Medzi technické ťažkosti pri stabilnej hromadnej výrobe vysokokvalitných doštičiek z karbidu kremíka so stabilným výkonom patria:
1) Keďže kryštály musia rásť vo vysokoteplotnom uzavretom prostredí nad 2000 °C, požiadavky na reguláciu teploty sú extrémne vysoké;
2) Keďže karbid kremíka má viac ako 200 kryštálových štruktúr, ale iba niekoľko štruktúr monokryštálového karbidu kremíka sú požadované polovodičové materiály, pomer kremíka k uhlíku, teplotný gradient rastu a rast kryštálov je potrebné počas procesu rastu kryštálov presne kontrolovať. Parametre, ako je rýchlosť a tlak prúdenia vzduchu;
3) Pri metóde prenosu v plynnej fáze je technológia expanzie priemeru pri raste kryštálov karbidu kremíka mimoriadne náročná;
4) Tvrdosť karbidu kremíka sa blíži tvrdosti diamantu a techniky rezania, brúsenia a leštenia sú náročné.
SiC epitaxné doštičky: zvyčajne sa vyrábajú metódou chemického nanášania z pár (CVD). Podľa rôznych typov dopovania sa delia na epitaxné doštičky typu n a typu p. Domáce spoločnosti Hantian Tiancheng a Dongguan Tianyu už dokážu dodať 4-palcové/6-palcové SiC epitaxné doštičky. SiC epitaxiu je ťažké kontrolovať v oblasti vysokého napätia a kvalita SiC epitaxie má väčší vplyv na SiC zariadenia. Okrem toho, epitaxné zariadenia monopolizujú štyri popredné spoločnosti v tomto odvetví: Axitron, LPE, TEL a Nuflare.
Epitaxný karbid kremíkaDoštička označuje doštičku z karbidu kremíka, v ktorej sa na pôvodnom substráte z karbidu kremíka vypestuje monokryštalický film (epitaxná vrstva) s určitými požiadavkami, ktorý je rovnaký ako kryštál substrátu. Epitaxný rast sa prevažne vykonáva pomocou zariadení CVD (chemické nanášanie z pár) alebo MBE (molekulárna lúčová epitaxia). Keďže zariadenia z karbidu kremíka sa vyrábajú priamo v epitaxnej vrstve, kvalita epitaxnej vrstvy priamo ovplyvňuje výkon a výťažnosť zariadenia. S rastúcou napäťovou odolnosťou zariadenia sa hrúbka zodpovedajúcej epitaxnej vrstvy stáva hrubšou a jej regulácia sa stáva náročnejšou. Vo všeobecnosti, keď je napätie okolo 600 V, požadovaná hrúbka epitaxnej vrstvy je približne 6 mikrónov; keď je napätie medzi 1200 – 1700 V, požadovaná hrúbka epitaxnej vrstvy dosahuje 10 – 15 mikrónov. Ak napätie dosiahne viac ako 10 000 voltov, môže byť potrebná hrúbka epitaxnej vrstvy viac ako 100 mikrónov. S rastúcou hrúbkou epitaxnej vrstvy je čoraz ťažšie kontrolovať rovnomernosť hrúbky a odporu a hustotu defektov.
SiC zariadenia: Medzinárodne sa industrializovali SiC SBD a MOSFET s napätím 600~1700V. Hlavné produkty pracujú na napäťových úrovniach pod 1200V a primárne používajú puzdro TO. Pokiaľ ide o ceny, SiC produkty na medzinárodnom trhu sú približne 5-6-krát drahšie ako ich Si náprotivky. Ceny však klesajú ročným tempom 10 %. S expanziou materiálov a výroby zariadení v nasledujúcich 2-3 rokoch sa zvýši ponuka na trhu, čo povedie k ďalšiemu zníženiu cien. Očakáva sa, že keď cena dosiahne 2-3-násobok ceny Si produktov, výhody plynúce zo znížených nákladov na systém a zlepšeného výkonu postupne prinútia SiC obsadiť trhový priestor Si zariadení.
