De tekniska svårigheterna med att stabilt massproducera högkvalitativa kiselkarbidskivor med stabil prestanda inkluderar:
1) Eftersom kristaller behöver växa i en högtemperaturförseglad miljö över 2000 °C är kraven på temperaturkontroll extremt höga;
2) Eftersom kiselkarbid har mer än 200 kristallstrukturer, men endast ett fåtal strukturer av enkristallkiselkarbid är de nödvändiga halvledarmaterialen, måste förhållandet mellan kisel och kol, tillväxttemperaturgradienten och kristalltillväxten kontrolleras exakt under kristalltillväxtprocessen. Parametrar som hastighet och luftflödestryck;
3) Med ångfasöverföringsmetoden är diameterutvidgningstekniken för kiselkarbidkristalltillväxt extremt svår;
4) Kiselkarbidens hårdhet är nära diamantens, och skär-, slip- och poleringstekniker är svåra.
Epitaxiala SiC-skivor: tillverkas vanligtvis med kemisk ångdeponering (CVD). Beroende på olika dopningstyper delas de in i epitaxiala skivor av n-typ och p-typ. Inhemska Hantian Tiancheng och Dongguan Tianyu kan redan leverera epitaxiala SiC-skivor på 4 tum/6 tum. För SiC-epitaxi är det svårt att kontrollera inom högspänningsområdet, och kvaliteten på SiC-epitaxin har en större inverkan på SiC-komponenter. Dessutom är epitaxialutrustning monopoliserad av de fyra ledande företagen i branschen: Axitron, LPE, TEL och Nuflare.
Epitaxial kiselkarbidEn wafer avser en kiselkarbidwafer där en enkristallfilm (epitaxiellt lager) med vissa krav och samma som substratkristallen odlas på det ursprungliga kiselkarbidsubstratet. Epitaxiell tillväxt använder huvudsakligen CVD-utrustning (Chemical Vapor Deposition) eller MBE-utrustning (Molecular Beam Epitaxy). Eftersom kiselkarbidkomponenter tillverkas direkt i det epitaxiska lagret påverkar kvaliteten på det epitaxiska lagret direkt enhetens prestanda och utbyte. Allt eftersom enhetens spänningsmotståndskraft fortsätter att öka blir tjockleken på motsvarande epitaxiska lager tjockare och kontrollen blir svårare. Generellt sett, när spänningen är runt 600 V, är den erforderliga epitaxiska lagertjockleken cirka 6 mikron; när spänningen är mellan 1200-1700 V når den erforderliga epitaxiska lagertjockleken 10-15 mikron. Om spänningen når mer än 10 000 volt kan en epitaxiell lagertjocklek på mer än 100 mikron krävas. Allt eftersom tjockleken på det epitaxiella lagret fortsätter att öka blir det allt svårare att kontrollera tjockleken och resistivitetens likformighet samt defektdensiteten.
SiC-komponenter: Internationellt har 600~1700V SiC SBD och MOSFET industrialiserats. De vanligaste produkterna arbetar vid spänningsnivåer under 1200V och använder främst TO-kapsling. Prismässigt är SiC-produkter på den internationella marknaden cirka 5-6 gånger dyrare än sina Si-motsvarigheter. Priserna sjunker dock med en årlig takt på 10 %. Med expansionen av uppströms material och komponentproduktion under de kommande 2-3 åren kommer marknadsutbudet att öka, vilket leder till ytterligare prissänkningar. Det förväntas att när priset når 2-3 gånger så högt som för Si-produkter, kommer fördelarna med minskade systemkostnader och förbättrad prestanda gradvis att driva SiC att ockupera marknadsutrymmet för Si-komponenter.
Traditionell kapsling är baserad på kiselbaserade substrat, medan tredje generationens halvledarmaterial kräver en helt ny design. Att använda traditionella kiselbaserade kapslingsstrukturer för kraftkomponenter med brett bandgap kan medföra nya problem och utmaningar relaterade till frekvens, värmehantering och tillförlitlighet. SiC-kraftkomponenter är mer känsliga för parasitisk kapacitans och induktans. Jämfört med SiC-komponenter har SiC-kraftchips snabbare switchhastigheter, vilket kan leda till översvängning, oscillation, ökade switchförluster och till och med enhetsfel. Dessutom arbetar SiC-kraftkomponenter vid högre temperaturer, vilket kräver mer avancerade värmehanteringstekniker.
En mängd olika strukturer har utvecklats inom området för kraftpaketering av halvledarkraft med brett bandgap. Traditionell Si-baserad kraftmodulkapsling är inte längre lämplig. För att lösa problemen med höga parasitparametrar och dålig värmeavledningseffektivitet hos traditionell Si-baserad kraftmodulkapsling, använder SiC-kraftmodulkapsling trådlös sammankoppling och dubbelsidig kylteknik i sin struktur, och använder även substratmaterial med bättre värmeledningsförmåga, och försöker integrera avkopplingskondensatorer, temperatur-/strömsensorer och drivkretsar i modulstrukturen, och utvecklar en mängd olika modulkapslingstekniker. Dessutom finns det höga tekniska hinder för tillverkning av SiC-enheter och produktionskostnaderna är höga.
