فرآیند ساخت دستگاه های SIC چگونه است؟

به عنوان یک تامین کننده قدیمی دستگاه های SIC، بسیار هیجان زده هستم که روند تولید دستگاه های SIC (سیلیکون کاربید) را با شما به اشتراک بگذارم. دستگاه‌های SIC به دلیل ویژگی‌های عملکردی برتر، مانند ولتاژ شکست بالا، مقاومت کم و هدایت حرارتی عالی در مقایسه با دستگاه‌های مبتنی بر سیلیکون سنتی، موج‌هایی را در صنعت الکترونیک قدرت ایجاد کرده‌اند.

1. آماده سازی مواد خام

اولین گام مهم در ساخت دستگاه های SIC، تهیه مواد اولیه SIC با کیفیت بالا است. مواد اولیه دستگاه های SIC معمولاً ویفرهای تک کریستال Sic است. این ویفرها از طریق فرآیند پیچیده ای به نام حمل و نقل بخار فیزیکی (PVT) تولید می شوند.

در فرآیند PVT، پودر کاربید سیلیکون با خلوص بالا در یک بوته گرافیتی قرار می گیرد. سپس بوته تا دمای بسیار بالا، معمولاً بالای 2000 درجه سانتیگراد، در یک اتمسفر گاز بی اثر (مانند آرگون) گرم می شود. در این دماهای بالا، پودر کاربید سیلیکون تصعید می‌شود و بخار روی کریستال بذری که در انتهای خنک‌تر بوته قرار می‌گیرد متراکم می‌شود. با گذشت زمان، یک شمش Sic تک کریستالی روی کریستال دانه رشد می کند.

کیفیت شمش Sic تک کریستال از اهمیت بالایی برخوردار است زیرا به طور مستقیم بر عملکرد دستگاه های SIC نهایی تأثیر می گذارد. عواملی مانند عیوب کریستالی، ناخالصی ها و ساختار شبکه باید در طول فرآیند رشد به دقت کنترل شوند. پس از رشد شمش، با استفاده از اره الماسی به ویفرهای نازک بریده می شود. سپس این ویفرها برای دستیابی به سطحی صاف و صاف صیقل داده می شوند که برای فرآیندهای بعدی ساخت دستگاه ضروری است.

2. رشد همپایی

هنگامی که ویفرهای Sic آماده شدند، مرحله بعدی رشد اپیتاکسیال است. اپیتاکسی فرآیندی است که در آن یک لایه نازک و تک بلوری از Sic بر روی سطح ویفر Sic رشد می کند. این لایه اپیتاکسیال به گونه ای طراحی شده است که دارای خواص الکتریکی خاصی مانند غلظت و ضخامت دوپینگ باشد که برای عملکرد دستگاه SIC نهایی بسیار مهم است.

رسوب شیمیایی بخار (CVD) رایج ترین روش مورد استفاده برای رشد اپیتاکسیال Sic است. در فرآیند CVD، مخلوطی از گازهای پیش ساز، مانند سیلان (SiH4) و پروپان (C3H8)، همراه با یک گاز ناخالص (مانند نیتروژن برای دوپینگ نوع n یا آلومینیوم برای دوپینگ نوع p)، به محفظه واکنش وارد می شود. ویفر تا دمای بالا، معمولاً در حدود 1500 تا 1600 درجه سانتیگراد گرم می شود. گازهای پیش ساز در سطح ویفر تجزیه می شوند و اتم ها در شبکه کریستالی ویفر ادغام می شوند و یک لایه اپیتاکسیال با کیفیت بالا را تشکیل می دهند.

کنترل روند رشد اپیتاکسیال بسیار دقیق است. پارامترهایی مانند نرخ جریان گاز، دما و فشار باید به دقت تنظیم شوند تا از یکنواختی لایه اپیتاکسیال از نظر ضخامت و غلظت دوپینگ در سراسر ویفر اطمینان حاصل شود.

3. جداسازی دستگاه

پس از رشد اپیتاکسیال، جداسازی دستگاه انجام می شود. هدف از جداسازی دستگاه، ایزوله کردن الکتریکی دستگاه‌های جداگانه روی ویفر، جلوگیری از تداخل الکتریکی بین دستگاه‌های مجاور است.

