser controlados com precisão durante o processo de crescimento do cristal. Parâmetros como velocidade e pressão do fluxo de ar;
3) No método de transmissão em fase vapor, a tecnologia de expansão do diâmetro do crescimento de cristais de carbeto de silício é extremamente difícil;
4) A dureza do carboneto de silício é próxima à do diamante, e as técnicas de corte, retificação e polimento são difíceis.
Wafer epitaxial de SiC: geralmente fabricado pelo método de deposição química de vapor (CVD). De acordo com os diferentes tipos de dopagem, são divididos em wafers epitaxiais do tipo n e do tipo p. As empresas nacionais Hantian Tiancheng e Dongguan Tianyu já fornecem wafers epitaxiais de SiC de 4 e 6 polegadas. A epitaxia de SiC é difícil de controlar em campos de alta tensão, e a qualidade da epitaxia tem um grande impacto nos dispositivos de SiC. Além disso, o equipamento de epitaxia é monopolizado pelas quatro principais empresas do setor: Axitron, LPE, TEL e Nuflare.
carbeto de silício epitaxialO termo "wafer" refere-se a um wafer de carbeto de silício no qual um filme monocristalino (camada epitaxial) com determinadas especificações e idêntico ao cristal do substrato é cultivado sobre o substrato original de carbeto de silício. O crescimento epitaxial utiliza principalmente equipamentos de CVD (Deposição Química de Vapor) ou MBE (Epitaxia por Feixe Molecular). Como os dispositivos de carbeto de silício são fabricados diretamente na camada epitaxial, a qualidade desta camada afeta diretamente o desempenho e o rendimento do dispositivo. À medida que a tensão suportada pelo dispositivo aumenta, a espessura da camada epitaxial correspondente também aumenta, tornando o controle mais difícil. Geralmente, quando a tensão está em torno de 600 V, a espessura necessária da camada epitaxial é de cerca de 6 micrômetros; quando a tensão está entre 1200 e 1700 V, a espessura necessária da camada epitaxial atinge 10 a 15 micrômetros. Se a tensão ultrapassar 10.000 volts, uma espessura de camada epitaxial superior a 100 micrômetros pode ser necessária. À medida que a espessura da camada epitaxial continua a aumentar, torna-se cada vez mais difícil controlar a uniformidade da espessura e da resistividade, bem como a densidade de defeitos.
Dispositivos de SiC: Internacionalmente, diodos Schottky de 600 a 1700 V e MOSFETs de SiC já foram industrializados. Os principais produtos operam em níveis de tensão abaixo de 1200 V e utilizam principalmente encapsulamento TO. Em termos de preço, os produtos de SiC no mercado internacional são cerca de 5 a 6 vezes mais caros que seus equivalentes de silício. No entanto, os preços estão diminuindo a uma taxa anual de 10%. Com a expansão da produção de materiais e dispositivos nos próximos 2 a 3 anos, a oferta do mercado aumentará, levando a novas reduções de preço. Espera-se que, quando o preço atingir 2 a 3 vezes o dos produtos de silício, as vantagens proporcionadas pela redução dos custos do sistema e pelo melhor desempenho farão com que o SiC ocupe gradualmente o espaço de mercado dos dispositivos de silício.
As embalagens tradicionais são baseadas em substratos de silício, enquanto os materiais semicondutores de terceira geração exigem um design completamente novo. O uso de estruturas de embalagem tradicionais baseadas em silício para dispositivos de potência de banda larga pode introduzir novos problemas e desafios relacionados à frequência, gerenciamento térmico e confiabilidade. Os dispositivos de potência de SiC são mais sensíveis à capacitância e indutância parasitas. Comparados aos dispositivos de silício, os chips de potência de SiC têm velocidades de comutação mais rápidas, o que pode levar a sobretensão, oscilação, aumento das perdas de comutação e até mesmo mau funcionamento do dispositivo. Além disso, os dispositivos de potência de SiC operam em temperaturas mais altas, exigindo técnicas de gerenciamento térmico mais avançadas.
Diversas estruturas diferentes foram desenvolvidas no campo de encapsulamento de semicondutores de banda larga para potência. O encapsulamento tradicional de módulos de potência à base de silício já não é adequado. Para solucionar os problemas de altos parâmetros parasitas e baixa eficiência de dissipação de calor do encapsulamento tradicional de módulos de potência à base de silício, o encapsulamento de módulos de potência de SiC adota interconexão sem fio e tecnologia de resfriamento bilateral em sua estrutura, além de utilizar materiais de substrato com melhor condutividade térmica. Também foram buscadas tecnologias para integrar capacitores de desacoplamento, sensores de temperatura/corrente e circuitos de acionamento na estrutura do módulo, resultando no desenvolvimento de diversas tecnologias de encapsulamento de módulos. Além disso, a fabricação de dispositivos de SiC apresenta altas barreiras técnicas e custos de produção elevados.
Dispositivos de carbeto de silício são produzidos pela deposição de camadas epitaxiais sobre um substrato de carbeto de silício por meio de deposição química de vapor (CVD). O processo envolve limpeza, oxidação, fotolitografia, corrosão, remoção do fotorresiste, implantação iônica, deposição química de vapor de nitreto de silício, polimento, pulverização catódica e etapas subsequentes de processamento para formar a estrutura do dispositivo sobre o substrato monocristalino de SiC. Os principais tipos de dispositivos de potência de SiC incluem diodos de SiC, transistores de SiC e módulos de potência de SiC. Devido a fatores como a baixa velocidade de produção da matéria-prima e as baixas taxas de rendimento, os dispositivos de carbeto de silício têm custos de fabricação relativamente altos.
