Kararlı performansa sahip yüksek kaliteli silisyum karbür gofretlerin istikrarlı bir şekilde seri üretiminde karşılaşılan teknik zorluklar şunlardır:
1) Kristallerin 2000°C'nin üstündeki yüksek sıcaklıktaki kapalı bir ortamda büyümesi gerektiğinden, sıcaklık kontrol gereksinimleri son derece yüksektir;
2) Silisyum karbürün 200'den fazla kristal yapısı olmasına rağmen, tek kristal silisyum karbürün sadece birkaç yapısı gerekli yarı iletken malzemeler olduğundan, kristal büyüme süreci sırasında silisyum-karbon oranı, büyüme sıcaklığı gradyanı ve kristal büyümesinin hassas bir şekilde kontrol edilmesi gerekir. Hız ve hava akış basıncı gibi parametreler;
3) Buhar fazı iletim yöntemi altında, silisyum karbür kristal büyümesinin çap genişletme teknolojisi son derece zordur;
4) Silisyum karbürün sertliği elmasa yakındır, kesme, taşlama ve parlatma teknikleri zordur.
SiC epitaksiyel gofretler: genellikle kimyasal buhar biriktirme (CVD) yöntemiyle üretilir. Farklı katkılama türlerine göre n tipi ve p tipi epitaksiyel gofretler olarak ayrılırlar. Yurt içi Hantian Tiancheng ve Dongguan Tianyu halihazırda 4 inç/6 inç SiC epitaksiyel gofretler sağlayabilir. SiC epitaksisi için, yüksek voltajlı alanda kontrol etmek zordur ve SiC epitaksisinin kalitesi SiC cihazları üzerinde daha büyük bir etkiye sahiptir. Dahası, epitaksiyel ekipman sektördeki dört lider şirket tarafından tekelleştirilmiştir: Axitron, LPE, TEL ve Nuflare.
Silisyum karbür epitaksiyelwafer, belirli gereksinimleri olan ve alt tabaka kristali ile aynı olan tek bir kristal filmin (epitaksiyel tabaka) orijinal silisyum karbür alt tabaka üzerinde büyütüldüğü bir silisyum karbür gofreti ifade eder. Epitaksiyel büyüme esas olarak CVD (Kimyasal Buhar Biriktirme, ) ekipmanı veya MBE (Moleküler Işın Epitaksi) ekipmanı kullanır. Silisyum karbür cihazlar doğrudan epitaksiyel tabakada üretildiğinden, epitaksiyel tabakanın kalitesi cihazın performansını ve verimini doğrudan etkiler. Cihazın voltaj dayanım performansı artmaya devam ettikçe, karşılık gelen epitaksiyel tabakanın kalınlığı kalınlaşır ve kontrol daha zor hale gelir. Genellikle, voltaj yaklaşık 600V olduğunda, gerekli epitaksiyel tabaka kalınlığı yaklaşık 6 mikrondur; voltaj 1200-1700V arasında olduğunda, gerekli epitaksiyel tabaka kalınlığı 10-15 mikrona ulaşır. Voltaj 10.000 volttan fazlasına ulaşırsa, 100 mikrondan fazla epitaksiyel tabaka kalınlığı gerekebilir. Epitaksiyel tabakanın kalınlığı artmaya devam ettikçe, kalınlık ve özdirenç düzgünlüğünü ve kusur yoğunluğunu kontrol etmek giderek zorlaşır.
SiC cihazları: Uluslararası alanda 600~1700V SiC SBD ve MOSFET endüstriyel hale gelmiştir. Ana akım ürünler 1200V'un altındaki voltaj seviyelerinde çalışır ve öncelikle TO paketlemeyi benimser. Fiyatlandırma açısından, uluslararası pazardaki SiC ürünleri Si muadillerinden yaklaşık 5-6 kat daha yüksek fiyatlandırılır. Ancak fiyatlar yıllık %10 oranında düşmektedir. Önümüzdeki 2-3 yıl içinde yukarı akış malzemelerinin ve cihaz üretiminin genişlemesiyle birlikte, pazar arzı artacak ve bu da daha fazla fiyat düşüşüne yol açacaktır. Fiyatın Si ürünlerinin 2-3 katına ulaştığında, azaltılmış sistem maliyetlerinin ve iyileştirilmiş performansın getirdiği avantajların SiC'yi kademeli olarak Si cihazlarının pazar alanını işgal etmeye yönlendirmesi beklenmektedir.
