Ang mga teknikal na kahirapan sa matatag na paggawa ng maramihang de-kalidad na silicon carbide wafers na may matatag na pagganap ay kinabibilangan ng:
1) Dahil kailangang lumaki ang mga kristal sa isang selyadong kapaligiran na may mataas na temperatura na higit sa 2000°C, napakataas ng mga kinakailangan sa pagkontrol ng temperatura;
2) Dahil ang silicon carbide ay may mahigit 200 istrukturang kristal, ngunit iilang istruktura lamang ng single-crystal silicon carbide ang mga kinakailangang materyales na semiconductor, ang silicon-to-carbon ratio, growth temperature gradient, at crystal growth ay kailangang tumpak na kontrolin sa proseso ng paglaki ng kristal. Ang mga parameter tulad ng bilis at presyon ng daloy ng hangin;
3) Sa ilalim ng paraan ng transmisyon ng singaw, ang teknolohiya ng pagpapalawak ng diyametro ng paglaki ng kristal na silicon carbide ay lubhang mahirap;
4) Ang katigasan ng silicon carbide ay malapit sa katigasan ng diyamante, at ang mga pamamaraan ng pagputol, paggiling, at pagpapakintab ay mahirap.
Mga SiC epitaxial wafer: karaniwang ginagawa sa pamamagitan ng pamamaraang chemical vapor deposition (CVD). Ayon sa iba't ibang uri ng doping, nahahati ang mga ito sa n-type at p-type na epitaxial wafer. Ang mga lokal na Hantian Tiancheng at Dongguan Tianyu ay maaari nang magbigay ng 4-pulgada/6-pulgadang SiC epitaxial wafer. Para sa SiC epitaxy, mahirap itong kontrolin sa high-voltage field, at ang kalidad ng SiC epitaxy ay may mas malaking epekto sa mga SiC device. Bukod dito, ang mga epitaxial equipment ay monopolyo ng apat na nangungunang kumpanya sa industriya: Axitron, LPE, TEL at Nuflare.
Epitaxial na silikon karbidaAng wafer ay tumutukoy sa isang silicon carbide wafer kung saan ang isang kristal na pelikula (epitaxial layer) na may ilang mga kinakailangan at kapareho ng substrate crystal ay pinatubo sa orihinal na silicon carbide substrate. Ang epitaxial growth ay pangunahing gumagamit ng CVD (Chemical Vapor Deposition, ) na kagamitan o MBE (Molecular Beam Epitaxy) na kagamitan. Dahil ang mga silicon carbide device ay direktang ginagawa sa epitaxial layer, ang kalidad ng epitaxial layer ay direktang nakakaapekto sa performance at yield ng device. Habang patuloy na tumataas ang voltage resistant performance ng device, ang kapal ng katumbas na epitaxial layer ay nagiging mas makapal at ang kontrol ay nagiging mas mahirap. Sa pangkalahatan, kapag ang boltahe ay nasa paligid ng 600V, ang kinakailangang kapal ng epitaxial layer ay humigit-kumulang 6 microns; kapag ang boltahe ay nasa pagitan ng 1200-1700V, ang kinakailangang kapal ng epitaxial layer ay umaabot sa 10-15 microns. Kung ang boltahe ay umabot sa higit sa 10,000 volts, maaaring kailanganin ang kapal ng epitaxial layer na higit sa 100 microns. Habang patuloy na tumataas ang kapal ng epitaxial layer, nagiging lalong mahirap kontrolin ang kapal at pagkakapareho ng resistivity at densidad ng depekto.
Mga aparatong SiC: Sa buong mundo, ang 600~1700V SiC SBD at MOSFET ay naging industriyalisado. Ang mga pangunahing produkto ay gumagana sa mga antas ng boltahe na mas mababa sa 1200V at pangunahing gumagamit ng TO packaging. Sa usapin ng presyo, ang mga produktong SiC sa pandaigdigang merkado ay may presyong humigit-kumulang 5-6 beses na mas mataas kaysa sa kanilang mga katapat na Si. Gayunpaman, ang mga presyo ay bumababa sa taunang rate na 10%. Sa paglawak ng mga materyales at produksyon ng aparato sa susunod na 2-3 taon, tataas ang suplay sa merkado, na hahantong sa karagdagang pagbaba ng presyo. Inaasahan na kapag ang presyo ay umabot ng 2-3 beses kaysa sa mga produktong Si, ang mga bentahe na dulot ng nabawasang gastos sa sistema at pinahusay na pagganap ay unti-unting magtutulak sa SiC na sakupin ang espasyo sa merkado ng mga aparatong Si.