Tradičné puzdrá sú založené na kremíkových substrátoch, zatiaľ čo polovodičové materiály tretej generácie vyžadujú úplne nový dizajn. Použitie tradičných kremíkových puzdrových štruktúr pre výkonové zariadenia so širokým pásmovým zakázaným pásmom môže priniesť nové problémy a výzvy týkajúce sa frekvencie, tepelného manažmentu a spoľahlivosti. Výkonové zariadenia SiC sú citlivejšie na parazitnú kapacitu a indukčnosť. V porovnaní so zariadeniami Si majú výkonové čipy SiC rýchlejšie spínacie rýchlosti, čo môže viesť k prekročeniu, oscilácii, zvýšeným stratám pri spínaní a dokonca aj k poruchám zariadenia. Okrem toho výkonové zariadenia SiC pracujú pri vyšších teplotách, čo si vyžaduje pokročilejšie techniky tepelného manažmentu.
V oblasti balenia výkonových polovodičových modulov so širokým pásmovým zakázaným pásmom bolo vyvinutých množstvo rôznych štruktúr. Tradičné balenie výkonových modulov na báze Si už nie je vhodné. Na vyriešenie problémov s vysokými parazitickými parametrami a nízkou účinnosťou odvodu tepla tradičných balení výkonových modulov na báze Si využívajú balenia výkonových modulov SiC vo svojej štruktúre bezdrôtové prepojenie a technológiu obojstranného chladenia. Tiež využívajú substrátové materiály s lepšou tepelnou vodivosťou. Snažili sa integrovať oddeľovacie kondenzátory, snímače teploty/prúdu a budiace obvody do štruktúry modulu a vyvinuli rôzne technológie balenia modulov. Okrem toho existujú vysoké technické bariéry pri výrobe SiC zariadení a výrobné náklady sú vysoké.
Zariadenia z karbidu kremíka sa vyrábajú nanášaním epitaxných vrstiev na substrát z karbidu kremíka pomocou CVD. Proces zahŕňa čistenie, oxidáciu, fotolitografiu, leptanie, odstraňovanie fotorezistu, iónovú implantáciu, chemické nanášanie nitridu kremíka z par, leštenie, naprašovanie a následné kroky spracovania na vytvorenie štruktúry zariadenia na monokryštálovom substráte SiC. Medzi hlavné typy výkonových zariadení SiC patria SiC diódy, SiC tranzistory a SiC výkonové moduly. Vzhľadom na faktory, ako je pomalá rýchlosť výroby materiálu a nízka miera výťažnosti, majú zariadenia z karbidu kremíka relatívne vysoké výrobné náklady.
Okrem toho má výroba zariadení z karbidu kremíka určité technické ťažkosti:
1) Je potrebné vyvinúť špecifický proces, ktorý je v súlade s vlastnosťami materiálov na báze karbidu kremíka. Napríklad: SiC má vysoký bod topenia, čo znemožňuje tradičnú tepelnú difúziu. Je potrebné použiť metódu dopovania iónovou implantáciou a presne kontrolovať parametre, ako je teplota, rýchlosť ohrevu, trvanie a prietok plynu; SiC je inertný voči chemickým rozpúšťadlám. Mali by sa použiť metódy ako suché leptanie a mali by sa optimalizovať a vyvíjať materiály masky, zmesi plynov, kontrola sklonu bočnej steny, rýchlosť leptania, drsnosť bočnej steny atď.;
2) Výroba kovových elektród na doštičkách z karbidu kremíka vyžaduje kontaktný odpor pod 10-5Ω2. Materiály elektród, ktoré spĺňajú tieto požiadavky, Ni a Al, majú nízku tepelnú stabilitu nad 100 °C, ale Al/Ni má lepšiu tepelnú stabilitu. Kontaktný špecifický odpor kompozitného materiálu elektródy /W/Au je o 10-3Ω2 vyšší;
3) SiC má vysoké opotrebenie pri reze a tvrdosť SiC je druhá hneď po diamante, čo kladie vyššie požiadavky na rezanie, brúsenie, leštenie a ďalšie technológie.
