Техничке потешкоће у стабилној масовној производњи висококвалитетних силицијум карбидних плочица са стабилним перформансама укључују:
1) Пошто кристали морају да расту у затвореном окружењу са високом температуром изнад 2000°C, захтеви за контролу температуре су изузетно високи;
2) Пошто силицијум карбид има више од 200 кристалних структура, али само неколико структура монокристалног силицијум карбида су потребни полупроводнички материјали, однос силицијума и угљеника, градијент температуре раста и раст кристала морају бити прецизно контролисани током процеса раста кристала. Параметри као што су брзина и притисак протока ваздуха;
3) Приликом методе преноса парне фазе, технологија ширења пречника раста кристала силицијум карбида је изузетно тешка;
4) Тврдоћа силицијум карбида је блиска тврдоћи дијаманта, а технике сечења, брушења и полирања су тешке.
SiC епитаксијалне плочице: обично се производе методом хемијског таложења из паре (CVD). Према различитим врстама допирања, подељене су на n-тип и p-тип епитаксијалне плочице. Домаћи Hantian Tiancheng и Dongguan Tianyu већ могу да обезбеде SiC епитаксијалне плочице од 4/6 инча. За SiC епитаксију, тешко је контролисати у области високог напона, а квалитет SiC епитаксије има већи утицај на SiC уређаје. Штавише, епитаксијалну опрему монополишу четири водеће компаније у индустрији: Axitron, LPE, TEL и Nuflare.
Епитаксијални силицијум карбидВафла се односи на силицијум карбидну вафлу у којој се монокристални филм (епитаксијални слој) са одређеним захтевима и истим као и кристал подлоге узгаја на оригиналној силицијум карбидној подлози. Епитаксијални раст углавном користи CVD (хемијско таложење из паре) опрему или MBE (молекуларно-снопна епитаксија) опрему. Пошто се силицијум карбидни уређаји производе директно у епитаксијалном слоју, квалитет епитаксијалног слоја директно утиче на перформансе и принос уређаја. Како се перформансе напонске издржљивости уређаја настављају повећавати, дебљина одговарајућег епитаксијалног слоја постаје све дебља и контрола постаје тежа. Генерално, када је напон око 600 V, потребна дебљина епитаксијалног слоја је око 6 микрона; када је напон између 1200-1700 V, потребна дебљина епитаксијалног слоја достиже 10-15 микрона. Ако напон достигне више од 10.000 волти, може бити потребна дебљина епитаксијалног слоја већа од 100 микрона. Како се дебљина епитаксијалног слоја наставља повећавати, постаје све теже контролисати уједначеност дебљине и отпорности, као и густину дефеката.
SiC уређаји: На међународном нивоу, индустријализовани су SiC SBD и MOSFET транзистори од 600~1700V. Главни производи раде на напонима испод 1200V и првенствено користе TO паковање. Што се тиче цена, SiC производи на међународном тржишту су око 5-6 пута скупљи од својих Si пандана. Међутим, цене падају по годишњој стопи од 10%. Са ширењем производње материјала и уређаја у наредне 2-3 године, понуда на тржишту ће се повећати, што ће довести до даљег смањења цена. Очекује се да ће, када цена достигне 2-3 пута већу цену од Si производа, предности које доносе смањени трошкови система и побољшане перформансе постепено довести SiC до тога да заузме тржишни простор Si уређаја.
Традиционално паковање је базирано на подлогама на бази силицијума, док полупроводнички материјали треће генерације захтевају потпуно нови дизајн. Коришћење традиционалних структура паковања на бази силицијума за уређаје за напајање са широким енергетским процепом може довести до нових проблема и изазова везаних за фреквенцију, управљање топлотом и поузданост. SiC уређаји за напајање су осетљивији на паразитски капацитет и индуктивност. У поређењу са Si уређајима, SiC чипови за напајање имају веће брзине прекидача, што може довести до пребацивања, осцилација, повећаних губитака при прекидању, па чак и кварова уређаја. Поред тога, SiC уређаји за напајање раде на вишим температурама, што захтева напредније технике управљања топлотом.
Развијен је низ различитих структура у области паковања полупроводничких напајања са широким енергетским процепом. Традиционално паковање напајачких модула на бази Si више није погодно. Да би се решили проблеми високих паразитских параметара и лоше ефикасности одвођења топлоте традиционалног паковања напајачких модула на бази Si, паковање напајачких модула на бази SiC усваја технологију бежичне интерконекције и двостраног хлађења у својој структури, а такође усваја материјале подлоге са бољом топлотном проводљивошћу, и покушано је да се интегришу кондензатори за раздвајање, сензори температуре/струје и погонска кола у структуру модула, и развијен је низ различитих технологија паковања модула. Штавише, постоје велике техничке баријере за производњу SiC уређаја и трошкови производње су високи.
