Tehnične težave pri stabilni masovni proizvodnji visokokakovostnih silicijevih karbidnih rezin s stabilnim delovanjem vključujejo:
1) Ker morajo kristali rasti v visokotemperaturnem zaprtem okolju nad 2000 °C, so zahteve glede nadzora temperature izjemno visoke;
2) Ker ima silicijev karbid več kot 200 kristalnih struktur, le nekaj struktur monokristalnega silicijevega karbida pa je potrebnih polprevodniških materialov, je treba med postopkom rasti kristalov natančno nadzorovati razmerje med silicijem in ogljikom, temperaturni gradient rasti in rast kristalov. Parametri, kot so hitrost in tlak zračnega toka;
3) Pri metodi prenosa v parni fazi je tehnologija širjenja premera pri rasti kristalov silicijevega karbida izjemno težka;
4) Trdota silicijevega karbida je blizu trdoti diamanta, tehnike rezanja, brušenja in poliranja pa so težavne.
SiC epitaksialne rezine: običajno izdelane s kemičnim nanašanjem iz pare (CVD). Glede na različne vrste dopiranja se delijo na epitaksialne rezine tipa n in tipa p. Domača podjetja Hantian Tiancheng in Dongguan Tianyu že dobavljajo 4-palčne/6-palčne SiC epitaksialne rezine. Pri SiC epitaksi je težko nadzorovati visokonapetostno področje, kakovost SiC epitaksije pa ima večji vpliv na SiC naprave. Poleg tega epitaksialno opremo monopolizirajo štiri vodilna podjetja v industriji: Axitron, LPE, TEL in Nuflare.
Epitaksialni silicijev karbidRezina se nanaša na rezino silicijevega karbida, pri kateri se na originalni silicijev karbidni podlagi vzgoji monokristalni film (epitaksialna plast) z določenimi zahtevami, ki so enake kristalom substrata. Za epitaksialno rast se uporablja predvsem oprema CVD (kemično nanašanje iz pare) ali oprema MBE (molekularna epitaksija s snopom). Ker se silicijev karbidne naprave izdelujejo neposredno v epitaksialni plasti, kakovost epitaksialne plasti neposredno vpliva na delovanje in izkoristek naprave. Ko se napetostna odpornost naprave še naprej povečuje, debelina ustrezne epitaksialne plasti postaja debelejša in nadzor postane težji. Na splošno je pri napetosti okoli 600 V potrebna debelina epitaksialne plasti približno 6 mikronov; pri napetosti med 1200 in 1700 V doseže potrebna debelina epitaksialne plasti 10–15 mikronov. Če napetost doseže več kot 10.000 voltov, je lahko potrebna debelina epitaksialne plasti več kot 100 mikronov. Z naraščanjem debeline epitaksialne plasti je vse težje nadzorovati enakomernost debeline in upornosti ter gostoto napak.
SiC naprave: Na mednarodni ravni so industrializirani SiC SBD in MOSFET tranzistorji za napetost 600–1700 V. Glavni izdelki delujejo pri napetostnih ravneh pod 1200 V in večinoma uporabljajo ohišje TO. Kar zadeva ceno, so SiC izdelki na mednarodnem trgu približno 5–6-krat dražji od njihovih Si ekvivalentov. Vendar pa se cene znižujejo z letno stopnjo 10 %. Z razširitvijo proizvodnje materialov in naprav v naslednjih 2–3 letih se bo ponudba na trgu povečala, kar bo vodilo do nadaljnjega znižanja cen. Pričakuje se, da bodo, ko bo cena dosegla 2–3-kratnik cene Si izdelkov, prednosti, ki jih prinašajo nižji stroški sistema in izboljšana zmogljivost, postopoma spodbudile SiC, da bo zasedel tržni prostor Si naprav.
Tradicionalno pakiranje temelji na silicijevih substratih, medtem ko polprevodniški materiali tretje generacije zahtevajo povsem novo zasnovo. Uporaba tradicionalnih silicijevih struktur pakiranja za širokopasovne napajalne naprave lahko povzroči nove težave in izzive, povezane s frekvenco, upravljanjem temperature in zanesljivostjo. SiC napajalne naprave so bolj občutljive na parazitsko kapacitivnost in induktivnost. V primerjavi s Si napravami imajo SiC napajalni čipi hitrejše preklopne hitrosti, kar lahko povzroči previsoke temperature, nihanje, povečane preklopne izgube in celo okvare naprav. Poleg tega SiC napajalne naprave delujejo pri višjih temperaturah, kar zahteva naprednejše tehnike upravljanja temperature.
Na področju polprevodniškega ohišja za močnostne module s širokopasovno vrzeljo je bilo razvitih veliko različnih struktur. Tradicionalno ohišje za močnostne module na osnovi Si ni več primerno. Da bi rešili težave visokih parazitskih parametrov in slabe učinkovitosti odvajanja toplote pri tradicionalnem ohišju za močnostne module na osnovi Si, ohišje za močnostne module SiC uporablja tehnologijo brezžične povezave in dvostranskega hlajenja, poleg tega pa uporablja substratne materiale z boljšo toplotno prevodnostjo. V strukturo modula so poskušali integrirati ločilne kondenzatorje, temperaturne/tokovne senzorje in pogonska vezja, zato so razvili različne tehnologije ohišja modulov. Poleg tega obstajajo visoke tehnične ovire za proizvodnjo SiC naprav in visoki proizvodni stroški.