Okrem toho sú napájacie zariadenia z karbidu kremíka s priekopovou štruktúrou náročnejšie na výrobu. Podľa rôznych štruktúr zariadení možno napájacie zariadenia z karbidu kremíka rozdeliť hlavne na planárne zariadenia a priekopové zariadenia. Planárne napájacie zariadenia z karbidu kremíka majú dobrú jednotkovú konzistenciu a jednoduchý výrobný proces, ale sú náchylné na efekt JFET a majú vysokú parazitnú kapacitu a odpor v zapnutom stave. V porovnaní s planárnymi zariadeniami majú priekopové napájacie zariadenia z karbidu kremíka nižšiu jednotkovú konzistenciu a zložitejší výrobný proces. Priekopová štruktúra však prispieva k zvýšeniu hustoty jednotiek zariadenia a je menej pravdepodobné, že vyvolá efekt JFET, čo je prospešné pre riešenie problému mobility kanálov. Má vynikajúce vlastnosti, ako je malý odpor v zapnutom stave, malá parazitná kapacita a nízka spotreba energie pri spínaní. Má významné výhody z hľadiska nákladov a výkonu a stala sa hlavným smerom vývoja napájacích zariadení z karbidu kremíka. Podľa oficiálnej webovej stránky Rohm tvorí štruktúra ROHM Gen3 (priekopová štruktúra Gen1) iba 75 % plochy čipu Gen2 (Plannar2) a odpor v zapnutom stave štruktúry ROHM Gen3 je pri rovnakej veľkosti čipu znížený o 50 %.
Výdavky na substrát z karbidu kremíka, epitaxiu, vstupné fázy, výskum a vývoj a ďalšie predstavujú 47 %, 23 %, 19 %, 6 % a 5 % výrobných nákladov na zariadenia z karbidu kremíka.
Nakoniec sa zameriame na prekonanie technických bariér substrátov v priemyselnom reťazci karbidu kremíka.
Výrobný proces substrátov z karbidu kremíka je podobný výrobnému procesu substrátov na báze kremíka, ale je zložitejší.
Výrobný proces substrátu z karbidu kremíka vo všeobecnosti zahŕňa syntézu surovín, rast kryštálov, spracovanie ingotov, rezanie ingotov, brúsenie doštičiek, leštenie, čistenie a ďalšie prepojenia.
Fáza rastu kryštálov je jadrom celého procesu a tento krok určuje elektrické vlastnosti substrátu z karbidu kremíka.
Materiály z karbidu kremíka sa za normálnych podmienok ťažko pestujú v kvapalnej fáze. Metóda rastu v plynnej fáze, ktorá je dnes na trhu populárna, má rastovú teplotu nad 2300 °C a vyžaduje si presnú kontrolu rastovej teploty. Celý prevádzkový proces je takmer nemožné sledovať. Malá chyba povedie k zošrotovaniu produktu. Na porovnanie, kremíkové materiály vyžadujú iba 1600 ℃, čo je oveľa menej. Príprava substrátov z karbidu kremíka tiež čelí ťažkostiam, ako je pomalý rast kryštálov a vysoké požiadavky na kryštalickú formu. Rast doštičiek z karbidu kremíka trvá približne 7 až 10 dní, zatiaľ čo ťahanie kremíkovej tyče trvá iba 2 a pol dňa. Okrem toho je karbid kremíka materiál, ktorého tvrdosť je druhá hneď po diamante. Počas rezania, brúsenia a leštenia stráca veľa tvrdosti a výstupný pomer je iba 60 %.
Vieme, že trendom je zväčšovanie veľkosti substrátov z karbidu kremíka. S rastúcou veľkosťou sa požiadavky na technológiu rozširovania priemeru zvyšujú. Na dosiahnutie iteračného rastu kryštálov je potrebná kombinácia rôznych technických riadiacich prvkov.
Čas uverejnenia: 22. mája 2024