Những khó khăn kỹ thuật trong việc sản xuất hàng loạt ổn định các tấm wafer silicon carbide chất lượng cao với hiệu suất ổn định bao gồm:
1) Vì tinh thể cần phát triển trong môi trường kín có nhiệt độ cao trên 2000°C, nên yêu cầu kiểm soát nhiệt độ cực kỳ khắt khe;
2) Vì silic cacbua có hơn 200 cấu trúc tinh thể, nhưng chỉ một vài cấu trúc tinh thể đơn của silic cacbua là vật liệu bán dẫn cần thiết, nên tỷ lệ silic trên cacbon, độ dốc nhiệt độ tăng trưởng và tốc độ tăng trưởng tinh thể cần được kiểm soát chính xác trong quá trình tăng trưởng tinh thể. Các thông số như tốc độ và áp suất luồng khí;
3) Theo phương pháp truyền pha hơi, công nghệ mở rộng đường kính trong quá trình phát triển tinh thể silic cacbua vô cùng khó khăn;
4) Độ cứng của cacbua silic gần bằng độ cứng của kim cương, do đó các kỹ thuật cắt, mài và đánh bóng rất khó thực hiện.
Các tấm wafer SiC kết tinh: thường được sản xuất bằng phương pháp lắng đọng hơi hóa học (CVD). Theo các loại pha tạp khác nhau, chúng được chia thành các tấm wafer kết tinh loại n và loại p. Các công ty trong nước như Hantian Tiancheng và Dongguan Tianyu đã có thể cung cấp các tấm wafer SiC kết tinh 4 inch/6 inch. Đối với quá trình kết tinh SiC, việc kiểm soát trong lĩnh vực điện áp cao rất khó khăn, và chất lượng của quá trình kết tinh SiC có ảnh hưởng lớn đến các thiết bị SiC. Hơn nữa, thiết bị kết tinh được độc quyền bởi bốn công ty hàng đầu trong ngành: Axitron, LPE, TEL và Nuflare.
màng mỏng silicon carbideTấm wafer là loại wafer silicon carbide trong đó một lớp màng tinh thể đơn (lớp epitaxy) với các yêu cầu nhất định và giống với tinh thể nền được nuôi cấy trên chất nền silicon carbide ban đầu. Quá trình nuôi cấy epitaxy chủ yếu sử dụng thiết bị CVD (Chemical Vapor Deposition) hoặc thiết bị MBE (Molecular Beam Epitaxy). Vì các thiết bị silicon carbide được sản xuất trực tiếp trên lớp epitaxy, chất lượng của lớp epitaxy ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu suất và năng suất của thiết bị. Khi khả năng chịu điện áp của thiết bị tiếp tục tăng, độ dày của lớp epitaxy tương ứng trở nên dày hơn và việc kiểm soát trở nên khó khăn hơn. Nói chung, khi điện áp khoảng 600V, độ dày lớp epitaxy cần thiết là khoảng 6 micron; khi điện áp nằm trong khoảng 1200-1700V, độ dày lớp epitaxy cần thiết đạt 10-15 micron. Nếu điện áp đạt trên 10.000 volt, có thể cần độ dày lớp epitaxy hơn 100 micron. Khi độ dày của lớp màng mỏng kết tinh tiếp tục tăng, việc kiểm soát độ dày, độ đồng nhất điện trở suất và mật độ khuyết tật ngày càng trở nên khó khăn.
Các thiết bị SiC: Trên thị trường quốc tế, các diode Schottky (SBD) và transistor chuyển mạch rời (MOSFET) SiC hoạt động ở điện áp 600-1700V đã được sản xuất công nghiệp. Các sản phẩm chủ lực hoạt động ở mức điện áp dưới 1200V và chủ yếu sử dụng bao bì TO. Về giá cả, các sản phẩm SiC trên thị trường quốc tế có giá cao hơn khoảng 5-6 lần so với các sản phẩm Si tương ứng. Tuy nhiên, giá đang giảm với tốc độ 10% mỗi năm. Với sự mở rộng sản xuất nguyên vật liệu và thiết bị trong 2-3 năm tới, nguồn cung thị trường sẽ tăng lên, dẫn đến giá giảm hơn nữa. Dự kiến khi giá đạt mức gấp 2-3 lần so với sản phẩm Si, những lợi thế do giảm chi phí hệ thống và cải thiện hiệu suất mang lại sẽ dần dần giúp SiC chiếm lĩnh thị phần của các thiết bị Si.
