Dificultățile tehnice în producerea stabilă în masă a napolitanelor din carbură de siliciu de înaltă calitate cu performanțe stabile includ:
1) Deoarece cristalele trebuie să crească într-un mediu etanș la temperatură înaltă, peste 2000°C, cerințele de control al temperaturii sunt extrem de ridicate;
2) Deoarece carbura de siliciu are peste 200 de structuri cristaline, dar doar câteva structuri de carbură de siliciu monocristalină sunt materialele semiconductoare necesare, raportul siliciu-carbon, gradientul temperaturii de creștere și creșterea cristalului trebuie controlate cu precizie în timpul procesului de creștere a cristalului. Parametri precum viteza și presiunea fluxului de aer;
3) În metoda de transmitere în fază de vapori, tehnologia de expansiune a diametrului creșterii cristalelor de carbură de siliciu este extrem de dificilă;
4) Duritatea carburii de siliciu este apropiată de cea a diamantului, iar tehnicile de tăiere, șlefuire și lustruire sunt dificile.
Napolitane epitaxiale SiC: de obicei fabricate prin metoda depunerii chimice în fază de vapori (CVD). Conform diferitelor tipuri de dopare, acestea sunt împărțite în napolitane epitaxiale de tip n și de tip p. Companiile autohtone Hantian Tiancheng și Dongguan Tianyu pot furniza deja napolitane epitaxiale SiC de 4/6 inci. Epitaxia SiC este dificil de controlat în domeniul de înaltă tensiune, iar calitatea epitaxiei SiC are un impact mai mare asupra dispozitivelor SiC. Mai mult, echipamentele epitaxiale sunt monopolizate de patru companii lider în industrie: Axitron, LPE, TEL și Nuflare.
Epitaxial de carbură de siliciu„Wafer” se referă la o waferă de carbură de siliciu în care un film monocristalin (strat epitaxial) cu anumite cerințe și aceleași ca și substratul este crescut pe substratul original de carbură de siliciu. Creșterea epitaxială utilizează în principal echipamente CVD (depunere chimică din vapori) sau echipamente MBE (epitaxială cu fascicul molecular). Deoarece dispozitivele cu carbură de siliciu sunt fabricate direct în stratul epitaxial, calitatea stratului epitaxial afectează direct performanța și randamentul dispozitivului. Pe măsură ce performanța de rezistență la tensiune a dispozitivului continuă să crească, grosimea stratului epitaxial corespunzător devine mai groasă, iar controlul devine mai dificil. În general, când tensiunea este în jur de 600V, grosimea necesară a stratului epitaxial este de aproximativ 6 microni; când tensiunea este între 1200-1700V, grosimea necesară a stratului epitaxial ajunge la 10-15 microni. Dacă tensiunea atinge mai mult de 10.000 de volți, poate fi necesară o grosime a stratului epitaxial de peste 100 de microni. Pe măsură ce grosimea stratului epitaxial continuă să crească, devine din ce în ce mai dificil să se controleze uniformitatea grosimii și a rezistivității, precum și densitatea defectelor.
Dispozitive SiC: La nivel internațional, s-au industrializat tranzistoarele SBD și MOSFET SiC de 600~1700V. Produsele principale funcționează la niveluri de tensiune sub 1200V și adoptă în principal capsulare TO. În ceea ce privește prețurile, produsele SiC de pe piața internațională au prețuri de aproximativ 5-6 ori mai mari decât omologii lor din Si. Cu toate acestea, prețurile scad cu o rată anuală de 10%. odată cu extinderea producției de materiale și dispozitive în următorii 2-3 ani, oferta pieței va crește, ducând la reduceri suplimentare de prețuri. Se așteaptă ca, atunci când prețul va ajunge la de 2-3 ori mai mare decât cel al produselor Si, avantajele aduse de costurile reduse ale sistemului și performanța îmbunătățită să determine treptat SiC să ocupe spațiul de piață al dispozitivelor Si.