یکی از روش های رایج برای جداسازی دستگاه در دستگاه های SIC کاشت یون است. در کاشت یون، یون‌های پرانرژی تسریع می‌شوند و در مکان‌های خاص در لایه همپای Sic کاشته می‌شوند. این یون‌ها ناحیه‌ای با مقاومت بالا در لایه همپایی ایجاد می‌کنند و به طور موثر دستگاه‌های مجاور را جدا می‌کنند. نوع و انرژی یون ها و همچنین دوز کاشت و زاویه کاشت، برای دستیابی به عملکرد ایزوله مورد نظر، با دقت انتخاب می شوند.

روش دیگر برای ایزولاسیون دستگاه، جداسازی ترانشه است. در جداسازی ترانشه، ترانشه های عمیق با استفاده از اچینگ یونی واکنشی (RIE) در لایه همپای Sic حک می شوند. سپس ترانشه ها با یک ماده دی الکتریک مانند دی اکسید سیلیکون (SiO2) پر می شوند تا دستگاه ها به صورت الکتریکی ایزوله شوند. جداسازی ترانشه می تواند عملکرد جداسازی بهتری را به خصوص برای دستگاه های SIC با ولتاژ بالا ارائه دهد.

4. تشکیل منبع و تخلیه

مناطق منبع و تخلیه اجزای ضروری ماسفت های SIC و سایر ترانزیستورها هستند. این نواحی از طریق ترکیبی از کاشت یون و فرآیندهای بازپخت تشکیل می شوند.

برای دستگاه‌های SIC نوع n، یون‌های فسفر یا نیتروژن معمولاً در لایه اپیتاکسیال کاشته می‌شوند تا مناطق منبع و تخلیه را ایجاد کنند. انرژی و دوز کاشت برای دستیابی به غلظت و عمق دوپینگ مورد نظر تنظیم می شود. پس از کاشت یون، ویفر در دمای بالا، معمولا بالای 1600 درجه سانتیگراد، بازپخت می شود تا یون های کاشته شده را فعال کرده و آسیب کریستالی ناشی از فرآیند کاشت را ترمیم کند.

فرآیند بازپخت بسیار مهم است زیرا بر خواص الکتریکی نواحی منبع و زهکشی مانند مقاومت و تحرک حامل تأثیر می گذارد. بازپخت مناسب همچنین می تواند عملکرد کلی و قابلیت اطمینان دستگاه SIC را بهبود بخشد.

5. تشکیل اکسید دروازه

در ماسفت های SIC، لایه اکسید گیت نقش مهمی در کنترل جریان جریان بین منبع و تخلیه ایفا می کند. اکسید گیت معمولاً با اکسیداسیون حرارتی سطح Sic تشکیل می شود.

فرآیند اکسیداسیون حرارتی شامل گرم کردن ویفر Sic در یک اتمسفر حاوی اکسیژن در دمای بالا است. در طی فرآیند اکسیداسیون، اتم‌های اکسیژن با سطح Sic واکنش می‌دهند تا یک لایه دی اکسید سیلیکون (SiO2) تشکیل دهند. با این حال، کیفیت رابط SiO2/Sic یک چالش بزرگ در ماسفت های SIC است. نقص در رابط می تواند منجر به تراکم تله رابط بالا شود که می تواند عملکرد دستگاه را کاهش دهد، مانند کاهش تحرک کانال و افزایش ولتاژ آستانه.

برای بهبود کیفیت اکسید گیت و رابط SiO2/Sic، از روش‌های مختلف سطحی و تکنیک‌های بهینه‌سازی استفاده می‌شود. به عنوان مثال، بازپخت نیتروژن یا استفاده از اکسیدهای گیت مبتنی بر نیترید می تواند به کاهش چگالی تله رابط و بهبود عملکرد دستگاه کمک کند.

6. متالیزاسیون

متالیزاسیون فرآیند رسوب لایه های فلزی بر روی دستگاه برای ایجاد کنتاکت ها و اتصالات الکتریکی است. در دستگاه های SIC معمولاً چندین لایه فلزی رسوب می کنند.

اولین لایه فلزی، که به عنوان فلز تماس اهمی شناخته می‌شود، روی نواحی منبع، تخلیه و دروازه رسوب می‌کند تا یک تماس الکتریکی با مقاومت کم ایجاد کند. فلزاتی مانند تیتانیوم (Ti)، نیکل (Ni) و آلومینیوم (Al) معمولاً برای تماس های اهمی استفاده می شوند. فلز تماس اهمی با استفاده از روش‌های رسوب فیزیکی بخار (PVD) مانند کندوپاش یا تبخیر رسوب می‌کند. پس از رسوب فلز، ویفر آنیل می شود تا یک تماس اهمی پایدار ایجاد کند.

