Технічні труднощі стабільного масового виробництва високоякісних пластин карбіду кремнію зі стабільною продуктивністю включають:
1) Оскільки кристали повинні рости у високотемпературному герметичному середовищі вище 2000°C, вимоги до контролю температури надзвичайно високі;
2) Оскільки карбід кремнію має понад 200 кристалічних структур, але лише кілька структур монокристалічного карбіду кремнію є необхідними напівпровідниковими матеріалами, співвідношення кремнію до вуглецю, градієнт температури росту та ріст кристалів необхідно точно контролювати під час процесу росту кристалів. Такі параметри, як швидкість та тиск повітряного потоку;
3) За методом парофазного пропускання технологія розширення діаметра вирощування кристалів карбіду кремнію є надзвичайно складною;
4) Твердість карбіду кремнію близька до твердості алмазу, а методи різання, шліфування та полірування є складними.
Епітаксіальні пластини SiC: зазвичай виготовляються методом хімічного осадження з парової фази (CVD). Залежно від типу легування, вони поділяються на епітаксіальні пластини n-типу та p-типу. Вітчизняні компанії Hantian Tiancheng та Dongguan Tianyu вже можуть постачати епітаксіальні пластини SiC розміром 4/6 дюймів. Епітаксіальну епітаксію SiC важко контролювати у сфері високої напруги, а якість епітаксії SiC має більший вплив на пристрої з SiC. Крім того, епітаксіальне обладнання монополізують чотири провідні компанії галузі: Axitron, LPE, TEL та Nuflare.
Епітаксіальний карбід кремніюПластина стосується пластини з карбіду кремнію, в якій на вихідній підкладці з карбіду кремнію вирощується монокристалічна плівка (епітаксіальний шар) з певними вимогами, ідентична кристалу підкладки. Епітаксіальне вирощування в основному здійснюється за допомогою обладнання CVD (хімічного осадження з парової фази) або MBE (молекулярно-променевої епітаксії). Оскільки пристрої з карбіду кремнію виготовляються безпосередньо в епітаксіальному шарі, якість епітаксіального шару безпосередньо впливає на продуктивність та вихід пристрою. Зі збільшенням стійкості пристрою до напруги товщина відповідного епітаксіального шару стає товстішою, а контроль ускладнюється. Зазвичай, коли напруга становить близько 600 В, необхідна товщина епітаксіального шару становить близько 6 мікрон; коли напруга становить від 1200 до 1700 В, необхідна товщина епітаксіального шару досягає 10-15 мікрон. Якщо напруга перевищує 10 000 вольт, може знадобитися товщина епітаксіального шару понад 100 мікрон. Зі збільшенням товщини епітаксіального шару стає все складніше контролювати однорідність товщини та опору, а також щільність дефектів.
Карбід-кремнієві пристрої: У світі промислово розвинені карбід-кремнієві SBD та MOSFET-транзистори на напругу 600~1700 В. Основні продукти працюють на рівнях напруги нижче 1200 В та переважно використовують корпус TO. Що стосується ціни, то карбід-кремнієві продукти на міжнародному ринку коштують приблизно в 5-6 разів дорожче, ніж їхні кремнієві аналоги. Однак ціни знижуються на 10% щорічно. З розширенням виробництва матеріалів та пристроїв протягом наступних 2-3 років пропозиція на ринку зросте, що призведе до подальшого зниження цін. Очікується, що коли ціна досягне 2-3 разів більшої, ніж ціна на кремнієві продукти, переваги, що з'являються завдяки зниженню системних витрат та покращенню продуктивності, поступово змусять карбід-кремнійдиз зайняти ринковий простір кремнієвих пристроїв.
Традиційна упаковка базується на кремнієвих підкладках, тоді як напівпровідникові матеріали третього покоління вимагають абсолютно нового дизайну. Використання традиційних кремнієвих структур упаковки для широкозонних силових пристроїв може призвести до нових проблем і труднощів, пов'язаних з частотою, управлінням температурою та надійністю. Силові пристрої на основі карбіду кремнію більш чутливі до паразитної ємності та індуктивності. Порівняно з кремнієвими пристроями, силові мікросхеми на основі карбіду кремнію мають вищу швидкість перемикання, що може призвести до перерегулювання, коливань, збільшення втрат на перемикання і навіть несправностей пристрою. Крім того, силові пристрої на основі карбіду кремнію працюють за вищих температур, що вимагає більш просунутих методів управління температурою.
У галузі широкозонної упаковки напівпровідникових силових модулів було розроблено різноманітні структури. Традиційна упаковка силових модулів на основі кремнію більше не підходить. Щоб вирішити проблеми високих паразитних параметрів та низької ефективності розсіювання тепла традиційної упаковки силових модулів на основі кремнію, у своїй структурі упаковки силових модулів на основі карбіду кремнію використовується бездротове з'єднання та технологія двостороннього охолодження, а також матеріали підкладки з кращою теплопровідністю. Була зроблена спроба інтегрувати розділові конденсатори, датчики температури/струму та схеми керування в структуру модуля, і розроблено різноманітні технології упаковки модулів. Крім того, існують високі технічні бар'єри для виробництва пристроїв на основі карбіду кремнію, а виробничі витрати є високими.