Các công nghệ đóng gói truyền thống dựa trên chất nền silicon, trong khi vật liệu bán dẫn thế hệ thứ ba đòi hỏi một thiết kế hoàn toàn mới. Việc sử dụng cấu trúc đóng gói dựa trên silicon truyền thống cho các thiết bị điện có dải băng thông rộng có thể gây ra những vấn đề và thách thức mới liên quan đến tần số, quản lý nhiệt và độ tin cậy. Các thiết bị điện SiC nhạy cảm hơn với điện dung và điện cảm ký sinh. So với các thiết bị Si, chip điện SiC có tốc độ chuyển mạch nhanh hơn, điều này có thể dẫn đến hiện tượng quá tải, dao động, tăng tổn thất chuyển mạch và thậm chí là trục trặc thiết bị. Ngoài ra, các thiết bị điện SiC hoạt động ở nhiệt độ cao hơn, đòi hỏi các kỹ thuật quản lý nhiệt tiên tiến hơn.
Trong lĩnh vực đóng gói công suất bán dẫn có dải năng lượng rộng, nhiều cấu trúc khác nhau đã được phát triển. Việc đóng gói mô-đun công suất dựa trên silicon truyền thống không còn phù hợp. Để giải quyết các vấn đề về thông số ký sinh cao và hiệu suất tản nhiệt kém của việc đóng gói mô-đun công suất dựa trên silicon truyền thống, việc đóng gói mô-đun công suất SiC đã áp dụng công nghệ kết nối không dây và làm mát hai mặt trong cấu trúc của nó, đồng thời sử dụng các vật liệu nền có độ dẫn nhiệt tốt hơn, và cố gắng tích hợp các tụ điện tách rời, cảm biến nhiệt độ/dòng điện và mạch điều khiển vào cấu trúc mô-đun, và đã phát triển nhiều công nghệ đóng gói mô-đun khác nhau. Hơn nữa, việc sản xuất thiết bị SiC còn gặp nhiều rào cản kỹ thuật và chi phí sản xuất cao.
Các thiết bị silicon carbide được sản xuất bằng cách lắng đọng các lớp màng mỏng trên chất nền silicon carbide thông qua phương pháp CVD. Quá trình này bao gồm làm sạch, oxy hóa, quang khắc, khắc axit, loại bỏ chất cản quang, cấy ion, lắng đọng hơi hóa học silicon nitride, đánh bóng, phun phủ và các bước xử lý tiếp theo để tạo thành cấu trúc thiết bị trên chất nền tinh thể đơn SiC. Các loại thiết bị điện SiC chính bao gồm điốt SiC, transistor SiC và mô-đun công suất SiC. Do các yếu tố như tốc độ sản xuất vật liệu đầu vào chậm và tỷ lệ sản lượng thấp, các thiết bị silicon carbide có chi phí sản xuất tương đối cao.
Ngoài ra, việc sản xuất thiết bị silicon carbide còn gặp một số khó khăn kỹ thuật nhất định:
1) Cần phải phát triển một quy trình cụ thể phù hợp với đặc tính của vật liệu silicon carbide. Ví dụ: SiC có điểm nóng chảy cao, khiến phương pháp khuếch tán nhiệt truyền thống không hiệu quả. Cần sử dụng phương pháp pha tạp bằng cấy ion và kiểm soát chính xác các thông số như nhiệt độ, tốc độ gia nhiệt, thời gian và lưu lượng khí; SiC trơ với dung môi hóa học. Cần sử dụng các phương pháp như khắc khô, và cần tối ưu hóa và phát triển các vật liệu mặt nạ, hỗn hợp khí, kiểm soát độ dốc thành bên, tốc độ khắc, độ nhám thành bên, v.v.
2) Việc chế tạo điện cực kim loại trên tấm silicon carbide yêu cầu điện trở tiếp xúc dưới 10-5Ω2. Các vật liệu điện cực đáp ứng yêu cầu này, Ni và Al, có độ ổn định nhiệt kém ở nhiệt độ trên 100°C, nhưng Al/Ni có độ ổn định nhiệt tốt hơn. Điện trở suất tiếp xúc của vật liệu điện cực composite /W/Au cao hơn 10-3Ω2;
3) SiC có độ mài mòn khi cắt cao, và độ cứng của SiC chỉ đứng sau kim cương, điều này đặt ra yêu cầu cao hơn đối với các công nghệ cắt, mài, đánh bóng và các công nghệ khác.