Ambalajele tradiționale se bazează pe substraturi pe bază de siliciu, în timp ce materialele semiconductoare de a treia generație necesită un design complet nou. Utilizarea structurilor de ambalare tradiționale pe bază de siliciu pentru dispozitive de alimentare cu bandă largă poate introduce noi probleme și provocări legate de frecvență, management termic și fiabilitate. Dispozitivele de alimentare SiC sunt mai sensibile la capacitatea și inductanța parazitară. Comparativ cu dispozitivele Si, cipurile de alimentare SiC au viteze de comutare mai mari, ceea ce poate duce la supratensiuni, oscilații, pierderi de comutare crescute și chiar defecțiuni ale dispozitivelor. În plus, dispozitivele de alimentare SiC funcționează la temperaturi mai ridicate, necesitând tehnici de management termic mai avansate.
În domeniul ambalajelor semiconductoare cu bandă largă au fost dezvoltate o varietate de structuri diferite. Ambalajele tradiționale pentru module de putere pe bază de Si nu mai sunt potrivite. Pentru a rezolva problemele legate de parametrii paraziți ridicați și eficiența slabă de disipare a căldurii ale ambalajelor tradiționale pentru module de putere pe bază de Si, ambalajele pentru module de putere SiC adoptă în structura sa tehnologia de interconectare wireless și răcire pe ambele părți, adoptând, de asemenea, materiale de substrat cu o conductivitate termică mai bună și încercând să integreze condensatoare de decuplare, senzori de temperatură/curent și circuite de acționare în structura modulului, dezvoltând o varietate de tehnologii diferite de ambalare a modulelor. Mai mult, există bariere tehnice mari în calea fabricării dispozitivelor SiC, iar costurile de producție sunt ridicate.
Dispozitivele din carbură de siliciu sunt produse prin depunerea de straturi epitaxiale pe un substrat de carbură de siliciu prin CVD. Procesul implică curățarea, oxidarea, fotolitografia, gravarea, îndepărtarea fotorezistului, implantarea ionică, depunerea chimică în fază de vapori a nitrurii de siliciu, lustruirea, pulverizarea catodică și etapele ulterioare de procesare pentru a forma structura dispozitivului pe substratul monocristalin de SiC. Principalele tipuri de dispozitive de putere SiC includ diodele SiC, tranzistoarele SiC și modulele de putere SiC. Datorită unor factori precum viteza lentă de producție a materialelor în amonte și ratele de randament scăzute, dispozitivele din carbură de siliciu au costuri de fabricație relativ ridicate.
În plus, fabricarea dispozitivelor din carbură de siliciu prezintă anumite dificultăți tehnice:
1) Este necesară dezvoltarea unui proces specific care să fie în concordanță cu caracteristicile materialelor din carbură de siliciu. De exemplu: SiC are un punct de topire ridicat, ceea ce face ca difuzia termică tradițională să fie ineficientă. Este necesară utilizarea metodei de dopare prin implantare ionică și controlul precis al parametrilor precum temperatura, viteza de încălzire, durata și debitul de gaz; SiC este inert față de solvenții chimici. Ar trebui utilizate metode precum gravarea uscată, iar materialele de mască, amestecurile de gaze, controlul pantei peretelui lateral, al vitezei de gravare, al rugozității peretelui lateral etc. ar trebui optimizate și dezvoltate;
2) Fabricarea electrozilor metalici pe napolitane din carbură de siliciu necesită o rezistență de contact sub 10-5Ω2. Materialele pentru electrozi care îndeplinesc cerințele, Ni și Al, au o stabilitate termică slabă peste 100°C, dar Al/Ni are o stabilitate termică mai bună. Rezistența specifică de contact a materialului compozit /W/Au pentru electrozi este cu 10-3Ω2 mai mare;
3) SiC are o uzură ridicată la tăiere, iar duritatea SiC este a doua după diamant, ceea ce impune cerințe mai mari pentru tăiere, șlefuire, lustruire și alte tehnologii.