Ang tradisyonal na packaging ay batay sa mga substrate na nakabatay sa silicon, habang ang mga materyales na semiconductor ng ikatlong henerasyon ay nangangailangan ng isang ganap na bagong disenyo. Ang paggamit ng tradisyonal na istruktura ng packaging na nakabatay sa silicon para sa mga wide-bandgap power device ay maaaring magdulot ng mga bagong isyu at hamon na may kaugnayan sa frequency, thermal management, at reliability. Ang mga SiC power device ay mas sensitibo sa parasitic capacitance at inductance. Kung ikukumpara sa mga Si device, ang mga SiC power chip ay may mas mabilis na bilis ng switching, na maaaring humantong sa overshoot, oscillation, pagtaas ng switching losses, at maging sa mga malfunction ng device. Bukod pa rito, ang mga SiC power device ay gumagana sa mas mataas na temperatura, na nangangailangan ng mas advanced na mga diskarte sa thermal management.
Iba't ibang istruktura ang nabuo sa larangan ng wide-bandgap semiconductor power packaging. Hindi na angkop ang tradisyonal na Si-based power module packaging. Upang malutas ang mga problema ng mataas na parasitic parameter at mahinang heat dissipation efficiency ng tradisyonal na Si-based power module packaging, ang SiC power module packaging ay gumagamit ng wireless interconnection at double-side cooling technology sa istruktura nito, at gumagamit din ng mga substrate material na may mas mahusay na thermal conductivity, at sinubukang isama ang mga decoupling capacitor, temperature/current sensor, at drive circuit sa istruktura ng module, at bumuo ng iba't ibang teknolohiya ng module packaging. Bukod dito, mayroong mataas na teknikal na hadlang sa paggawa ng SiC device at mataas ang mga gastos sa produksyon.
Ang mga silicone carbide device ay ginagawa sa pamamagitan ng pagdedeposito ng mga epitaxial layer sa isang silicon carbide substrate sa pamamagitan ng CVD. Ang proseso ay kinabibilangan ng paglilinis, oksihenasyon, photolithography, etching, pagtanggal ng photoresist, ion implantation, chemical vapor deposition ng silicon nitride, polishing, sputtering, at mga kasunod na hakbang sa pagproseso upang mabuo ang istruktura ng device sa SiC single crystal substrate. Ang mga pangunahing uri ng SiC power device ay kinabibilangan ng mga SiC diode, SiC transistor, at SiC power module. Dahil sa mga salik tulad ng mabagal na upstream material production speed at mababang yield rates, ang mga silicon carbide device ay may medyo mataas na gastos sa pagmamanupaktura.
Bilang karagdagan, ang paggawa ng silicon carbide device ay may ilang mga teknikal na kahirapan:
1) Kinakailangang bumuo ng isang partikular na proseso na naaayon sa mga katangian ng mga materyales na silicon carbide. Halimbawa: Ang SiC ay may mataas na melting point, na nagpapawalang-bisa sa tradisyonal na thermal diffusion. Kinakailangang gumamit ng ion implantation doping method at tumpak na kontrolin ang mga parameter tulad ng temperatura, heating rate, duration, at gas flow; Ang SiC ay hindi tinatablan ng mga kemikal na solvent. Dapat gamitin ang mga pamamaraan tulad ng dry etching, at dapat i-optimize at paunlarin ang mga materyales na pang-mask, mga pinaghalong gas, pagkontrol sa sidewall slope, etching rate, sidewall roughness, atbp.;
2) Ang paggawa ng mga metal electrode sa mga silicon carbide wafer ay nangangailangan ng contact resistance na mas mababa sa 10-5Ω2. Ang mga materyales ng electrode na nakakatugon sa mga kinakailangan, ang Ni at Al, ay may mahinang thermal stability na higit sa 100°C, ngunit ang Al/Ni ay may mas mahusay na thermal stability. Ang contact specific resistance ng /W/Au composite electrode material ay 10-3Ω2 na mas mataas;
3) Ang SiC ay may mataas na kakayahang magputol, at ang katigasan ng SiC ay pangalawa lamang sa diyamante, na naglalagay ng mas mataas na mga kinakailangan para sa pagputol, paggiling, pagpapakintab at iba pang mga teknolohiya.
