Технические трудности в стабильном массовом производстве высококачественных пластин карбида кремния со стабильными характеристиками включают в себя:
1) Поскольку кристаллы необходимо выращивать в высокотемпературной герметичной среде, превышающей 2000°C, требования к контролю температуры чрезвычайно высоки;
2) Поскольку карбид кремния имеет более 200 кристаллических структур, но только несколько структур монокристаллического карбида кремния являются требуемыми полупроводниковыми материалами, соотношение кремния к углероду, градиент температуры роста и рост кристалла должны точно контролироваться в процессе роста кристаллов. Такие параметры, как скорость и давление воздушного потока;
3) При использовании метода парофазного переноса технология расширения диаметра при выращивании кристаллов карбида кремния чрезвычайно сложна;
4) Твёрдость карбида кремния близка к твёрдости алмаза, поэтому его резка, шлифовка и полировка сложны.
Эпитаксиальные пластины SiC: обычно изготавливаются методом химического осаждения из паровой фазы (CVD). В зависимости от различных типов легирования они делятся на эпитаксиальные пластины n-типа и p-типа. Отечественные компании Hantian Tiancheng и Dongguan Tianyu уже могут поставлять 4-дюймовые/6-дюймовые эпитаксиальные пластины SiC. Для эпитаксии SiC ее трудно контролировать в высоковольтном поле, а качество эпитаксии SiC оказывает большее влияние на устройства SiC. Более того, эпитаксиальное оборудование монополизировано четырьмя ведущими компаниями в отрасли: Axitron, LPE, TEL и Nuflare.
Эпитаксиальный карбид кремнияwafer относится к пластине из карбида кремния, в которой монокристаллическая пленка (эпитаксиальный слой) с определенными требованиями и такими же, как у кристалла подложки, выращивается на исходной подложке из карбида кремния. Эпитаксиальный рост в основном использует оборудование CVD (химическое осаждение из паровой фазы) или оборудование MBE (молекулярно-лучевая эпитаксия). Поскольку устройства из карбида кремния изготавливаются непосредственно в эпитаксиальном слое, качество эпитаксиального слоя напрямую влияет на производительность и выход устройства. По мере того, как характеристики выдерживаемого напряжения устройства продолжают расти, толщина соответствующего эпитаксиального слоя становится толще, и контроль становится более трудным. Обычно, когда напряжение составляет около 600 В, требуемая толщина эпитаксиального слоя составляет около 6 микрон; когда напряжение составляет от 1200 до 1700 В, требуемая толщина эпитаксиального слоя достигает 10-15 микрон. Если напряжение достигает более 10 000 вольт, может потребоваться толщина эпитаксиального слоя более 100 микрон. По мере того, как толщина эпитаксиального слоя продолжает увеличиваться, становится все труднее контролировать однородность толщины и удельного сопротивления, а также плотность дефектов.
Устройства SiC: на международном уровне были промышленно освоены SiC SBD и MOSFET на 600~1700 В. Основные продукты работают при напряжении ниже 1200 В и в основном используют корпус TO. С точки зрения ценообразования, продукты SiC на международном рынке оцениваются примерно в 5-6 раз выше, чем их аналоги из Si. Однако цены снижаются с ежегодной скоростью 10%. С расширением производства исходных материалов и устройств в течение следующих 2-3 лет предложение на рынке увеличится, что приведет к дальнейшему снижению цен. Ожидается, что когда цена достигнет 2-3 раз выше, чем у продуктов из Si, преимущества, обеспечиваемые снижением системных затрат и улучшением производительности, постепенно заставят SiC занять рыночное пространство устройств из Si.
Традиционная упаковка основана на кремниевых подложках, в то время как полупроводниковые материалы третьего поколения требуют совершенно новой конструкции. Использование традиционных кремниевых структур упаковки для широкозонных силовых устройств может привести к новым проблемам и задачам, связанным с частотой, управлением температурой и надежностью. Силовые устройства SiC более чувствительны к паразитной емкости и индуктивности. По сравнению с устройствами Si, силовые микросхемы SiC имеют более высокую скорость переключения, что может привести к перерегулированию, колебаниям, повышенным потерям переключения и даже сбоям в работе устройства. Кроме того, силовые устройства SiC работают при более высоких температурах, что требует более совершенных методов управления температурой.
В области широкозонной упаковки полупроводниковых силовых приборов были разработаны различные структуры. Традиционная упаковка силовых модулей на основе Si больше не подходит. Чтобы решить проблемы высоких паразитных параметров и плохой эффективности рассеивания тепла традиционной упаковки силовых модулей на основе Si, упаковка силовых модулей SiC использует беспроводную связь и технологию двухстороннего охлаждения в своей структуре, а также использует материалы подложки с лучшей теплопроводностью и пытается интегрировать развязывающие конденсаторы, датчики температуры/тока и схемы управления в структуру модуля, и разрабатывает различные технологии упаковки модулей. Кроме того, существуют высокие технические барьеры для производства устройств SiC, а себестоимость производства высока.
