Yüksek kaliteli ve istikrarlı performanslı silisyum karbür levhaların seri üretiminde karşılaşılan teknik zorluklar şunlardır:
1) Kristallerin 2000°C'nin üzerinde yüksek sıcaklıkta, kapalı bir ortamda büyümesi gerektiğinden, sıcaklık kontrolü gereksinimleri son derece yüksektir;
2) Silisyum karbürün 200'den fazla kristal yapısı olmasına rağmen, tek kristalli silisyum karbürün yalnızca birkaç yapısı gerekli yarı iletken malzeme olduğundan, kristal büyüme sürecinde silisyum-karbon oranı, büyüme sıcaklığı gradyanı ve kristal büyüme hızı ve hava akış basıncı gibi parametrelerin hassas bir şekilde kontrol edilmesi gerekmektedir;
3) Buhar fazı iletim yöntemi altında, silisyum karbür kristal büyümesinin çap genişletme teknolojisi son derece zordur;
4) Silisyum karbürün sertliği elmasınkine yakındır ve kesme, taşlama ve parlatma teknikleri zordur.
SiC epitaksiyel levhalar: Genellikle kimyasal buhar biriktirme (CVD) yöntemiyle üretilirler. Farklı katkılama türlerine göre n-tipi ve p-tipi epitaksiyel levhalar olarak ayrılırlar. Yerli Hantian Tiancheng ve Dongguan Tianyu, 4 inç/6 inç SiC epitaksiyel levhalar sağlayabilmektedir. SiC epitaksisi, yüksek voltaj alanında kontrol edilmesi zor bir işlemdir ve SiC epitaksisinin kalitesi SiC cihazları üzerinde büyük bir etkiye sahiptir. Dahası, epitaksiyel ekipman, sektördeki dört önde gelen şirket tarafından tekelleştirilmiştir: Axitron, LPE, TEL ve Nuflare.
Silisyum karbür epitaksiyelSilikon karbür levha, belirli gereksinimlere sahip ve alt tabaka kristaliyle aynı olan tek kristalli bir filmin (epitaksiyel tabaka) orijinal silikon karbür alt tabaka üzerine büyütüldüğü bir silikon karbür levhayı ifade eder. Epitaksiyel büyüme esas olarak CVD (Kimyasal Buhar Biriktirme) ekipmanı veya MBE (Moleküler Işın Epitaksi) ekipmanı kullanılarak yapılır. Silikon karbür cihazlar doğrudan epitaksiyel tabakada üretildiğinden, epitaksiyel tabakanın kalitesi cihazın performansını ve verimliliğini doğrudan etkiler. Cihazın voltaj dayanım performansı artmaya devam ettikçe, ilgili epitaksiyel tabakanın kalınlığı da artar ve kontrolü zorlaşır. 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 voltun üzerine çıkarsa, 100 mikrondan fazla bir epitaksiyel tabaka kalınlığı gerekebilir. Epitaksiyel tabakanın kalınlığı artmaya devam ettikçe, kalınlık ve direnç homojenliğini ve kusur yoğunluğunu kontrol etmek giderek zorlaşır.
SiC cihazları: Uluslararası alanda, 600~1700V SiC SBD ve MOSFET'ler endüstrileştirilmiştir. Ana akım ürünler 1200V'nin altındaki voltaj seviyelerinde çalışır ve ağırlıklı olarak TO paketleme kullanır. Fiyatlandırma açısından, uluslararası pazardaki SiC ürünleri, Si muadillerine göre yaklaşık 5-6 kat daha pahalıdır. Bununla birlikte, 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 ulaşması durumunda, düşük sistem maliyetleri ve iyileştirilmiş performansın getirdiği avantajların, SiC'yi kademeli olarak Si cihazlarının pazar alanını ele geçirmeye iteceği beklenmektedir.
Geleneksel paketleme silikon tabanlı alt tabakalara dayanırken, üçüncü nesil yarı iletken malzemeler tamamen yeni bir tasarım gerektiriyor. Geniş bant aralıklı güç cihazları için geleneksel silikon tabanlı paketleme yapılarının kullanılması, frekans, termal yönetim ve güvenilirlik ile ilgili yeni sorunlar ve zorluklar ortaya çıkarabilir. SiC güç cihazları, parazitik kapasitans ve endüktansa karşı daha hassastır. Si cihazlarına kıyasla, SiC güç çipleri daha hızlı anahtarlama hızlarına sahiptir; bu da aşırı salınıma, salınıma, artan anahtarlama kayıplarına ve hatta cihaz arızalarına yol açabilir. Ek olarak, SiC güç cihazları 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 paketlemesi artık uygun değildir. Geleneksel Si tabanlı güç modülü paketlemesinin yüksek parazitik parametreler ve düşük ısı dağıtım verimliliği sorunlarını çözmek için, SiC güç modülü paketlemesi yapısında kablosuz ara bağlantı ve çift taraflı soğutma teknolojisini benimser, ayrıca daha iyi ısı iletkenliğine sahip alt tabaka malzemeleri kullanır ve ayırma kapasitörlerini, sıcaklık/akım sensörlerini ve sürücü devrelerini modül yapısına entegre etmeye çalışarak çeşitli farklı modül paketleme teknolojileri geliştirmiştir. Dahası, SiC cihaz üretiminde yüksek teknik engeller ve yüksek üretim maliyetleri bulunmaktadır.