Além disso, a fabricação de dispositivos de carboneto de silício apresenta certas dificuldades técnicas:
1) É necessário desenvolver um processo específico que seja consistente com as características dos materiais de carbeto de silício. Por exemplo: o SiC possui um alto ponto de fusão, o que torna a difusão térmica tradicional ineficaz. É necessário utilizar o método de dopagem por implantação iônica e controlar com precisão parâmetros como temperatura, taxa de aquecimento, duração e fluxo de gás; o SiC é inerte a solventes químicos. Métodos como a corrosão seca devem ser utilizados, e os materiais de máscara, as misturas de gases, o controle da inclinação da parede lateral, a taxa de corrosão, a rugosidade da parede lateral, etc., devem ser otimizados e desenvolvidos;
2) A fabricação de eletrodos metálicos em wafers de carbeto de silício requer uma resistência de contato inferior a 10-5 Ω2. Os materiais de eletrodo que atendem aos requisitos, Ni e Al, apresentam baixa estabilidade térmica acima de 100 °C, mas o Al/Ni possui melhor estabilidade térmica. A resistência específica de contato do material de eletrodo composto /W/Au é 10-3 Ω2 maior;
3) O SiC apresenta alto desgaste de corte e sua dureza só perde para a do diamante, o que impõe requisitos mais elevados para tecnologias de corte, retificação, polimento e outras.
Além disso, os dispositivos de potência de carbeto de silício com estrutura de trincheira são mais difíceis de fabricar. De acordo com as diferentes estruturas dos dispositivos, os dispositivos de potência de carbeto de silício podem ser divididos principalmente em dispositivos planares e dispositivos de trincheira. Os dispositivos de potência planares de carbeto de silício apresentam boa consistência de unidade e processo de fabricação simples, mas são propensos ao efeito JFET e possuem alta capacitância parasita e resistência no estado ligado. Comparados aos dispositivos planares, os dispositivos de potência de carbeto de silício com estrutura de trincheira apresentam menor consistência de unidade e um processo de fabricação mais complexo. No entanto, a estrutura de trincheira é propícia ao aumento da densidade de unidades do dispositivo e é menos propensa a produzir o efeito JFET, o que é benéfico para resolver o problema da mobilidade do canal. Possui excelentes propriedades, como baixa resistência no estado ligado, baixa capacitância parasita e baixo consumo de energia de comutação. Apresenta vantagens significativas em termos de custo e desempenho e tornou-se a principal direção do desenvolvimento de dispositivos de potência de carbeto de silício. De acordo com o site oficial da Rohm, a estrutura ROHM Gen3 (estrutura Trench Gen1) tem apenas 75% da área do chip Gen2 (Planar2), e a resistência em estado ligado da estrutura ROHM Gen3 é reduzida em 50% com o mesmo tamanho de chip.
O substrato de carbeto de silício, a epitaxia, a etapa inicial de fabricação, as despesas de P&D e outros representam 47%, 23%, 19%, 6% e 5% do custo de fabricação de dispositivos de carbeto de silício, respectivamente.
Por fim, vamos nos concentrar em superar as barreiras técnicas dos substratos na cadeia produtiva do carboneto de silício.
O processo de produção de substratos de carbeto de silício é semelhante ao de substratos à base de silício, porém mais complexo.
O processo de fabricação do substrato de carbeto de silício geralmente inclui a síntese da matéria-prima, o crescimento do cristal, o processamento do lingote, o corte do lingote, a retificação do wafer, o polimento, a limpeza e outras etapas.
A etapa de crescimento do cristal é o núcleo de todo o processo, e essa etapa determina as propriedades elétricas do substrato de carbeto de silício.
O crescimento de materiais de carbeto de silício em fase líquida, em condições normais, é difícil. O método de crescimento em fase vapor, popular atualmente no mercado, exige uma temperatura de crescimento acima de 2300 °C e um controle preciso dessa temperatura. Todo o processo é praticamente impossível de ser monitorado, e um pequeno erro pode levar ao descarte do produto. Em comparação, o silício requer apenas 1600 °C, uma temperatura muito inferior. A preparação de substratos de carbeto de silício também apresenta dificuldades, como o crescimento lento dos cristais e as exigências rigorosas quanto à forma cristalina. O crescimento de wafers de carbeto de silício leva de 7 a 10 dias, enquanto a produção de barras de silício leva apenas dois dias e meio. Além disso, o carbeto de silício é um material cuja dureza só perde para a do diamante. Ele sofre grande perda de material durante os processos de corte, retificação e polimento, resultando em um rendimento de apenas 60%.
Sabemos que a tendência é aumentar o tamanho dos substratos de carbeto de silício e, à medida que o tamanho continua a aumentar, os requisitos para a tecnologia de expansão de diâmetro tornam-se cada vez maiores. Isso exige uma combinação de vários elementos de controle técnico para alcançar o crescimento iterativo de cristais.
Data da publicação: 22 de maio de 2024