Пристрої з карбіду кремнію виготовляються шляхом нанесення епітаксійних шарів на підкладку з карбіду кремнію за допомогою хімікохімічного осадження (ХОГП). Процес включає очищення, окислення, фотолітографію, травлення, видалення фоторезисту, іонну імплантацію, хімічне осадження з парової фази нітриду кремнію, полірування, розпилення та подальші етапи обробки для формування структури пристрою на монокристалічній підкладці з карбіду кремнію. Основні типи силових пристроїв з карбіду кремнію включають діоди з карбіду кремнію, транзистори з карбіду кремнію та силові модулі з карбіду кремнію. Через такі фактори, як низька швидкість виробництва матеріалів та низький коефіцієнт виходу, пристрої з карбіду кремнію мають відносно високі виробничі витрати.
Крім того, виробництво пристроїв з карбіду кремнію має певні технічні труднощі:
1) Необхідно розробити специфічний процес, який би відповідав характеристикам карбід-кремнієвих матеріалів. Наприклад: SiC має високу температуру плавлення, що робить традиційну термодифузію неефективною. Необхідно використовувати метод легування іонною імплантацією та точно контролювати такі параметри, як температура, швидкість нагрівання, тривалість та потік газу; SiC інертний до хімічних розчинників. Слід використовувати такі методи, як сухе травлення, а також оптимізувати та розробляти матеріали масок, газові суміші, контроль нахилу бічної стінки, швидкість травлення, шорсткість бічної стінки тощо;
2) Виготовлення металевих електродів на пластинах карбіду кремнію вимагає контактного опору нижче 10-5Ω2. Матеріали електродів, що відповідають вимогам, Ni та Al, мають погану термостабільність вище 100°C, але Al/Ni має кращу термостабільність. Питомий контактний опір композитного матеріалу електродів /W/Au на 10-3Ω2 вищий;
3) SiC має високий знос різання, а твердість SiC поступається лише алмазу, що висуває вищі вимоги до технологій різання, шліфування, полірування та інших.
Крім того, траншейні силові пристрої з карбіду кремнію складніші у виробництві. Залежно від різних структур пристроїв, силові пристрої з карбіду кремнію можна в основному розділити на планарні та траншейні. Планарні силові пристрої з карбіду кремнію мають добру консистенцію одиниць та простий виробничий процес, але схильні до ефекту JFET та мають високу паразитну ємність та опір увімкненому стані. Порівняно з планарними пристроями, траншейні силові пристрої з карбіду кремнію мають нижчу консистенцію одиниць та складніший виробничий процес. Однак, траншейна структура сприяє збільшенню щільності одиниць пристроїв та менш схильна до ефекту JFET, що є корисним для вирішення проблеми мобільності каналу. Вона має чудові властивості, такі як малий опір увімкненому стані, мала паразитна ємність та низьке споживання енергії перемикання. Вона має значні переваги у вартості та продуктивності та стала основним напрямком розвитку силових пристроїв з карбіду кремнію. Згідно з офіційним веб-сайтом Rohm, структура ROHM Gen3 (траншейна структура Gen1) становить лише 75% площі мікросхеми Gen2 (Plannar2), а опір увімкненого стану структури ROHM Gen3 зменшується на 50% при тому ж розмірі мікросхеми.
Витрати на підкладку з карбіду кремнію, епітаксію, передній план, дослідження та розробки та інші витрати становлять 47%, 23%, 19%, 6% та 5% виробничих витрат на пристрої з карбіду кремнію відповідно.
Нарешті, ми зосередимося на подоланні технічних бар'єрів підкладок у ланцюжку виробництва карбіду кремнію.
Процес виробництва підкладок з карбіду кремнію подібний до процесу виробництва підкладок на основі кремнію, але складніший.
Процес виробництва підкладки з карбіду кремнію зазвичай включає синтез сировини, вирощування кристалів, обробку злитків, різання злитків, шліфування пластин, полірування, очищення та інші аспекти.
Стадія росту кристалів є ядром усього процесу, і цей крок визначає електричні властивості карбід-кремнієвої підкладки.
Карбід-кремнієві матеріали важко вирощувати в рідкій фазі за нормальних умов. Метод вирощування в паровій фазі, популярний на ринку сьогодні, передбачає температуру вирощування вище 2300°C і вимагає точного контролю температури вирощування. Весь робочий процес майже неможливо спостерігати. Невелика похибка призведе до браку продукції. Для порівняння, кремнієві матеріали потребують лише 1600℃, що значно нижче. Підготовка карбід-кремнієвих підкладок також стикається з такими труднощами, як повільний ріст кристалів та високі вимоги до кристалічної форми. Вирощування пластини карбіду кремнію займає близько 7-10 днів, тоді як витягування кремнієвого стрижня займає лише 2,5 дні. Крім того, карбід кремнію - це матеріал, твердість якого поступається лише алмазу. Він багато втрачає під час різання, шліфування та полірування, а коефіцієнт виходу становить лише 60%.
Ми знаємо, що тенденція полягає у збільшенні розміру підкладок з карбіду кремнію, і оскільки розмір продовжує зростати, вимоги до технології розширення діаметра стають все вищими. Це вимагає поєднання різних технічних елементів контролю для досягнення ітеративного росту кристалів.
Час публікації: 22 травня 2024 р.