Geleneksel paketleme, silikon tabanlı alt tabakalara dayanırken, üçüncü nesil yarı iletken malzemeler tamamen yeni bir tasarım gerektirir. Geniş bant aralıklı güç aygıtları için geleneksel silikon tabanlı paketleme yapılarının kullanılması, frekans, termal yönetim ve güvenilirlikle ilgili yeni sorunlar ve zorluklar ortaya çıkarabilir. SiC güç aygıtları parazitik kapasitans ve endüktansa karşı daha hassastır. Si aygıtlarıyla karşılaştırıldığında, SiC güç yongaları daha hızlı anahtarlama hızlarına sahiptir ve bu da aşırı yüklenmeye, salınıma, artan anahtarlama kayıplarına ve hatta aygıt arızalarına yol açabilir. Ek olarak, SiC güç aygıtları daha yüksek sıcaklıklarda çalışır ve daha gelişmiş termal yönetim teknikleri gerektirir.
Geniş bant aralıklı yarı iletken güç paketleme alanında çeşitli farklı yapılar geliştirilmiştir. Geleneksel Si tabanlı güç modülü paketleme artık uygun değildir. Geleneksel Si tabanlı güç modülü paketlemesinin yüksek parazit parametreleri ve zayıf ısı dağılımı verimliliği sorunlarını çözmek için, SiC güç modülü paketlemesi yapısında kablosuz bağlantı ve çift taraflı soğutma teknolojisini benimser ve ayrıca daha iyi termal iletkenliğe sahip alt tabaka malzemelerini benimser ve modül yapısına ayırma kapasitörleri, sıcaklık/akım sensörleri ve tahrik devreleri entegre etmeye çalışır ve çeşitli farklı modül paketleme teknolojileri geliştirir. Dahası, SiC cihaz imalatında yüksek teknik engeller vardır ve üretim maliyetleri yüksektir.
Silisyum karbür cihazları, CVD yoluyla silisyum karbür alt tabaka üzerine epitaksiyel katmanlar biriktirilerek üretilir. İşlem, temizleme, oksidasyon, fotolitografi, aşındırma, fotorezistin sıyrılması, iyon implantasyonu, silisyum nitrürün kimyasal buhar biriktirilmesi, parlatma, püskürtme ve SiC tek kristal alt tabaka üzerinde cihaz yapısını oluşturmak için sonraki işlem adımlarını içerir. SiC güç cihazlarının ana tipleri arasında SiC diyotlar, SiC transistörler ve SiC güç modülleri bulunur. Yavaş akış yukarı malzeme üretim hızı ve düşük verim oranları gibi faktörler nedeniyle, silisyum karbür cihazlarının üretim maliyetleri nispeten yüksektir.
Ayrıca silisyum karbür cihaz imalatında bazı teknik zorluklar da bulunmaktadır:
1) Silisyum karbür malzemelerin özellikleriyle tutarlı özel bir işlem geliştirmek gerekir. Örneğin: SiC'nin yüksek bir erime noktası vardır, bu da geleneksel termal difüzyonu etkisiz hale getirir. İyon implantasyon katkılama yöntemini kullanmak ve sıcaklık, ısıtma hızı, süre ve gaz akışı gibi parametreleri doğru bir şekilde kontrol etmek gerekir; SiC kimyasal çözücülere karşı inerttir. Kuru aşındırma gibi yöntemler kullanılmalı ve maske malzemeleri, gaz karışımları, yan duvar eğiminin kontrolü, aşındırma hızı, yan duvar pürüzlülüğü vb. optimize edilmeli ve geliştirilmelidir;
2) Silisyum karbür plakalar üzerinde metal elektrotların üretimi 10-5Ω2'nin altında temas direnci gerektirir. Gereksinimleri karşılayan elektrot malzemeleri, Ni ve Al, 100°C'nin üzerinde zayıf termal kararlılığa sahiptir, ancak Al/Ni daha iyi termal kararlılığa sahiptir. /W/Au kompozit elektrot malzemesinin temas özgül direnci 10-3Ω2 daha yüksektir;
3) SiC'nin kesme aşınması yüksektir ve SiC'nin sertliği elmastan sonra ikinci sıradadır, bu da kesme, taşlama, parlatma ve diğer teknolojiler için daha yüksek gereksinimleri ortaya koyar.