لایه‌های فلزی بعدی در بالای فلز تماس اهمی قرار می‌گیرند تا اتصالات داخلی تشکیل دهند که بخش‌های مختلف دستگاه را به هم متصل می‌کنند. این لایه‌های فلزی با استفاده از فوتولیتوگرافی و تکنیک‌های اچینگ برای ایجاد طرح مدار مورد نظر الگوبرداری می‌شوند.

7. بسته بندی

پس از اتمام فرآیند ساخت ویفر، دستگاه های SIC جداگانه با استفاده از یک اره دیس از ویفر جدا می شوند. سپس این تراشه‌های جداگانه در بسته‌بندی مناسبی بسته‌بندی می‌شوند تا از آن‌ها در برابر محیط محافظت شود و اتصالات الکتریکی ایجاد شود.

انواع مختلفی از پکیج ها برای دستگاه های SIC موجود است، از جمله بسته های نصب سطحی و بسته های سوراخ دار. انتخاب پکیج به نیازهای کاربردی مانند اتلاف توان، رتبه بندی ولتاژ و اندازه فیزیکی بستگی دارد.

در طی فرآیند بسته بندی، تراشه SIC با استفاده از یک چسب رسانا به یک قاب سربی یا یک بستر متصل می شود. سپس از سیم‌های باند برای اتصال پدهای تراشه به لیدهای بسته استفاده می‌شود. در نهایت، بسته با یک ترکیب قالب‌گیری محصور شده است تا از تراشه در برابر رطوبت، گرد و غبار و استرس مکانیکی محافظت کند.

8. تست و کنترل کیفیت

مرحله نهایی در فرآیند ساخت دستگاه های SIC، تست و کنترل کیفیت است. هر دستگاه SIC بسته بندی شده تست می شود تا اطمینان حاصل شود که الزامات عملکرد مشخص شده را برآورده می کند.

تست های الکتریکی برای اندازه گیری پارامترهایی مانند ولتاژ شکست، مقاومت روشن، ولتاژ آستانه و ویژگی های کلیدزنی انجام می شود. تست های حرارتی نیز برای ارزیابی عملکرد حرارتی دستگاه، مانند دمای محل اتصال و مقاومت حرارتی انجام می شود.

بر اساس نتایج آزمایش، دستگاه های SIC با توجه به عملکردشان به درجه های مختلف طبقه بندی می شوند. دستگاه‌هایی که الزامات مشخصات را برآورده نمی‌کنند رد می‌شوند و اطمینان حاصل می‌شود که فقط دستگاه‌های SIC با کیفیت بالا برای مشتریان ارسال می‌شوند.

در طول فرآیند تولید، اقدامات کنترل کیفیت دقیق برای اطمینان از قابلیت اطمینان و سازگاری دستگاه های SIC اجرا می شود. این شامل بازرسی در فرآیند، قابلیت ردیابی مواد و کنترل فرآیند آماری است.

نتیجه گیری

در نتیجه، فرآیند ساخت دستگاه های SIC یک فرآیند پیچیده و بسیار دقیق است که شامل مراحل متعددی از آماده سازی مواد اولیه تا بسته بندی و آزمایش است. شرکت ما، به عنوان یک تامین کننده حرفه ای دستگاه های SIC، متعهد به استفاده از پیشرفته ترین فن آوری های ساخت و سیستم های کنترل کیفیت دقیق برای تولید دستگاه های SIC با کیفیت بالا است که نیازهای متنوع مشتریان ما را برآورده می کند.

ما طیف گسترده ای از دستگاه های SIC را ارائه می دهیم، از جملهدیود سیک شاتکیوسیک ماسفت. اگر به دستگاه های SIC ما علاقه مند هستید یا در مورد کاربرد و تهیه آنها سؤالی دارید، لطفاً با ما تماس بگیرید. ما مشتاقانه منتظر بحث در مورد نیازهای خاص شما و ارائه بهترین راه حل ها هستیم.

مراجع

1. بالیگا، بی جی (2005). دستگاه های قدرت کاربید سیلیکون. علمی جهانی
2. کیموتو، تی، و کوپر، JA (ویراستاران). (2014). سیلیکون کاربید: مواد، پردازش و دستگاه ها. وایلی - IEEE.
3. پالمور، جی دبلیو و دیویس، RF (2000). کاربید سیلیکون: ماده شگفت انگیز الکترونیک قدرت. تراکنش های IEEE در دستگاه های الکترونیکی، 47(3)، 417 - 431.