Силицијум карбидни уређаји се производе наношењем епитаксијалних слојева на силицијум карбидну подлогу путем CVD-а. Процес укључује чишћење, оксидацију, фотолитографију, нагризање, скидање фоторезиста, јонску имплантацију, хемијско наношење силицијум нитрида из парне фазе, полирање, распршивање и накнадне кораке обраде како би се формирала структура уређаја на монокристалној SiC подлози. Главне врсте SiC уређаја за напајање укључују SiC диоде, SiC транзисторе и SiC модуле за напајање. Због фактора као што су спора брзина производње материјала узводно и ниске стопе приноса, уређаји од силицијум карбида имају релативно високе трошкове производње.
Поред тога, производња уређаја од силицијум карбида има одређене техничке потешкоће:
1) Потребно је развити специфичан процес који је у складу са карактеристикама силицијум карбидних материјала. На пример: SiC има високу тачку топљења, што чини традиционалну термичку дифузију неефикасном. Потребно је користити метод допирања јонском имплантацијом и прецизно контролисати параметре као што су температура, брзина загревања, трајање и проток гаса; SiC је инертан према хемијским растварачима. Треба користити методе као што је суво нагризање, а материјали за маске, смеше гасова, контрола нагиба бочних зидова, брзина нагризања, храпавост бочних зидова итд. треба да се оптимизују и развију;
2) Производња металних електрода на силицијум-карбидним плочицама захтева контактни отпор испод 10-5Ω2. Материјали електрода који испуњавају захтеве, Ni и Al, имају лошу термичку стабилност изнад 100°C, али Al/Ni има бољу термичку стабилност. Специфични контактни отпор композитног материјала електрода /W/Au је 10-3Ω2 већи;
3) SiC има велико хабање при резању, а тврдоћа SiC-а је друга одмах после дијаманта, што поставља веће захтеве за сечење, брушење, полирање и друге технологије.
Штавише, ровски силицијум-карбидни уређаји за напајање су тежи за производњу. Према различитим структурама уређаја, силицијум-карбидни уређаји за напајање могу се углавном поделити на планарне уређаје и ровске уређаје. Планарни силицијум-карбидни уређаји за напајање имају добру конзистентност јединица и једноставан процес производње, али су склони JFET ефекту и имају висок паразитски капацитет и отпор у укљученом стању. У поређењу са планарним уређајима, ровски силицијум-карбидни уређаји за напајање имају мању конзистентност јединица и сложенији процес производње. Међутим, ровска структура погодује повећању густине јединица уређаја и мања је вероватноћа да ће произвести JFET ефекат, што је корисно за решавање проблема мобилности канала. Има одлична својства као што су мали отпор укљученог стања, мали паразитски капацитет и ниска потрошња енергије при прекидању. Има значајне предности у погледу трошкова и перформанси и постала је главни правац развоја силицијум-карбидних уређаја за напајање. Према званичној веб страници компаније Rohm, ROHM Gen3 структура (Gen1 Trench структура) је само 75% површине чипа Gen2 (Plannar2), а отпор укљученог стања ROHM Gen3 структуре је смањен за 50% при истој величини чипа.
Трошкови подлоге од силицијум карбида, епитаксија, предњи део, трошкови истраживања и развоја и остало чине 47%, 23%, 19%, 6% и 5% трошкова производње уређаја од силицијум карбида, респективно.
Коначно, фокусираћемо се на уклањање техничких баријера подлога у ланцу индустрије силицијум карбида.
Процес производње силицијум карбидних подлога је сличан процесу производње подлога на бази силицијума, али је тежи.
Процес производње силицијум карбидне подлоге генерално укључује синтезу сировина, раст кристала, обраду ингота, сечење ингота, брушење плочице, полирање, чишћење и друге везе.
Фаза раста кристала је срж целог процеса, и овај корак одређује електрична својства силицијум карбидне подлоге.
Силицијум карбидне материјале је тешко узгајати у течној фази под нормалним условима. Метода раста у парној фази, која је данас популарна на тржишту, има температуру раста изнад 2300°C и захтева прецизну контролу температуре раста. Читав процес рада је готово тешко посматрати. Мала грешка ће довести до отпада производа. У поређењу са тим, силицијумским материјалима је потребно само 1600℃, што је много ниже. Припрема силицијум карбидних подлога такође се суочава са потешкоћама као што су спор раст кристала и високи захтеви за облик кристала. Раст силицијум карбидне плочице траје око 7 до 10 дана, док извлачење силицијумске шипке траје само 2 и по дана. Штавише, силицијум карбид је материјал чија је тврдоћа друга одмах после дијаманта. Много ће се изгубити током сечења, брушења и полирања, а излазни однос је само 60%.
Знамо да је тренд повећања величине силицијум карбидних подлога, како се величина наставља повећавати, захтеви за технологијом проширења пречника постају све већи и већи. Потребна је комбинација различитих техничких контролних елемената да би се постигао итеративни раст кристала.
Време објаве: 22. мај 2024.