Hơn nữa, các thiết bị điện tử công suất silicon carbide dạng rãnh khó chế tạo hơn. Theo cấu trúc thiết bị khác nhau, các thiết bị điện tử công suất silicon carbide có thể được chia thành hai loại chính: thiết bị phẳng và thiết bị dạng rãnh. Các thiết bị điện tử công suất silicon carbide phẳng có tính nhất quán đơn vị tốt và quy trình sản xuất đơn giản, nhưng dễ bị ảnh hưởng bởi hiệu ứng JFET và có điện dung ký sinh và điện trở trạng thái bật cao. So với các thiết bị phẳng, các thiết bị điện tử công suất silicon carbide dạng rãnh có tính nhất quán đơn vị thấp hơn và quy trình sản xuất phức tạp hơn. Tuy nhiên, cấu trúc rãnh có lợi cho việc tăng mật độ đơn vị thiết bị và ít có khả năng tạo ra hiệu ứng JFET, điều này có lợi cho việc giải quyết vấn đề về độ linh động kênh. Nó có các đặc tính tuyệt vời như điện trở bật nhỏ, điện dung ký sinh nhỏ và tiêu thụ năng lượng chuyển mạch thấp. Nó có những lợi thế đáng kể về chi phí và hiệu suất và đã trở thành hướng phát triển chính của các thiết bị điện tử công suất silicon carbide. Theo trang web chính thức của Rohm, cấu trúc ROHM Gen3 (cấu trúc Trench Gen1) chỉ chiếm 75% diện tích chip của Gen2 (Plannar2), và điện trở bật của cấu trúc ROHM Gen3 giảm 50% trong cùng kích thước chip.
Chi phí sản xuất thiết bị silicon carbide bao gồm: chất nền silicon carbide, lớp màng mỏng epitaxy, khâu tiền xử lý, chi phí nghiên cứu và phát triển, và các chi phí khác, tương ứng chiếm 47%, 23%, 19%, 6% và 5%.
Cuối cùng, chúng ta sẽ tập trung vào việc phá vỡ các rào cản kỹ thuật của chất nền trong chuỗi công nghiệp silicon carbide.
Quy trình sản xuất chất nền silicon carbide tương tự như quy trình sản xuất chất nền silicon, nhưng khó hơn.
Quy trình sản xuất chất nền silicon carbide thường bao gồm tổng hợp nguyên liệu thô, nuôi cấy tinh thể, gia công phôi, cắt phôi, mài tấm bán dẫn, đánh bóng, làm sạch và các công đoạn khác.
Giai đoạn phát triển tinh thể là cốt lõi của toàn bộ quy trình, và bước này quyết định các đặc tính điện của chất nền silicon carbide.
Vật liệu cacbua silic rất khó nuôi cấy trong pha lỏng ở điều kiện bình thường. Phương pháp nuôi cấy trong pha hơi phổ biến trên thị trường hiện nay có nhiệt độ nuôi cấy trên 2300°C và đòi hỏi kiểm soát nhiệt độ chính xác. Toàn bộ quá trình vận hành gần như khó quan sát. Một sai sót nhỏ cũng có thể dẫn đến việc phải loại bỏ sản phẩm. So với đó, vật liệu silic chỉ cần 1600℃, thấp hơn nhiều. Việc chuẩn bị chất nền cacbua silic cũng gặp khó khăn như tốc độ tăng trưởng tinh thể chậm và yêu cầu hình dạng tinh thể cao. Nuôi cấy tấm wafer cacbua silic mất khoảng 7 đến 10 ngày, trong khi kéo thanh silic chỉ mất 2 ngày rưỡi. Hơn nữa, cacbua silic là vật liệu có độ cứng chỉ đứng sau kim cương. Nó sẽ bị hao mòn nhiều trong quá trình cắt, mài và đánh bóng, và tỷ lệ sản lượng chỉ đạt 60%.
Chúng ta biết rằng xu hướng hiện nay là tăng kích thước của các chất nền silicon carbide, và khi kích thước tiếp tục tăng, yêu cầu đối với công nghệ mở rộng đường kính ngày càng cao. Điều này đòi hỏi sự kết hợp của nhiều yếu tố kiểm soát kỹ thuật khác nhau để đạt được sự phát triển lặp đi lặp lại của các tinh thể.
Thời gian đăng bài: 22 tháng 5 năm 2024