Устройства из карбида кремния производятся путем осаждения эпитаксиальных слоев на подложку из карбида кремния с помощью химического осаждения из газовой фазы. Процесс включает очистку, окисление, фотолитографию, травление, удаление фоторезиста, ионную имплантацию, химическое осаждение нитрида кремния из паровой фазы, полировку, распыление и последующие этапы обработки для формирования структуры устройства на подложке из монокристалла SiC. Основные типы устройств питания SiC включают диоды SiC, транзисторы SiC и модули питания SiC. Из-за таких факторов, как медленная скорость производства исходного материала и низкие показатели выхода годного, устройства из карбида кремния имеют относительно высокую себестоимость производства.
Кроме того, производство устройств из карбида кремния имеет определенные технические трудности:
1) Необходимо разработать конкретный процесс, соответствующий характеристикам материалов из карбида кремния. Например: SiC имеет высокую температуру плавления, что делает традиционную термодиффузию неэффективной. Необходимо использовать метод легирования ионным имплантированием и точно контролировать такие параметры, как температура, скорость нагрева, продолжительность и поток газа; SiC инертен к химическим растворителям. Следует использовать такие методы, как сухое травление, а также оптимизировать и разработать материалы масок, газовые смеси, контроль наклона боковой стенки, скорости травления, шероховатости боковой стенки и т. д.;
2) Изготовление металлических электродов на пластинах карбида кремния требует контактного сопротивления ниже 10-5Ω2. Электродные материалы, которые соответствуют требованиям, Ni и Al, имеют плохую термостойкость выше 100°C, но Al/Ni имеет лучшую термостойкость. Контактное удельное сопротивление композитного электродного материала /W/Au на 10-3Ω2 выше;
3) SiC имеет высокую режущую износостойкость, а по твердости SiC уступает только алмазу, что выдвигает более высокие требования к технологиям резки, шлифования, полирования и другим.
Более того, силовые устройства из карбида кремния с траншейной структурой сложнее в изготовлении. В зависимости от различных структур устройств силовые устройства из карбида кремния можно в основном разделить на планарные и траншейные. Силовые устройства из карбида кремния с траншейной структурой имеют хорошую согласованность единиц и простой процесс изготовления, но склонны к эффекту JFET и имеют высокую паразитную емкость и сопротивление в открытом состоянии. По сравнению с планарными устройствами силовые устройства из карбида кремния с траншейной структурой имеют более низкую согласованность единиц и имеют более сложный процесс изготовления. Однако структура траншей способствует увеличению плотности единиц устройства и с меньшей вероятностью вызывает эффект JFET, что полезно для решения проблемы подвижности каналов. Она обладает превосходными свойствами, такими как малое сопротивление в открытом состоянии, малая паразитная емкость и низкое потребление энергии переключения. Она имеет значительные преимущества по стоимости и производительности и стала основным направлением разработки силовых устройств из карбида кремния. По данным официального сайта компании Rohm, структура ROHM Gen3 (структура Gen1 Trench) занимает всего 75% площади кристалла Gen2 (Plannar2), а сопротивление открытого канала структуры ROHM Gen3 снижено на 50% при том же размере кристалла.
Расходы на подложку из карбида кремния, эпитаксию, начальную стадию, НИОКР и другие расходы составляют 47%, 23%, 19%, 6% и 5% от себестоимости производства устройств из карбида кремния соответственно.
Наконец, мы сосредоточимся на устранении технических барьеров в цепочке производства подложек из карбида кремния.
Процесс производства подложек из карбида кремния аналогичен процессу производства подложек на основе кремния, но более сложен.
Процесс производства подложки из карбида кремния обычно включает синтез сырья, выращивание кристаллов, обработку слитков, резку слитков, шлифовку пластин, полировку, очистку и другие звенья.
Стадия роста кристаллов является ядром всего процесса, и этот этап определяет электрические свойства подложки из карбида кремния.
Материалы из карбида кремния трудно выращивать в жидкой фазе при нормальных условиях. Метод роста из паровой фазы, популярный на рынке сегодня, имеет температуру роста выше 2300 °C и требует точного контроля температуры роста. Весь рабочий процесс практически трудно наблюдать. Небольшая ошибка приведет к браку продукта. Для сравнения, кремниевые материалы требуют всего 1600 ℃, что намного ниже. Подготовка подложек из карбида кремния также сталкивается с трудностями, такими как медленный рост кристаллов и высокие требования к форме кристаллов. Рост пластины карбида кремния занимает около 7-10 дней, в то время как вытягивание стержня кремния занимает всего 2 с половиной дня. Более того, карбид кремния - это материал, твердость которого уступает только алмазу. Он будет сильно терять во время резки, шлифовки и полировки, а выходной коэффициент составляет всего 60%.
Мы знаем, что тенденция заключается в увеличении размера подложек из карбида кремния, поскольку размер продолжает увеличиваться, требования к технологии расширения диаметра становятся все выше и выше. Требуется сочетание различных элементов технического контроля для достижения итеративного роста кристаллов.
Время публикации: 22 мая 2024 г.