Ayrıca, hendek silisyum karbür güç cihazlarının üretimi daha zordur. Farklı cihaz yapılarına göre, silisyum karbür güç cihazları esas olarak düzlemsel cihazlar ve hendek cihazları olarak ayrılabilir. Düzlemsel silisyum karbür güç cihazları iyi birim tutarlılığına ve basit üretim sürecine sahiptir, ancak JFET etkisine eğilimlidir ve yüksek parazitik kapasitansa ve açık durum direncine sahiptir. Düzlemsel cihazlarla karşılaştırıldığında, hendek silisyum karbür güç cihazları daha düşük birim tutarlılığına sahiptir ve daha karmaşık bir üretim sürecine sahiptir. Ancak, hendek yapısı cihaz birim yoğunluğunu artırmaya elverişlidir ve kanal hareketliliği sorununu çözmek için faydalı olan JFET etkisini üretme olasılığı daha düşüktür. Küçük açık direnç, küçük parazitik kapasitans ve düşük anahtarlama enerji tüketimi gibi mükemmel özelliklere sahiptir. Önemli maliyet ve performans avantajlarına sahiptir ve silisyum karbür güç cihazlarının geliştirilmesinin ana akım yönü haline gelmiştir. Rohm resmi internet sitesine göre, ROHM Gen3 yapısı (Gen1 Trench yapısı), Gen2 (Plannar2) çip alanının sadece %75'ini oluşturuyor ve ROHM Gen3 yapısının on-resistance'ı aynı çip boyutunda %50 oranında azalıyor.
Silisyum karbür cihazların üretim maliyetinin %47’sini silisyum karbür alt tabaka, %23’ünü epitaksi, %19’unu ön uç, %6’sını ar-ge giderleri ve diğer giderler oluşturmaktadır.
Son olarak, silisyum karbür endüstri zincirindeki substratların teknik engellerini ortadan kaldırmaya odaklanacağız.
Silisyum karbür alt tabakaların üretim süreci silisyum esaslı alt tabakaların üretim sürecine benzer, ancak daha zordur.
Silisyum karbür alt tabakanın üretim süreci genel olarak hammadde sentezi, kristal büyütme, külçe işleme, külçe kesme, gofret taşlama, parlatma, temizleme ve diğer bağlantıları içerir.
Kristal büyüme aşaması tüm sürecin merkezini oluşturur ve bu adım silisyum karbür alt tabakanın elektriksel özelliklerini belirler.
Silisyum karbür malzemeleri normal koşullar altında sıvı fazda büyütülmesi zordur. Günümüzde pazarda popüler olan buhar fazı büyütme yönteminin büyüme sıcaklığı 2300°C'nin üzerindedir ve büyüme sıcaklığının hassas bir şekilde kontrol edilmesini gerektirir. Tüm işlem sürecini gözlemlemek neredeyse zordur. Küçük bir hata ürünün hurdaya çıkmasına yol açacaktır. Buna karşılık, silisyum malzemeler yalnızca çok daha düşük olan 1600℃ gerektirir. Silisyum karbür alt tabakaların hazırlanması da yavaş kristal büyümesi ve yüksek kristal formu gereksinimleri gibi zorluklarla karşı karşıyadır. Silisyum karbür gofret büyümesi yaklaşık 7 ila 10 gün sürerken, silisyum çubuk çekme işlemi yalnızca 2 buçuk gün sürer. Dahası, silisyum karbür sertliği sadece elmastan sonra gelen bir malzemedir. Kesme, taşlama ve cilalama sırasında çok şey kaybeder ve çıktı oranı yalnızca %60'tır.
Silisyum karbür alt tabakalarının boyutunun artırılması eğiliminin olduğunu biliyoruz, boyut artmaya devam ettikçe çap genişletme teknolojisine yönelik gereksinimler giderek artıyor. Kristallerin yinelemeli büyümesini elde etmek için çeşitli teknik kontrol öğelerinin bir kombinasyonunu gerektirir.
Yayınlanma zamanı: 22-Mayıs-2024