Bukod dito, ang mga trench silicon carbide power device ay mas mahirap gawin. Ayon sa iba't ibang istruktura ng device, ang mga silicon carbide power device ay pangunahing nahahati sa mga planar device at trench device. Ang mga planar silicon carbide power device ay may mahusay na unit consistency at simpleng proseso ng pagmamanupaktura, ngunit madaling kapitan ng JFET effect at may mataas na parasitic capacitance at on-state resistance. Kung ikukumpara sa mga planar device, ang mga trench silicon carbide power device ay may mas mababang unit consistency at may mas kumplikadong proseso ng pagmamanupaktura. Gayunpaman, ang trench structure ay nakakatulong sa pagpapataas ng density ng unit ng device at mas malamang na hindi makagawa ng JFET effect, na kapaki-pakinabang sa paglutas ng problema ng channel mobility. Mayroon itong mahusay na mga katangian tulad ng maliit na on-resistance, maliit na parasitic capacitance, at mababang switching energy consumption. Mayroon itong makabuluhang bentahe sa gastos at pagganap at naging pangunahing direksyon ng pag-unlad ng mga silicon carbide power device. Ayon sa opisyal na website ng Rohm, ang ROHM Gen3 structure (Gen1 Trench structure) ay 75% lamang ng Gen2 (Plannar2) chip area, at ang on-resistance ng ROHM Gen3 structure ay nababawasan ng 50% sa ilalim ng parehong laki ng chip.
Ang silikon carbide substrate, epitaxy, front-end, mga gastos sa R&D at iba pa ay bumubuo sa 47%, 23%, 19%, 6% at 5% ng gastos sa paggawa ng mga silicon carbide device, ayon sa pagkakabanggit.
Panghuli, tututuon tayo sa pagsira sa mga teknikal na hadlang ng mga substrate sa kadena ng industriya ng silicon carbide.
Ang proseso ng produksyon ng mga silicon carbide substrates ay katulad ng sa mga silicon-based substrates, ngunit mas mahirap.
Ang proseso ng pagmamanupaktura ng silicon carbide substrate sa pangkalahatan ay kinabibilangan ng synthesis ng hilaw na materyal, paglaki ng kristal, pagproseso ng ingot, pagputol ng ingot, paggiling ng wafer, pagpapakintab, paglilinis at iba pang mga kaugnay na bagay.
Ang yugto ng paglaki ng kristal ang pinakasentro ng buong proseso, at ang hakbang na ito ang tumutukoy sa mga katangiang elektrikal ng substrate ng silicon carbide.
Mahirap palaguin ang mga materyales na silikon karbida sa likidong anyo sa ilalim ng normal na mga kondisyon. Ang paraan ng paglaki ng singaw na popular sa merkado ngayon ay may temperatura ng paglaki na higit sa 2300°C at nangangailangan ng tumpak na kontrol sa temperatura ng paglaki. Halos mahirap obserbahan ang buong proseso ng operasyon. Ang kaunting pagkakamali ay hahantong sa pag-scrap ng produkto. Sa paghahambing, ang mga materyales na silikon ay nangangailangan lamang ng 1600℃, na mas mababa. Ang paghahanda ng mga substrate ng silikon karbida ay nahaharap din sa mga kahirapan tulad ng mabagal na paglaki ng kristal at mataas na kinakailangan sa anyo ng kristal. Ang paglaki ng wafer ng silikon karbida ay tumatagal ng humigit-kumulang 7 hanggang 10 araw, habang ang paghila ng silicon rod ay tumatagal lamang ng 2 at kalahating araw. Bukod dito, ang silicon karbida ay isang materyal na ang katigasan ay pangalawa lamang sa diyamante. Malaki ang mawawala nito sa panahon ng pagputol, paggiling, at pagpapakintab, at ang output ratio ay 60% lamang.
Alam natin na ang uso ay ang pagpapalaki ng laki ng mga silicon carbide substrate, habang patuloy na tumataas ang laki, ang mga kinakailangan para sa teknolohiya ng pagpapalawak ng diyametro ay tumataas nang tumataas. Nangangailangan ito ng kombinasyon ng iba't ibang teknikal na elemento ng kontrol upang makamit ang paulit-ulit na paglaki ng mga kristal.
Oras ng pag-post: Mayo-22-2024