Silisyum karbür cihazlar, CVD yöntemiyle silisyum karbür alt tabaka üzerine epitaksiyel katmanlar biriktirilerek üretilir. Bu işlem, temizleme, oksidasyon, fotolitografi, aşındırma, fotorezistin çıkarılması, iyon implantasyonu, silisyum nitrürün kimyasal buhar biriktirilmesi, parlatma, püskürtme ve SiC tek kristal alt tabaka üzerinde cihaz yapısını oluşturmak için sonraki işlem adımlarını içerir. Başlıca SiC güç cihazı türleri arasında SiC diyotlar, SiC transistörler ve SiC güç modülleri bulunur. Yavaş yukarı akış malzeme üretim hızı ve düşük verim oranları gibi faktörler nedeniyle, silisyum karbür cihazların üretim maliyetleri nispeten yüksektir.
Ayrıca, silisyum karbür cihaz üretiminde bazı teknik zorluklar bulunmaktadır:
1) Silisyum karbür malzemelerin özellikleriyle uyumlu özel bir işlem geliştirilmesi gereklidir. Örneğin: SiC'nin yüksek erime noktası, geleneksel termal difüzyonu etkisiz hale getirir. İyon implantasyonu doping yöntemi kullanılmalı ve sıcaklık, ısıtma hızı, süre ve gaz akışı gibi parametreler hassas bir şekilde kontrol edilmelidir; 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 levhalar üzerine metal elektrotların üretimi, 10-5Ω2'nin altında temas direnci gerektirir. Bu gereksinimleri karşılayan elektrot malzemeleri olan 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 aşınma direnci yüksektir ve sertliği elmastan sonra ikinci sıradadır; bu da kesme, taşlama, parlatma ve diğer teknolojiler için daha yüksek gereksinimler ortaya koymaktadır.
Ayrıca, kanallı silisyum karbür güç cihazlarının üretimi daha zordur. Farklı cihaz yapılarına göre, silisyum karbür güç cihazları esas olarak düzlemsel cihazlar ve kanallı cihazlar olarak ikiye ayrılabilir. Düzlemsel silisyum karbür güç cihazları iyi birim tutarlılığına ve basit üretim sürecine sahiptir, ancak JFET etkisine yatkındır ve yüksek parazitik kapasitans ve açık durum direncine sahiptir. Düzlemsel cihazlarla karşılaştırıldığında, kanallı silisyum karbür güç cihazları daha düşük birim tutarlılığına ve daha karmaşık bir üretim sürecine sahiptir. Bununla birlikte, kanallı yapı, cihaz birim yoğunluğunu artırmaya elverişlidir ve JFET etkisinin oluşma olasılığını azaltır, bu da kanal hareketliliği sorununu çözmeye yardımcı olur. Küçük açık durum direnci, küçük parazitik kapasitans ve düşük anahtarlama enerji tüketimi gibi mükemmel özelliklere sahiptir. Önemli maliyet ve performans avantajlarına sahiptir ve silisyum karbür güç cihazlarının geliştirilmesinde ana akım yön haline gelmiştir. Rohm'un resmi internet sitesine göre, ROHM Gen3 yapısı (Gen1 Trench yapısı), Gen2 (Plannar2) çip alanının yalnızca %75'ini kaplıyor ve aynı çip boyutunda ROHM Gen3 yapısının açık kalma direnci %50 oranında azaltılmış durumda.
Silisyum karbür alt tabaka, epitaksi, ön uç, Ar-Ge giderleri ve diğer kalemler, silisyum karbür cihazlarının üretim maliyetinin sırasıyla %47, %23, %19, %6 ve %5'ini oluşturmaktadır.
Son olarak, silisyum karbür endüstri zincirindeki alt tabakaların teknik engellerini ortadan kaldırmaya odaklanacağız.
Silisyum karbür alt tabakaların üretim süreci, silisyum bazlı alt tabakaların üretim sürecine benzer, ancak daha zordur.
Silisyum karbür alt tabakanın üretim süreci genel olarak hammadde sentezi, kristal büyümesi, külçe işleme, külçe kesme, levha taşlama, parlatma, temizleme ve diğer aşamaları içerir.
Kristal büyüme aşaması tüm sürecin özünü oluşturur ve bu adım silisyum karbür alt tabakanın elektriksel özelliklerini belirler.
Silisyum karbür malzemelerin normal koşullar altında sıvı fazda büyütülmesi zordur. Günümüzde piyasada yaygın olan buhar fazı büyütme yöntemi, 2300°C'nin üzerinde bir büyüme sıcaklığı gerektirir ve büyüme sıcaklığının hassas kontrolünü gerektirir. Tüm işlem süreci neredeyse gözlemlenmesi zordur. Küçük bir hata, ürünün hurdaya çıkmasına yol açabilir. Buna karşılık, silikon malzemeler sadece 1600℃ gerektirir ki bu çok daha düşüktür. Silisyum karbür alt tabakaların hazırlanması da yavaş kristal büyümesi ve yüksek kristal form gereksinimleri gibi zorluklarla karşı karşıyadır. Silisyum karbür levha büyümesi yaklaşık 7 ila 10 gün sürerken, silikon çubuk çekme işlemi sadece 2 buçuk gün sürer. Dahası, silisyum karbür, sertliği elmastan sonra ikinci sırada olan bir malzemedir. Kesme, taşlama ve parlatma sırasında çok fazla kayıp yaşanır ve verim oranı sadece %60'tır.
Silisyum karbür alt tabakaların boyutunun giderek arttığı bir trend olduğunu biliyoruz; boyut artışı devam ettikçe, çap genişletme teknolojisine yönelik gereksinimler de giderek yükseliyor. Kristallerin tekrarlayan büyümesini sağlamak için çeşitli teknik kontrol unsurlarının bir kombinasyonuna ihtiyaç duyulmaktadır.
Yayın tarihi: 22 Mayıs 2024