Silicijev karbidni elementi se izdelujejo z nanašanjem epitaksialnih plasti na silicijev karbidni substrat s CVD. Postopek vključuje čiščenje, oksidacijo, fotolitografijo, jedkanje, odstranjevanje fotorezista, ionsko implantacijo, kemično nanašanje silicijevega nitrida s paro, poliranje, naprševanje in nadaljnje korake obdelave za oblikovanje strukture elementa na monokristalnem substratu SiC. Glavne vrste SiC napajalnih elementov vključujejo SiC diode, SiC tranzistorje in SiC napajalne module. Zaradi dejavnikov, kot so počasna hitrost proizvodnje materiala in nizki izkoristki, imajo silicijev karbidni elementi relativno visoke proizvodne stroške.
Poleg tega ima proizvodnja naprav iz silicijevega karbida določene tehnične težave:
1) Razviti je treba specifičen postopek, ki je skladen z značilnostmi silicijevega karbida. Na primer: SiC ima visoko tališče, zaradi česar je tradicionalna toplotna difuzija neučinkovita. Uporabiti je treba metodo dopiranja z ionsko implantacijo in natančno nadzorovati parametre, kot so temperatura, hitrost segrevanja, trajanje in pretok plina; SiC je inerten na kemična topila. Uporabiti je treba metode, kot je suho jedkanje, ter optimizirati in razviti materiale mask, plinske mešanice, nadzor naklona stranske stene, hitrost jedkanja, hrapavost stranske stene itd.;
2) Izdelava kovinskih elektrod na silicijevih karbidnih rezinah zahteva kontaktno upornost pod 10-5Ω2. Materiala elektrod, ki izpolnjujeta zahteve, Ni in Al, imata slabo toplotno stabilnost nad 100 °C, vendar imata Al/Ni boljšo toplotno stabilnost. Kontaktna specifična upornost kompozitnega materiala elektrode /W/Au je za 10-3Ω2 višja;
3) SiC ima visoko obrabo pri rezanju, trdota SiC pa je druga po trdoti za diamantom, kar postavlja višje zahteve za rezanje, brušenje, poliranje in druge tehnologije.
Poleg tega je izdelava silicijevih karbidnih napajalnih naprav v jarku težja. Glede na različne strukture naprav lahko silicijev karbidne napajalne naprave v glavnem razdelimo na planarne in jarkovne. Planarne silicijev karbidne napajalne naprave imajo dobro enotno skladnost in preprost proizvodni postopek, vendar so nagnjene k JFET efektu ter imajo visoko parazitsko kapacitivnost in upornost vklopljenega stanja. V primerjavi z planarnimi napravami imajo jarkovne silicijev karbidne napajalne naprave nižjo enotno skladnost in bolj zapleten proizvodni postopek. Vendar pa jarkovna struktura prispeva k povečanju gostote enot naprav in manj verjetno povzroča JFET efekt, kar je koristno za reševanje problema mobilnosti kanalov. Ima odlične lastnosti, kot so majhna upornost vklopa, majhna parazitska kapacitivnost in nizka poraba energije pri preklopu. Ima znatne prednosti glede stroškov in zmogljivosti ter je postala glavna smer razvoja silicijevih karbidnih napajalnih naprav. Po podatkih uradne spletne strani Rohm predstavlja struktura ROHM Gen3 (Gen1 Trench struktura) le 75 % površine čipa Gen2 (Plannar2), vklopna upornost strukture ROHM Gen3 pa se pri enaki velikosti čipa zmanjša za 50 %.
Stroški substrata silicijevega karbida, epitaksije, predprodaje, raziskav in razvoja ter drugi stroški predstavljajo 47 %, 23 %, 19 %, 6 % oziroma 5 % proizvodnih stroškov naprav iz silicijevega karbida.
Nazadnje se bomo osredotočili na odpravljanje tehničnih ovir substratov v industrijski verigi silicijevega karbida.
Proizvodni postopek substratov iz silicijevega karbida je podoben proizvodnemu procesu substratov na osnovi silicija, vendar je težji.
Proizvodni proces substrata silicijevega karbida običajno vključuje sintezo surovin, rast kristalov, obdelavo ingotov, rezanje ingotov, brušenje rezin, poliranje, čiščenje in druge povezave.
Faza rasti kristalov je jedro celotnega procesa in ta korak določa električne lastnosti silicijevega karbidnega substrata.
Silicijev karbidni materiali so v tekoči fazi v normalnih pogojih težko rastni. Metoda rasti v parni fazi, ki je danes priljubljena na trgu, ima temperaturo rasti nad 2300 °C in zahteva natančen nadzor temperature rasti. Celoten postopek je skoraj nemogoče opazovati. Že majhna napaka bo povzročila odpadke izdelka. Za primerjavo, silicijevi materiali potrebujejo le 1600 ℃, kar je precej manj. Tudi priprava silicijevega karbidnega substrata se sooča s težavami, kot sta počasna rast kristalov in visoke zahteve glede kristalne oblike. Rast silicijeve karbidne rezine traja približno 7 do 10 dni, medtem ko vlečenje silicijeve palice traja le 2 dni in pol. Poleg tega je silicijev karbid material, katerega trdota je druga največja takoj za diamantom. Med rezanjem, brušenjem in poliranjem se veliko izgubi, izhodno razmerje pa je le 60 %.
Vemo, da je trend povečevanja velikosti silicijevega karbidnega substrata, in ker se velikost še naprej povečuje, so zahteve za tehnologijo širjenja premera vse višje. Za doseganje iterativne rasti kristalov je potrebna kombinacija različnih tehničnih kontrolnih elementov.
Čas objave: 22. maj 2024