Mai mult, dispozitivele de alimentare din carbură de siliciu de tip „sanț” sunt mai dificil de fabricat. Conform diferitelor structuri ale dispozitivelor, dispozitivele de alimentare din carbură de siliciu pot fi împărțite în principal în dispozitive planare și dispozitive „sanț”. Dispozitivele de alimentare planare din carbură de siliciu au o consistență unitară bună și un proces de fabricație simplu, dar sunt predispuse la efectul JFET și au o capacitate parazitară și o rezistență la starea de conectare ridicate. Comparativ cu dispozitivele planare, dispozitivele de alimentare din carbură de siliciu de tip „sanț” au o consistență unitară mai mică și au un proces de fabricație mai complex. Cu toate acestea, structura „sanț” este propice creșterii densității unităților dispozitivului și este mai puțin probabil să producă efectul JFET, ceea ce este benefic pentru rezolvarea problemei mobilității canalului. Are proprietăți excelente, cum ar fi rezistență mică la funcționare, capacitate parazitară mică și consum redus de energie la comutare. Are avantaje semnificative în materie de cost și performanță și a devenit direcția principală de dezvoltare a dispozitivelor de alimentare din carbură de siliciu. Conform site-ului oficial Rohm, structura ROHM Gen3 (structura Gen1 Trench) reprezintă doar 75% din suprafața cipului Gen2 (Plannar2), iar rezistența la funcționare a structurii ROHM Gen3 este redusă cu 50% pentru aceeași dimensiune a cipului.
Substratul de carbură de siliciu, epitaxia, costurile inițiale, cheltuielile de cercetare și dezvoltare și altele reprezintă 47%, 23%, 19%, 6% și, respectiv, 5% din costul de fabricație al dispozitivelor din carbură de siliciu.
În cele din urmă, ne vom concentra pe eliminarea barierelor tehnice ale substraturilor în lanțul industrial al carburii de siliciu.
Procesul de producție a substraturilor din carbură de siliciu este similar cu cel al substraturilor pe bază de siliciu, dar mai dificil.
Procesul de fabricație al substratului de carbură de siliciu include, în general, sinteza materiilor prime, creșterea cristalelor, prelucrarea lingourilor, tăierea lingourilor, măcinarea napolitanelor, lustruirea, curățarea și alte verigi.
Etapa de creștere a cristalelor este nucleul întregului proces și determină proprietățile electrice ale substratului de carbură de siliciu.
Materialele din carbură de siliciu sunt dificil de crescut în fază lichidă în condiții normale. Metoda de creștere în fază de vapori, populară pe piață astăzi, are o temperatură de creștere peste 2300°C și necesită un control precis al temperaturii de creștere. Întregul proces de operare este aproape dificil de observat. O mică eroare va duce la casarea produsului. Prin comparație, materialele din siliciu necesită doar 1600℃, ceea ce este mult mai puțin. Pregătirea substraturilor din carbură de siliciu se confruntă, de asemenea, cu dificultăți, cum ar fi creșterea lentă a cristalelor și cerințele ridicate de formă cristalină. Creșterea napolitanei din carbură de siliciu durează aproximativ 7 până la 10 zile, în timp ce extragerea tijelor de siliciu durează doar 2 zile și jumătate. Mai mult, carbura de siliciu este un material a cărui duritate este a doua după diamant. Va pierde mult în timpul tăierii, șlefuirii și lustruirii, iar raportul de producție este de doar 60%.
Știm că tendința este de a crește dimensiunea substraturilor de carbură de siliciu, iar pe măsură ce dimensiunea continuă să crească, cerințele pentru tehnologia de extindere a diametrului devin din ce în ce mai mari. Aceasta necesită o combinație de diverse elemente tehnice de control pentru a realiza o creștere iterativă a cristalelor.
Data publicării: 22 mai 2024