Kiselkarbidkomponenter tillverkas genom att epitaxiella lager avsätts på ett kiselkarbidsubstrat genom CVD. Processen innefattar rengöring, oxidation, fotolitografi, etsning, avdrivning av fotoresist, jonimplantation, kemisk ångavsättning av kiselnitrid, polering, sputtring och efterföljande bearbetningssteg för att bilda komponentstrukturen på SiC-enkristallsubstratet. Huvudtyper av SiC-kraftkomponenter inkluderar SiC-dioder, SiC-transistorer och SiC-kraftmoduler. På grund av faktorer som långsam uppströms materialproduktionshastighet och låg avkastning har kiselkarbidkomponenter relativt höga tillverkningskostnader.
Dessutom har tillverkning av kiselkarbidkomponenter vissa tekniska svårigheter:
1) Det är nödvändigt att utveckla en specifik process som överensstämmer med egenskaperna hos kiselkarbidmaterial. Till exempel: SiC har en hög smältpunkt, vilket gör traditionell termisk diffusion ineffektiv. Det är nödvändigt att använda jonimplantationsdopningsmetoden och noggrant kontrollera parametrar som temperatur, uppvärmningshastighet, varaktighet och gasflöde; SiC är inert mot kemiska lösningsmedel. Metoder som torretsning bör användas, och maskmaterial, gasblandningar, kontroll av sidoväggarna, etsningshastighet, sidoväggarnas ojämnhet etc. bör optimeras och utvecklas.
2) Tillverkning av metallelektroder på kiselkarbidskivor kräver ett kontaktmotstånd under 10⁻⁶Ω². Elektrodmaterialen som uppfyller kraven, Ni och Al, har dålig termisk stabilitet över 100 °C, men Al/Ni har bättre termisk stabilitet. Det kontaktspecifika motståndet för /W/Au-kompositelektrodmaterialet är 10⁻⁶Ω² högre;
3) SiC har hög skärslitage, och SiC:s hårdhet är näst efter diamant, vilket ställer högre krav för skärning, slipning, polering och andra tekniker.
Dessutom är trench-kiselkarbid-kraftkomponenter svårare att tillverka. Beroende på olika komponentstrukturer kan kiselkarbid-kraftkomponenter huvudsakligen delas in i plana komponent och trench-komponent. Plana kiselkarbid-kraftkomponenter har god enhetskonsistens och enkel tillverkningsprocess, men är benägna att påverka JFET-effekten och har hög parasitkapacitans och motstånd i påslaget tillstånd. Jämfört med plana komponent har trench-kiselkarbid-kraftkomponenter lägre enhetskonsistens och en mer komplex tillverkningsprocess. Trench-strukturen bidrar dock till att öka komponentens enhetstäthet och är mindre benägen att producera JFET-effekten, vilket är fördelaktigt för att lösa problemet med kanalmobilitet. Den har utmärkta egenskaper som lågt påslagningsmotstånd, liten parasitkapacitans och låg energiförbrukning vid omkoppling. Den har betydande kostnads- och prestandafördelar och har blivit den huvudsakliga riktningen för utveckling av kiselkarbid-kraftkomponenter. Enligt Rohms officiella webbplats utgör ROHM Gen3-strukturen (Gen1 Trench-struktur) endast 75 % av Gen2 (Plannar2) chiparea, och ROHM Gen3-strukturens motstånd minskar med 50 % under samma chipstorlek.
Kiselkarbidsubstrat, epitaxi, front-end, FoU-kostnader och annat står för 47 %, 23 %, 19 %, 6 % respektive 5 % av tillverkningskostnaden för kiselkarbidkomponenter.
Slutligen kommer vi att fokusera på att bryta ner de tekniska barriärerna för substrat i kiselkarbidindustrins kedja.
Produktionsprocessen för kiselkarbidsubstrat liknar den för kiselbaserade substrat, men är svårare.
Tillverkningsprocessen för kiselkarbidsubstrat inkluderar vanligtvis råmaterialsyntes, kristalltillväxt, götbearbetning, götskärning, skivslipning, polering, rengöring och andra länkar.
Kristalltillväxtstadiet är kärnan i hela processen, och detta steg bestämmer de elektriska egenskaperna hos kiselkarbidsubstratet.
Kiselkarbidmaterial är svåra att odla i flytande fas under normala förhållanden. Ångfasmetoden som är populär på marknaden idag har en tillväxttemperatur över 2300 °C och kräver exakt kontroll av tillväxttemperaturen. Hela operationsprocessen är nästan svår att observera. Ett litet fel leder till att produkten kasseras. I jämförelse kräver kiselmaterial endast 1600 ℃, vilket är mycket lägre. Framställning av kiselkarbidsubstrat möter också svårigheter som långsam kristalltillväxt och höga krav på kristallform. Tillväxt av kiselkarbidskivor tar cirka 7 till 10 dagar, medan det bara tar 2,5 dagar att dra ut kiselstavar. Dessutom är kiselkarbid ett material vars hårdhet är näst efter diamant. Det förlorar mycket under skärning, slipning och polering, och produktionsförhållandet är bara 60 %.
Vi vet att trenden är att öka storleken på kiselkarbidsubstrat, och i takt med att storleken fortsätter att öka blir kraven på diameterexpansionsteknik allt högre. Det krävs en kombination av olika tekniska kontrollelement för att uppnå iterativ kristalltillväxt.
Publiceringstid: 22 maj 2024